그래파이트

Graphite
기타 용도는 그라파이트(동음이의)를 참조하십시오.
그래핀과 혼동하지 마세요.
그래파이트
흑연시편
장군
카테고리천연광물
공식
(repeating단위)		C
IMA기호Gr[1]
스트룬츠 분류1.CB.05a
수정계육각형
크리스탈급이육각이중추 (6/mm)
헤르만-마우긴 표기법: (6/m 2/m 2/m)
공간군P6mc3 (버클) P63/mmc (평판)
단위전지a = 2.461, c = 6.708 [Å]; Z = 4
신분증
색.철-검은색에서 강철-회색, 투과광에서 짙은 청색
수정습관6면으로 된 표 모양의 엽형 덩어리, 과립형에서 압축형 덩어리
트위닝현재의.
개열기본 – {0001}에 완벽함
골절갈라지지 않았을 때는 벗겨짐, 그렇지 않을 경우 거칠어짐
고집유연한 비탄성, 분절성
모스 스케일 경도1–2
광채금속성, 흙빛
스트릭블랙입니다.
횡경도불투명하고 매우 얇은 박편에서만 투명함
비중1.9–2.3
밀도2.09–2.23 g/cm3
광학 특성일축(-)
홍색성강한.
용해도녹은 니켈, 따뜻한 클로로황산에[2] 용해됨
기타특징강한 이방성, 전기 전도성, 기름진 느낌, 쉽게 표시됨
참고문헌[3][4][5]

흑연(/ˈɡr æfa ɪt/)은 탄소 원소의 결정질 형태입니다.그것은 그래핀의 층을 쌓아올린 것으로 이루어져 있습니다.흑연은 자연적으로 발생하며 표준 조건에서 가장 안정적인 형태의 탄소입니다.합성 흑연과 천연 흑연은 연필, 윤활유 및 전극에 사용하기 위해 대규모(연간 300 kt)로 소비됩니다.높은 압력과 온도에서는 다이아몬드로 변환됩니다.이것은[6] 열과 전기 모두에 좋은 도체입니다.[7] (훌륭하지는 않지만)

종류 및 종류

천연흑연

천연 흑연의 주요한 종류들은, 각각 다른 종류의 광상에서 발생합니다.

  • 결정질의 작은 흑연 조각(또는 박편 흑연)은 깨지지 않은 경우 육각형 가장자리를 가진 고립된 평평한 판상 입자로 발생합니다.부러졌을 때 가장자리가 불규칙하거나 각질 수 있습니다.
  • 비정질 흑연: 아주 미세한 박편 흑연을 비정질(amorphous)이라고 부르기도 합니다.[8]
  • 덩어리 흑연(또는 정맥 흑연)은 균열 정맥 또는 골절에서 발생하며 섬유상 또는 침상형 결정질 응집체의 거대한 판상 교차로 나타나며, 기원은 수열일 가능성이 있습니다.[9]
  • 고차열분해 흑연은 흑연 시트들 사이에 1° 미만의 각진 퍼짐(spread)을 갖는 흑연을 말합니다.[10]
  • 탄소 섬유 또는 탄소 섬유 강화 폴리머는 "흑연 섬유"라는 명칭을 사용하기도 합니다.

합성흑연

합성 흑연은 흑연질 탄소를 흑연화하거나, 2500 K 이상의 온도에서 탄화수소로부터 CVD(화학 기상 증착)하거나, 열적으로 불안정한 탄화물의 분해 또는 탄소로 과포화된 금속 용융물로부터 결정화하여 얻은 흑연질 탄소로 구성된 물질입니다.[11]

천연흑연 발생

흑연은 변성 과정에서 퇴적 탄소 화합물의 감소로 인해 변성암에서 발생합니다.화성암과 운석에서도 발생합니다.[5]흑연과 관련된 광물로는 석영, 석회암, 운모, 토르말린 등이 있습니다.채굴된 흑연의 주요 수출원은 톤수 순입니다.중국, 멕시코, 캐나다, 브라질 그리고 마다가스카르.[12]

운석에서 흑연은 트릴라이트와 규산염 광물과 함께 발생합니다.[5]운석철의 작은 흑연 결정체는 클리프토나이트라고 불립니다.[9]어떤 미세한 알갱이들은 독특한 동위원소 구성을 가지고 있는데, 이것은 그것들이 태양계 이전에 형성되었다는 것을 보여줍니다.[13]그것들은 태양계보다 먼저 발견되는 약 12종류의 알려진 광물 중 하나이며 분자 구름에서도 발견되었습니다.이 광물들은 초신성이 폭발하거나 중간 크기의 별들이 그들의 인생 후반기에 그들의 외부 봉투를 추방했을 때 분출물에서 형성되었습니다.흑연은 우주에서 두번째 혹은 세번째로 오래된 광물입니다.[14][15]

구조.

흑연은 삼각형의 평면 탄소 시트로 이루어져 있습니다.[16][17]각각의 층은 그래핀이라고 불립니다.각 층에서 탄소 원자들은 결합 길이가 0.142 nm인 벌집 격자 안에 배열되어 있고, 면들 사이의 거리는 0.335 nm입니다.[18]층들 사이의 결합은 상대적으로 약한 반데르발스 결합이고 종종 가스에 의해 차지되는데, 이것은 그래핀과 같은 층들이 쉽게 분리되고 서로를 지나칠 수 있게 해줍니다.[19]

따라서 층에 수직인 전기 전도도는 약 1000배 정도 낮아집니다.[20]

