Nowe zastosowania materiałów na bazie węgla i grafitu

Węgiel jest lekkim pierwiastkiem, który w fazie skondensowanej występuje w różnych odmianach alotropowych. Podstawowe dwie – diament i grafit – różnią się pod względem właściwości mechanicznych i fizycznych. Różnice te wynikają z geometrii oraz charakteru wiązań chemicznych. W strukturze diamentu każdy atom węgla jest związany z czterema sąsiadami silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, których kierunki wyznaczają wierzchołki czworościanu foremnego. Dlatego strukturę diamentu określa się jako tetraedryczną. Ponieważ w tworzeniu czterech silnych wiązań uczestniczy 1 elektron z orbitalu s oraz 3 elektrony z orbitalu p mówimy o konfiguracji bądź fazie spł. Z kolei w graficie krystalicznym atomy węgla są kowalencyjnie związane jedynie z trzema sąsiadami. Kierunki wiązań są określane przez wierzchołki trójkąta równobocznego (struktura trygonalna). W tworzeniu wiązań kowalencyjnych uczestniczą tylko 3 elektrony, 1 z powłoki s oraz 2 z powłoki p, co daje konfigurację sp˛. Kowalencyjnie związane atomy tworzą bardzo trwałe płaszczyzny grafenowe. Płaszczyzny te w krysztale grafitu układają się jedna nad drugą i związane są ze sobą słabymi oddziaływaniami metalicznymi. Taka struktura powoduje, że grafit jest silnie anizotropowym kryształem. Oprócz czystego diamentu i grafitu istnieją także struktury mieszane. Diament z niewielką domieszką fazy sp˛ określamy jako węgiel amorficzny o strukturze tetraedrycznej. W miarę wzrostu udziału fazy sp˛ przechodzi się do węgla diamentopodobnego. Jeżeli w strukturę materiału wbudowywany jest wodór, mówi się o węglach amorficznych wodorowanych. Właściwości fizyczne diamentu, grafitu oraz węgla diamentopodobnego (struktury o fazie mieszanej).

Grafity naturalne i sztuczne są na ogół materiałami polikrystalicznymi. Charakteryzują się dobrym przewodnictwem elektrycznym, dużą odpornością na ściskanie, łupliwością oraz podatnością na ścieranie. Wykorzystuje się je jako materiały ogniotrwałe w hutnictwie, hodowli sztucznych kryształów oraz hutach szkła. Z grafitów naturalnych konstruuje się tygle, cegły węglowo-magnezytowe, cegły węglowo-korundowe oraz elementy pieców elektrołukowych. Bardzo dobrym materiałem izolującym, odpornym na działanie wysokich temperatur jest grafit ekspandowany. Uzyskuje się go z grafitu łuskowego poprzez działanie kwasem chromowym, a następnie stężonym kwasem siarkowym. Z tego materiału wytwarzane są przegrody ogniotrwałe.

Naturalny grafit amorficzny oraz grafit łuskowy wykorzystywany jest jako okładziny szczęk i klocków hamulcowych, gdzie zastępuje stosowany wcześniej azbest. Jednakże w ostatnim czasie wprowadza się nieazbestowe materiały kompozytowe, które są alternatywą dla materiałów węglowych.

Grafity naturalne są wykorzystywane w produkcji smarów. Smary grafitowe dobrze sprawdzają się zarówno w bardzo wysokich, jak i niskich temperaturach. Stosowane są do smarowania ruchomych elementów pras hutniczych oraz jako smary przekładniowe w urządzeniach górniczych. Zawiesiną wodną proszku grafitowego pokrywa się formy odlewnicze przed wypełnieniem. Dzięki temu łatwiejsze staje się oddzielenie odlewu od formy. Grafit ze względu na miękkość oraz dobre przewodnictwo elektryczne znajduje zastosowanie w poligrafii. Zmieszany z glinkami ziemnymi wykorzystywany jest w malarstwie i grafice. Inne znane zastosowania grafitu, to szczotki silników elektrycznych, elektrody w bateriach cynkowo-węglowych oraz elektrody używane w procesach powlekania elektrolitycznego.

Grafit syntetyczny wytwarzany jest z koksu naftowego zmieszanego z pakami naftowymi. Etapy produkcji obejmują wytłaczanie, kształtowanie, wypalanie, spiekanie oraz wyżarzanie (grafityzację). Za pomocą elektrod z grafitu syntetycznego doprowadza się prąd zasilający piece elektrołukowe do produkcji stali. Materiał ten jest również wykorzystywany jako moderator neutronów w elektrowniach jądrowych.

Odpady grafitowe pochodzące z produkcji oraz eksploatacji grafitu po sproszkowaniu wykorzystuje się jako materiał do wzbogacania stali w węgiel. Do tego celu używany jest również syntetyczny proszek grafitowy pochodzący z wyżarzania powyżej temperatury grafityzacji sproszkowanego koksu naftowego.

Grafit znacząco obniża przekrój czynny na rozpraszanie promieniowania radarowego. Dlatego z grafitu zmieszanego z kauczukiem wykonywane są chrapy okrętów podwodnych. Z tego materiału wykonuje się pokrycie niewidzialnego dla radarów samolotu F-117 Nighthawk.

Z grafitu wytwarza się również Folia grafitowa to surowiec bazowy do wykonywania wszelkiego rodzaju materiałów uszczelniających. Folie grafitowe, które znajdują zastosowanie w konstrukcji ogniw paliwowych oraz jako materiał uszczelniający zawory. Do rozwoju nowych technologii, które znajdują zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, elektronice oraz wielu obszarach zaawansowanych technologii, przyczyniło się odkrycie i opracowanie wydajnych metod wytwarzania włókien oraz nanomateriałów węglowych.

[…]

Pozostała część artykułu dostępna na życzenie u Wydawcy.