흑연의 두 형태는 알파(육각형)와 베타(롬보면체)라고 불립니다.그들의 성질은 매우 비슷합니다.이들은 그래핀 층의 적층 측면에서 차이가 있습니다. 알파 흑연에서의 적층은 에너지적으로 덜 안정적이고 덜 일반적인 베타 흑연에서의 ABC 적층과는 대조적으로 ABA입니다.[21]알파 형태는 기계적 처리를 통해 베타 형태로 전환될 수 있으며 1300℃ 이상으로 가열되면 베타 형태가 알파 형태로 되돌아갑니다.[22]

열역학

이론적으로 예측된 탄소의 위상도

흑연과 다이아몬드 사이의 전이에 대한 평형 압력과 온도 조건은 이론적으로나 실험적으로 잘 확립되어 있습니다.압력은 0K일 때 1.7 GPa에서 5000K일 때 12 GPa(다이아몬드/흑연/액체 삼중점) 사이에서 선형적으로 변화합니다.[23][24]그러나 단계들은 이 선에 대해 그들이 공존할 수 있는 넓은 영역을 가지고 있습니다.정상 온도와 압력, 20°C (293 K), 1 표준 대기 (0.10 MPa)에서 탄소의 안정적인 상은 흑연이지만 다이아몬드는 준안정하고 흑연으로의 전환율은 무시할 수 있습니다.[25]그러나 약 4500K 이상의 온도에서는 다이아몬드가 흑연으로 빠르게 변환됩니다.흑연을 다이아몬드로 빠르게 변환하려면 평형선보다 훨씬 높은 압력이 필요합니다. 2000 K에서는 35 GPa의 압력이 필요합니다.[23]

기타속성

상온 압력에 대한 몰 부피

흑연의 음향 및 열 특성은 포논이 단단히 묶인 평면을 따라 빠르게 전파되지만 한 평면에서 다른 평면으로 이동하는 속도는 느리기 때문에 매우 비등방성입니다.흑연은 높은 열 안정성과 전기 및 열 전도성을 가지고 있어 고온 재료 가공 분야에서 전극 및 내화물로 널리 사용될 수 있습니다.그러나 산소를 포함한 대기에서는 흑연이 700°C 이상의 온도에서 쉽게 산화되어 이산화탄소를 형성합니다.[26]

흑연은 전기 도체이므로 아크 램프 전극과 같은 용도에 유용합니다.탄소층 내의 거대한 전자 비국재화(방향성이라고 불리는 현상)로 인해 전기를 전도할 수 있습니다.이 원자가 전자들은 자유롭게 움직이므로 전기를 전도할 수 있습니다.그러나 전기는 주로 층의 평면 내에서 전도됩니다.분말 흑연의[27] 전도성 특성을 통해 카본 마이크로폰에서 압력 센서로 사용할 수 있습니다.

흑연 및 흑연 분말은 자체 윤활 및 건조 윤활 특성으로 인해 산업 응용 분야에서 가치가 있습니다.일반적으로 흑연의 윤활 특성은 구조 내 시트들 사이의 느슨한 층간 결합에 기인하는 것으로 알려져 있습니다.[28]그러나 진공 환경(예: 우주에서 사용하는 기술)에서는 저산소 상태로 인해 흑연이 윤활제로 분해되는 것으로 나타났습니다.[29]이러한 관찰은 윤활이 환경으로부터 자연적으로 흡착된 공기와 물과 같은 층 사이에 유체가 존재하기 때문이라는 가설로 이어졌습니다.이 가설은 공기와 물이 흡수되지 않는다는 연구에 의해 반박되었습니다.[30]최근의 연구들은 초윤활성이라고 불리는 효과가 흑연의 윤활 특성을 설명할 수 있다는 것을 암시합니다.흑연의 사용은 일부 스테인리스 스틸의 피트 부식을 용이하게 하고 [31][32]이종 금속 사이의 갈바닉 부식을 촉진하는 경향(전기 전도성으로 인해)에 의해 제한됩니다.습기가 있을 때도 알루미늄에 부식성이 있습니다.이러한 이유로 미 공군은 알루미늄 항공기에 윤활유를 사용하는 것을 금지하고 알루미늄이 포함된 자동 무기에 사용하는 것을 금지했습니다.[33][34]알루미늄 부품의 흑연 연필 자국도 부식을 촉진할 수 있습니다.[35]또 다른 고온 윤활제인 육방정 질화붕소는 흑연과 같은 분자구조를 가지고 있습니다.그것은 유사한 성질 때문에 때때로 흰색 흑연이라고 불립니다.

많은 수의 결정학적 결함들이 이 평면들을 결합시킬 때, 흑연은 윤활 특성들을 잃고 열분해 흑연이라고 알려진 것이 됩니다.또한 매우 비등방성이며 반자성이므로 강한 자석 위의 공기 중에 떠다닙니다.만약 그것이 1000-1300℃의 유동층에서 만들어진다면, 그것은 등방성 터보스트래틱이고, 기계식 심장 판막과 같은 혈액 접촉 장치에 사용되며 열분해 탄소라고 불리며, 반자성이 아닙니다.열분해 흑연과 열분해 탄소는 종종 혼동되지만 매우 다른 물질입니다.[36]

천연 흑연과 결정 흑연은 전단면, 취성 및 일관성 없는 기계적 특성 때문에 구조 재료로서 순수한 형태로 자주 사용되지 않습니다.

천연흑연 사용이력

10-15cm 높이의 흑연판과 시트; 캐나다 키미루트에서 발견된 광물 표본

기원전 4천년, 유럽 남동부의 신석기 시대 동안, 마리 ț라 문화는 도자기를 장식하기 위해 도자기 페인트에 흑연을 사용했습니다.

1565년 이전(일부 자료에 따르면 1500년경), 영국 컴브리아 주 보어데일 교구의 씨스웨이트 마을에서 그레이 노츠로 가는 길에 거대한 흑연 매장물이 발견되었는데, 이는 현지인들이 양을 표시하는 데 유용하다고 생각했습니다.[38][39]엘리자베스 1세 (1558–1603)의 통치 기간 동안, Borrowdale 흑연은 대포알을 위한 틀을 정렬하기 위한 내화성 재료로 사용되었고, 그 결과 더 둥글고 부드러운 공이 발사되어 영국 해군의 힘에 기여했습니다.이 흑연의 특별한 침전물은 매우 순수하고 부드러웠으며 쉽게 막대기로 자를 수 있었습니다.군사적인 중요성 때문에, 이 독특한 광산과 그것의 생산은 엄격하게 왕권에 의해 통제되었습니다.[40]

19세기 동안 흑연의 용도는 스토브 폴리쉬, 윤활유, 페인트, 도가니, 주조 공장용 면, 연필 등으로 크게 확장되었으며, 이는 대중 교육이 크게 증가한 시기에 교육 도구가 확장된 주요 요인이 되었습니다.대영제국은 세계의 대부분의 생산을 통제했지만(특히 실론에서), 오스트리아, 독일, 미국의 매장량은 세기 중반까지 증가했습니다.예를 들어, Joseph Dixon과 동업자인 Orestes Cleveland가 1845년에 설립한 뉴저지주 Jersey City의 Dixon 도가니 회사는 뉴욕의 Ticondoroga 호수 지역에 광산을 열고 그곳에 가공 공장을 짓고 뉴저지에 연필, 십자화과 기타 제품을 생산하는 공장을 지었습니다.1878년 12월 21일 Engineering & Mining Journal에 기술되었습니다.딕슨 연필은 아직도 생산 중입니다.[41]

Graphite Wood Grease 1908년 전기철도 후기 광고

혁명적인 거품 부상 과정의 시작은 흑연 채굴과 관련이 있습니다.Dixon 도가니 회사에 대한 E&MJ 기사에는 오래된 흑연 추출 공정에 사용된 "떠다니는 탱크"의 스케치가 포함되어 있습니다.흑연이 매우 가볍기 때문에, 흑연과 폐기물의 혼합물은 최종 물탱크를 통해 보내졌고, 이 탱크에서 더 깨끗한 흑연이 "떠내려" 폐기물이 떨어져 나갔습니다.1877년 특허에서, 독일 드레스덴의 두 형제 베셀 (아돌프와 아우구스트)은 이 "떠다니는" 과정을 한 단계 더 진행하여 탱크에 소량의 기름을 넣고 혼합물을 끓였습니다 – 교반 또는 거품 단계 – 이 흑연을 모으기 위해. 이것은 미래의 부상 과정을 향한 첫 단계입니다.아돌프 베셀(Adolph Bessel)은 흑연 회수율을 독일 보증금에서 90%로 향상시킨 특허 공정으로 볼러 메달(Wohler Medal)을 받았습니다.1977년, 독일광업기술자야금학자협회는 그들의 발견과 따라서 부유 100주년을 기념하는 특별한 심포지엄을 조직했습니다.[42]

미국에서는 1885년 필라델피아의 히스기야 브래드포드(Heezkiah Bradford)가 유사한 공정에 대한 특허를 취득했지만, 1890년대까지 주요 생산지였던 펜실베이니아주 체스터 카운티(Chester County)의 인근 흑연 매장지에서 그의 공정이 성공적으로 사용되었는지는 불확실합니다.베셀 공정은 주로 전 세계에서 발견되는 풍부한 청정 퇴적물 때문에 사용이 제한적이었는데, 순수 흑연을 모으는 데 손으로 선별하는 것 이상의 것이 필요하지 않았습니다.1900년에 기술된 최신 기술은 캐나다 광산부의 흑연 광산과 광산에 관한 보고서에 기술되어 있습니다. 캐나다의 퇴적물이 흑연의 중요한 생산자가 되기 시작했을 때 말이죠.[42][43]

기타이름

Crane's Black Lead 광고, c. 1905

역사적으로, 흑연은 흑납 또는 플럼바고라고 불렸습니다.[9][44]플럼바고는 보통 거대한 광물 형태로 사용되었습니다.이 두 가지 이름 모두 비슷한 모양의 납광, 특히 갈레나(galena)와의 혼동에서 비롯됩니다.납을 뜻하는 라틴어 플럼럼은 이 회색 금속으로 깎인 광물을 뜻하는 영어 용어와 심지어 이 색을 닮은 꽃을 가진 식물인 납과 식물이나 플럼바고에도 이름을 붙였습니다.

검은색 납이라는 용어는 일반적으로 분말 또는 가공된 흑연, 무광 검정 색상을 나타냅니다.

아브라함 고틀롭 베르너(Abraham Gottlob Werner)는 1789년 흑연("글씨돌")이라는 이름을 만들었습니다.그는 1778년에 칼 빌헬름 셸이 적어도 세 가지 다른 광물이 있다는 것을 증명한 후 몰리브데나, 플럼바고, 블랙 납 사이의 혼란을 정리하려고 시도했습니다.Scheelle의 분석 결과, 화학화합물인 황화몰리브덴(몰리브데나이트), 납(II) 황화물(갈레나)과 흑연은 서로 다른 세 가지 연질 흑색 광물이었습니다.[45][46][47]

천연 흑연의 사용

천연 흑연은 주로 내화물, 배터리, 제강, 팽창 흑연, 브레이크 라이닝, 주조 공장용 면재, 윤활제 등에 사용됩니다.[48]

내화물

흑연을 내화성(내열성) 재료로 사용하는 것은 1900년 이전에 용융 금속을 유지하는 데 사용된 흑연 도가니에서 시작되었습니다. 현재는 내화물의 작은 부분입니다.1980년대 중반, 탄소-마그네슘 벽돌이 중요해졌고, 조금 후에는 알루미나-흑연 모양이 되었습니다.2017년 현재 중요한 순서는 알루미나-흑연 모양, 탄소-마그네사이트 벽돌, 모노리틱스(총과 램핑 혼합물), 그리고 크루블입니다.

크루블은 매우 큰 인편상 흑연과 그렇게 큰 인편상 흑연을 필요로 하지 않는 탄소-마그네사이트 벽돌을 사용하기 시작했습니다. 이들과 다른 것들은 이제 필요한 인편상 크기에 훨씬 더 많은 유연성을 가지게 되었고, 비정질 흑연은 더 이상 저사양 내화물에 국한되지 않습니다.알루미나 흑연 형상은 녹은 강철을 레이들에서 몰드로 전달하기 위해 노즐과 수조와 같은 연속 주조 도구로 사용되며, 탄소 마그네슘 벽돌은 강철 변환기와 전기-아크로를 정렬하여 극한 온도에서도 견딜 수 있습니다.흑연 블록은 고로의 바닥과 화로의 적절한 냉각을 보장하기 위해 흑연의 높은 열전도도가 중요한 고로 라이닝의[49] 일부에도 사용됩니다.[50]고순도의 모노리소틱은 탄소-마그네사이트 벽돌 대신 연속로 라이닝으로 사용되는 경우가 많습니다.

미국과 유럽의 내화물 산업은 2000년부터 2003년까지 위기를 겪었는데, 철강에 대한 시장의 무관심과 철강의 톤당 내화물 소비의 감소가 기업의 매수와 많은 공장 폐쇄의 기초가 되었습니다.[citation needed]대부분의 공장 폐쇄는 RHIAG의 Harbison-Walker Refractories 인수로 인해 이루어졌으며 일부 공장은 장비를 경매에 부쳤습니다.손실된 용량의 대부분이 탄소-마그네사이트 벽돌을 위한 것이었기 때문에 내화물 영역 내의 흑연 소비는 알루미나-흑연 형상과 모노리틱스로 이동하고 벽돌에서 멀어졌습니다.탄소-마그네슘 벽돌의 주요 공급원은 현재 중국입니다.상기 내화물의 거의 대부분은 철강 제조에 사용되며, 내화물 소비의 75%를 차지하고, 나머지는 시멘트와 같은 다양한 산업 분야에서 사용됩니다.

USGS에 따르면 2010년 미국의 내화물 천연 흑연 소비량은 12,500톤으로 집계되었습니다.[48]

건전지

배터리에 흑연의 사용은 1970년대부터 증가해왔습니다.천연 흑연과 합성 흑연은 주요 배터리 기술에서 전극을 구성하는 음극 재료로 사용됩니다.[51]

주로 니켈-금속 수소화물 및 리튬-이온 배터리에 대한 수요는 1980년대 후반과 1990년대 초반에 흑연에 대한 수요 증가를 야기했는데, 이는 휴대용 CD 플레이어 및 전원 도구와 같은 휴대용 전자 장치에 의한 성장이었습니다.노트북, 휴대폰, 태블릿, 그리고 스마트폰 제품들은 배터리에 대한 수요를 증가시켰습니다.전기차 배터리는 흑연 수요를 증가시킬 것으로 예상됩니다.예를 들어, 완전 전기 Nissan Leaf의 리튬 이온 배터리에는 거의 40kg의 흑연이 들어 있습니다.[citation needed]

오래된 원자로에서 나오는 방사성 흑연이 연료로 연구되고 있습니다.핵 다이아몬드 배터리는 전자제품과 사물인터넷을 위한 장기간의 에너지 공급 가능성을 가지고 있습니다.[52]

흑연 양극재

흑연은 '오늘날 리튬이온 배터리에 사용되는 주요 양극재'입니다.[53] EV 배터리에는 양극, 음극, 전해질, 분리막 등 4가지 기본 요소가 포함되어 있습니다.리튬, 니켈, 코발트, 망간 등 양극 소재에 대한 관심이 집중되고 있지만, 사실상 모든 EV 배터리에 사용되는 주된 양극 소재는 흑연입니다.[54]

제강

제강에서 천연 흑연은 대부분 용강의 탄소 함량을 높이는 데 사용되며, 또한 열강을 압출하는 데 사용되는 다이를 윤활하는 역할을 할 수 있습니다.탄소 첨가제는 합성 흑연 분말, 석유 코크스 및 기타 형태의 탄소와 같은 대안으로부터 경쟁력 있는 가격에 직면합니다.강철의 탄소 함량을 지정된 수준으로 증가시키기 위해 탄소 상승기가 추가됩니다.USGS의 흑연 소비량 통계에 근거한 추정치에 따르면 2005년 미국의 철강업체들은 10,500톤을 이러한 방식으로 사용했습니다.[48]

브레이크 라이닝

천연 비정질 및 미세 박편 흑연은 더 무거운(비자동차) 차량용 브레이크 라이닝 또는 브레이크 슈에 사용되며 석면을 대체할 필요성과 함께 중요해졌습니다.이러한 용도는 꽤 오랫동안 중요했지만, 비석면 유기(NAO) 조성물은 흑연의 시장 점유율을 감소시키기 시작하고 있습니다.일부 공장 폐쇄에 따른 브레이크 라이닝 업계의 대대적인 개혁은 아무런 도움이 되지 못했고, 자동차 시장에도 무관심했습니다.USGS에 따르면 2005년 브레이크 라이닝의 미국 천연 흑연 소비량은 6,510톤이었습니다.[48]

주조 공장 표면 및 윤활제

주조 공장 대면 몰드 워시는 비정질 또는 미세 박편 흑연으로 수성 페인트입니다.금형 내부에 도장을 하고 건조하게 하면 뜨거운 금속이 식은 후 주조된 물체의 분리를 용이하게 해주는 미세한 흑연 코팅이 남습니다.흑연 윤활제는 단조 다이 윤활제, 방부제, 광업 기계용 기어 윤활제, 잠금 장치 윤활 등 매우 높거나 매우 낮은 온도에서 사용하기 위한 전문 품목입니다.저-그릿 흑연, 또는 더 우수한 무-그릿 흑연(초고순도)을 갖는 것이 매우 바람직합니다.건조 분말, 물 또는 기름에 사용하거나 콜로이드 흑연(액체에 영구적인 현탁액)으로 사용할 수 있습니다.USGS 흑연 소비 통계에 근거한 추정치에 따르면 2005년에 이러한 방식으로 2,200톤이 사용되었음을 알 수 있습니다.[48]또한 흑연에 금속을 함침시켜 고온 또는 저온에 노출되는 기계용 베어링과 같은 극한 조건에서 적용할 수 있는 자체 윤활 합금을 제조할 수 있습니다.[55]

일상사용

연필

Graphite pencils
흑연연필

종이와 다른 물체에 흔적을 남길 수 있는 능력은 흑연에 그 이름을 붙였는데, 1789년 독일의 광물학자 에이브러햄 고틀롭 베르너에 의해 붙여졌습니다.그것은 고대 그리스어로 쓰거나 그림을 그리는 것을 의미하는 γράφειν ("graphein")에서 유래했습니다.

16세기부터, 모든 연필들은 영국 천연 흑연의 납으로 만들어졌지만, 현대 연필 납은 보통 가루 흑연과 점토의 혼합입니다; 그것은 1795년에 Nicolas-Jacques Conte에 의해 발명되었습니다.[57][58]금속 납과 화학적으로 관련이 없으며, 광석의 외관이 비슷하여 이름이 계속됩니다.플럼바고(Plumbago)는 그리기에 사용되는 천연 흑연의 또 다른 오래된 용어로, 일반적으로 나무 덮개가 없는 광물 덩어리입니다.플럼바고 드로잉이라는 용어는 일반적으로 17세기와 18세기 작품, 대부분 초상화에 한정되어 있습니다.

오늘날 연필은 여전히 작지만 중요한 천연 흑연 시장입니다.2011년에 생산된 110만 톤 중 약 7%가 연필을 만드는 데 사용되었습니다.[59]품질이 낮은 비정질 흑연을 주로 사용하며 주로 중국에서 공급됩니다.[48]

기술에서 흑연은 일반적으로 상세하고 정밀한 도면을 만드는 데 사용되며, 이를 통해 광범위한 값(밝기에서 어둡기까지)을 달성할 수 있습니다.더 부드럽고 섬세한 선과 음영을 만드는 데도 사용할 수 있습니다.그라파이트는 조작하기 쉽고, 지우기 쉬우며, 깨끗하고 전문적인 모습을 연출하기 때문에 예술가들 사이에서 인기가 많습니다.또한 비교적 저렴하고 널리 이용할 수 있습니다.많은 예술가들은 작품에서 다양한 효과와 질감을 만들기 위해 흑연을 숯이나 잉크와 같은 다른 매체와 함께 사용합니다.[60]

취미들

파인우드 더비

흑연은 아마 소나무 숲 더비에서 가장 많이 사용되는 윤활유일 것입니다.[61]

기타용도

천연 흑연은 아연-탄소 배터리, 전기 모터 브러시 및 다양한 특수 용도에 사용됩니다.다양한 경도 또는 부드러움의 흑연은 예술적 매체로 사용될 때 다양한 품질과 톤을 갖습니다.[62]철도는 보통 폐유 또는 아마인유에 분말 흑연을 혼합하여 증기 기관차의 보일러의 노출된 부분, 예를 들어, 스모크 박스 또는 화실의 하부에 대한 내열성 보호 코팅을 생성합니다.[63]스코프 납땜 아이언은 흑연 팁을 발열체로 사용합니다.

팽창흑연

팽창 흑연은 천연 인편상 흑연을 크롬산 욕조에 담근 후 황산을 농축시켜 결정 격자면을 분리하여 흑연을 팽창시킵니다.팽창된 흑연은 흑연 호일을 만드는 데 사용되거나 국자 또는 적열 강철 잉곳에서 용융 금속을 절연하고 열 손실을 줄이기 위한 "핫 탑" 화합물로 직접 사용될 수 있습니다. 또는 방화문 주위에 설치된 방화문 또는 플라스틱 파이프 주변의 판금 칼라에 설치된 방화문으로 사용될 수 있습니다(화재가 발생하는 동안 흑연은 팽창하고 촤(char)되어 화재 침투에 저항할 수 있습니다.또는 고온용 고성능 가스켓 소재를 제조하는 것을 권장합니다.흑연 호일로 제조된 후, 호일은 가공되고 연료 전지의 바이폴라 플레이트에 조립됩니다.호일은 노트북 컴퓨터를 위한 방열판으로 만들어져 시원함을 유지하면서도 무게를 절약할 수 있으며, 호일 적층체로 만들어져 밸브패킹에 사용되거나 개스킷으로 사용될 수 있습니다.오래된 스타일의 포장은 이제 이러한 그룹의 작은 구성원입니다. 오일이나 그리스에 있는 미세한 박편 흑연은 내열성을 필요로 하는 용도로 사용됩니다.이 최종 용도의 현재 미국 천연 흑연 소비량에 대한 GAN의 예상치는 7,500톤입니다.[48]

삽입 흑연

주요 기사 : 흑연 삽입 화합물
CaC의6 구조

흑연은 일부 금속과 작은 분자와 인터칼레이션 화합물을 형성합니다.이들 화합물에서, 호스트 분자 또는 원자는 흑연 층들 사이에 "샌드위치(sandwich)"되어, 가변적인 화학양론을 갖는 화합물의 한 종류가 됩니다.삽입 화합물의 대표적인 예는 화학식 KC로8 표시되는 칼륨 흑연입니다.일부 흑연 삽입 화합물은 초전도체입니다.CaC에서 최고 전이 온도(2009년 6월까지) T = 11.5 K를 달성하고, 가해진 압력(8 GPa에서 15.1 K) 하에서 더욱 증가합니다.흑연은 리튬 이온 배터리에서 주요한 음극 재료로 사용되며, 팽창에 의한 큰 손상 없이 리튬 이온을 삽입할 수 있습니다.

합성 흑연의 역사

합성흑연 제조방법의 발명

1893년 르 카르본의 찰스 스트리트는 인조 흑연을 만드는 과정을 발견했습니다.1890년대 중반 에드워드 굿리치 애치슨 (1856–1931)은 우연히 탄화규소라고도 불리는 탄소를 합성한 후 합성 흑연을 생산하는 다른 방법을 발명했습니다.그는 순수한 탄소와는 반대로 과열된 탄소가 거의 순수한 흑연을 생성한다는 것을 발견했습니다.고온이 탄화수소에 미치는 영향을 연구하는 동안, 그는 실리콘이 약 4,150 °C에서 기화되고 탄소가 흑연질 탄소에 남겨진다는 것을 발견했습니다.이 흑연은 윤활제로서 가치가 있게 되었습니다.[9]

애치슨 공정(Acheson process)은 탄화규소와 흑연을 제조하는 애치슨의 기술입니다.1896년 애치슨은 흑연을 합성하는 방법에 대한 특허를 받았고, 1897년 상업적 생산을 시작했습니다.[65][9]애치슨 흑연 회사는 1899년에 설립되었습니다.

합성 흑연은 폴리이미드로부터 제조된 후 상품화될 수도 있습니다.[66][67]

메탄과 흑연의 열분해를 통한 수소 생산

메탄 열분해는 메탄의 열분해를 말합니다.메탄 열분해는 천연가스를 수소와 고체 탄소로 직접 분해합니다.고체 탄소는 강철 또는 알루미늄 생산에 사용될 수 있습니다.에너지가 재생 에너지에서 나온다면, 수소는 배출 없이 산업 규모로 생산될 수 있습니다.

여러 회사와 대학들이 이 과정을 연구해왔습니다.호주의 한 회사는 철광석을 사용하여 천연 가스 및 기타 공급 원료를 수소 및 고품질 흑연으로 전환하는 과정인 "HAZER® 프로세스"를 개발했습니다.수소 1 t(1.1 단톤) 대 흑연 3 t(3.3 단톤)의 비율로.

중요한 것은 HAZER® Process를 사용하면 천연 흑연 추출과 같은 대규모 지역을 굴착할 필요가 없고 현재 합성 흑연을 만드는 데 사용되는 석유 코크스와 같은 가혹한 화학 물질을 사용할 필요가 없기 때문입니다.

노보닉스

Novonix는 독특한 연속 흑연화 시스템을 포함하는 독점 기술을 개발한 호주 상장 회사입니다.

2030년까지 연간 북미 생산능력 15만t(17만단톤)을 계획하고 있습니다.[69]

메탄열분해를 사용하는 다른 회사들

모놀리스

미국 회사인 모노리스는 또한 배출가스가 없는 메탄 열분해 장치를 만들고 있습니다.이 과정에서 흑연 대신 카본 블랙이 생성됩니다.[70]

모노리스의 공정은 이산화탄소(CO2) 배출 없이 수소를 생산하는 또 다른 방법으로, 수전해기와 탄소 포집에 의존하는 것들과 결합합니다.이 회사는 3t(3.3t)의 카본 블랙 당 1t(1.1t)의 비율로 수소를 생산합니다.[71]

바스프는[expand acronym] 또한 메탄 열분해를 수소를 더 친환경적으로 생산하는 방법으로 연구하고 있습니다.실험실 규모로 보면 성공적이었습니다.[72]

천연 흑연 및 합성 흑연과의 환경, 사회, 거버넌스(ESG) 차이

천연 흑연으로 배터리 등급 흑연을 만드는 것은 많은 양의 불산(HF)에 의존하는 구형으로 형성되고 정제되는 것을 포함합니다.현재 중국에서만 이루어지고 있는 이 다운스트림 프로세스는 ESG에 대한 우려가 훨씬 더 깊습니다.

천연으로부터 배터리 등급 흑연을 만들기 위해서는 집중적인 정제와 구형화가 수반됩니다.이 과정은 많은 양의 불산에 의존합니다.현재[as of?] 중국에서만 이루어지고 있는 이 다운스트림 프로세스는 ESG에 대한 우려가 훨씬 더 깊습니다.중국은 2010년대 중반부터 엄격한 규제를 도입하고 있습니다.그러나 잦은 검사로[by whom?] 인해 일시적인 용량 폐쇄가 계속되고 일부 영구적인 경우도 있습니다.이는 공급 부족과 가격 상승으로 이어졌습니다.ESG와 중국의 공급량 및 가격 통제에 대한 우려로 인해 여러 국가의 중요 소재 공식 목록에 흑연이 등장하고 있습니다.

중국 밖의 몇몇 광산 개발자들은 새로운 공급망을 만들기 위해 노력하고 있으며, 전 세계 여러 곳에서 플랜트를 검토하고 있습니다.대부분의 사람들은 산-알칼리나 열-전용과 같은 대체적인, 저-HF 또는 제로-HF 방법론을 사용하려고 합니다.그러나, 전자는 강력한 환경 친화적 시약 세트를 사용하는 반면, 후자는 높은 에너지 소비 및 생산 비용을 수반합니다.일부 회사는 다른 독점적 방법을 모색하고 있지만, 아직[as of?] 규모가 입증되지는 않았습니다.[73]

천연 흑연의 추출, 운반 및 처리에는 다음과 같은 외부 효과가 포함됩니다.

  • 자연 서식지의 파괴와 생물 다양성의 상실
  • 채굴과정에서 발생하는 화학물질, 석유, 연료 및 배출물에 의한 토양, 지하수, 지표수 및 공기의 오염
  • 토지이용 변경으로 인한 침식, 싱크홀 및 토양 프로파일 변경
  • 산성 광산 배수 및 광산 현장으로부터의 유출.
  • 기후변화의[74] 원인이 되는 소음수준, 먼지, 탄소배출량의 증가

합성 흑연 생산에 미치는 영향은 업체별로 큰 차이가 있습니다.HAZER® Process는 탄소 음성인 반면 Novonix Process는 상당한 양의 전기를 사용합니다.후자의 회사는 에너지 투입량이 57% 무탄소(15% 재생 가능)[as of?]이며 2050년까지 순 제로를 목표로 한다고 말합니다.[76]

HAZER®와 Novonix 모두 화학 물질의 누출, 유출 및 노출의 위험을 제거하기 위해 화학 물질 정화를 사용하지 않습니다.

과학연구

고배향 열분해 흑연(HOPG)은 흑연의 최고급 합성 형태입니다.과학 연구, 특히 주사 탐침 현미경의 교정을 위한 길이 기준으로 사용됩니다.[77][78]

전극

흑연 전극은 강철로의 대부분을 차지하는 전기 아크로에서 고철과 강철, 그리고 때로는 직접 환원 철(DRI)을 녹이는 전기를 운반합니다.그것들은 콜타르 피치와 섞인 후 석유 코크스로 만들어집니다.그것들은 압출되고 모양을 갖춘 다음, 바인더(pitch)를 탄화시키기 위해 구워집니다.이것은 최종적으로 탄소 원자가 흑연으로 배열되는 3,000 °C(5,430 °F)에 가까운 온도로 가열함으로써 흑연화됩니다.그들은 길이가 3.5 미터(11 피트)이고 직경이 75 센티미터(30 인치)까지 크기가 다양합니다.전 세계적으로 전기 아크로를 사용하여 강철을 만드는 비율이[as of?] 증가하고 있으며, 전기 아크로 자체의 효율성이 향상되어 전극 톤당 강철을 더 많이 생산하고 있습니다.USGS 데이터에 근거한 추정치에 따르면 2005년 흑연 전극 소비량은 197,000 t(217,000 단톤)이었습니다.[48]

전해 알루미늄 제련에도 흑연질 탄소 전극이 사용됩니다.훨씬 작은 규모로 합성 흑연 전극은 EDM(Electric Discharge Machining)에 사용되며, 플라스틱 사출 금형을 만드는 데 일반적으로 사용됩니다.[79]

가루 및 스크랩

분말은 분말 형태의 석유 코크스를 흑연화 온도 이상으로 가열하여 제조되며, 때로는 약간의 수정을 가하기도 합니다.흑연 스크랩은 일반적으로 파쇄 및 사이징 후에 사용할 수 없는 전극 재료 조각(제조 단계 또는 사용 후)과 선반 턴에서 만들어집니다.대부분의 합성 흑연 분말은 강철의 탄소 상승(천연 흑연과 경쟁)에 사용되며 일부는 배터리 및 브레이크 라이닝에 사용됩니다.미국 지리조사국에 따르면 2001년 미국의 합성흑연 분말과 스크랩 생산량은 95,000톤(장톤 93,000톤, 단톤 105,000톤)이었습니다.[48]

중성자 감속재

주요 기사:핵흑연

질소카본과 같은 특수한 등급의 합성 흑연은 원자로 내에서 매트릭스와 중성자 감속재로도 사용됩니다.[80][81]낮은 중성자 단면도 또한 제안된 핵융합로에 사용할 것을 권장합니다.원자로 등급 흑연에는 상업용 흑연 증착 시스템에서 시드 전극으로 널리 사용되는 붕소와 같은 중성자 흡수 물질이 없다는 점에 주의해야 합니다. 이로 인해 독일의 제2차 세계 대전 흑연 기반 원자로가 실패했습니다.그들은 어려움을 분리할 수 없었기 때문에 훨씬 더 비싼 중수 조절기를 사용할 수 밖에 없었습니다.원자로에 사용되는 흑연은 종종 핵 흑연이라고 불립니다.Union Carbide 부서인 National Carbon의 버클리 훈련 물리학자인 Herbert G. McPherson은 Leo Szilard가 "순수한" 흑연에서도 붕소 불순물이 U-235 사슬 반응을 손상시키는 흑연의 중성자 흡수 단면에 책임이 있다는 추측을 확인하는 데 핵심적이었습니다.맥퍼슨은 영화 촬영에 테크니컬러를 사용함에 따라 영화 프로젝터에 사용되는 흑연 전극 아크의 스펙트럼이 화면에 따뜻한 피부 톤을 표시하기 위해 붉은 영역의 빛 방출을 향상시키기 위해 불순물이 필요했기 때문에 흑연에 불순물이 존재한다는 것을 알고 있었습니다.따라서, 컬러 영화가 없었다면, 최초의 지속적인 자연 U 사슬 반응은 중수 조절 원자로가 필요했을 가능성이 있습니다.[82]

기타용도

흑연(탄소) 섬유 및 탄소 나노튜브는 또한 탄소 섬유 강화 플라스틱 및 강화 탄소-탄소(RCC)와 같은 내열 복합재에 사용됩니다.탄소섬유 흑연 복합재로 만들어진 상업용 구조물로는 낚싯대, 골프 클럽 샤프트, 자전거 프레임, 스포츠카 차체 패널, 보잉 787 드림라이너의 동체, 풀 큐스틱 등이 있으며 철근 콘크리트에 성공적으로 사용되고 있습니다.탄소섬유 흑연강화플라스틱 복합재료와 회색 주철의 기계적 특성은 이들 재료에서 흑연의 역할에 크게 영향을 받습니다.이러한 맥락에서, "(100%) 흑연"이라는 용어는 종종 탄소 보강재와 수지의 순수한 혼합물을 지칭하기 위해 느슨하게 사용되고, "복합재"라는 용어는 추가적인 성분을 갖는 복합 재료에 사용됩니다.[83]

현대의 무연 분말은 흑연으로 코팅되어 정전하의 축적을 방지합니다.

흑연은 최소 3개의 레이더 흡수 물질에 사용되었습니다.그것은 U보트 스노클에서 레이더 단면을 줄이기 위해 사용된 Summpf와 Schornsteinfeger에서 고무와 섞였습니다.초기 F-117 나이트호크 스텔스 전투기의 타일에도 사용되었습니다.

흑연 복합재는 고에너지 입자의 흡수제로 사용됩니다. 예를 들어, Large Hadron Collider 빔 덤프에 사용됩니다.[84]

흑연봉은 모양을 만들 때 유리 세공에서 뜨거운 용융 유리를 조작하는 도구로 사용됩니다.[85]


흑연채굴, 채광, 제분

대형 흑연 시편.네츄럴리스 생물 다양성 센터, 네덜란드 라이덴.

흑연은 오픈 피트(open pit)와 지하(underground) 방식으로 채굴됩니다.그래파이트는 일반적으로 수혜가 필요합니다.이 작업은 갠지(암석) 조각을 손으로 집어서 제품을 손으로 스크리닝하거나 암석을 파쇄하고 흑연을 밖으로 띄워 수행할 수 있습니다.부양에 의한 수혜는 흑연이 매우 부드럽고 갠지스의 입자를 "마크"(코팅)한다는 어려움에 직면합니다.이렇게 되면 표시된 갠지스 입자가 흑연과 함께 떠다니게 되어 불순한 농축액이 생성됩니다.상업적 농축액 또는 제품을 얻는 두 가지 방법이 있습니다: 농축액을 정제하기 위해 반복적인 재분쇄 및 부유(최대 7회) 또는 불산(규산염 갠지스의 경우) 또는 염산(탄산염 갠지스의 경우)으로 갠지스를 산 침출(용해)하는 방법입니다.

밀링에서는 유입되는 흑연 제품과 농축액을 분류(크기 또는 선별)하기 전에 분쇄할 수 있으며, 거친 플레이크 크기의 분율(8 메쉬 이하, 8–20 메쉬, 20–50 메쉬)을 주의 깊게 보존한 다음 탄소 함량을 결정합니다.일부 표준 혼합물은 각각 특정 플레이크 크기 분포와 탄소 함량을 가진 다양한 분획물에서 제조할 수 있습니다.특정 플레이크 크기 분포와 탄소 함량을 원하는 개별 고객을 위해 맞춤형 블렌드를 만들 수도 있습니다.플레이크 크기가 중요하지 않은 경우 농축액을 더 자유롭게 분쇄할 수 있습니다.일반적인 최종 제품으로는 오일 드릴링 및 주조 금형 코팅에 사용되는 미세 분말, 철강 산업의 탄소 상승기(합성 흑연 분말 및 분말형 석유 코크스도 탄소 상승기로 사용 가능)가 있습니다.흑연 공장에서 발생하는 환경적 영향은 작업자의 미세한 입자 노출을 포함한 대기 오염과 분말 유출로 인한 토양 오염으로 구성되어 토양의 중금속 오염으로 이어집니다.

2005년 흑연 생산량

미국 지질조사국(USGS)에 따르면 2016년 전 세계 천연흑연 생산량은 120만 톤이며, 이 중 주요 수출국은 중국(78만 톤), 인도(170만 톤), 브라질(80만 톤), 터키(32,000 톤), 북한(6,000 톤)입니다.[86]흑연은 현재 미국에서 채굴되지는 않지만 앨라배마, 몬태나, 뉴욕주의 아디론댁 등에 많은 역사적 광산 유적지가 있습니다.[87]Westwater Resources는 Alabama Sylacauga 근처에 있는 Coosa Graphite Mine을 위한 파일럿 플랜트를 만드는 개발 단계에 있습니다.[88]2010년 미국의 합성 흑연 생산량은 13만 4천 톤으로 10억 7천만 달러에 달했습니다.[48]

산업안전

잠재적인 건강 영향은 다음과 같습니다.

  • 흡입:제조 및 출고 상태에서 흡입 위험 없음.물질에서 발생한 먼지와 연기는 흡입에 의해 체내로 유입될 수 있습니다.고농도의 먼지와 연기는 목과 호흡기를 자극하고 기침을 유발할 수 있습니다.흄/먼지를 장기간에 걸쳐 자주 흡입하면 폐질환 발생 위험이 증가합니다.먼지에 장시간 반복적으로 노출되면 진폐증이 발생할 수 있습니다.폐기종과 같은 기존 폐 질환은 고농도 흑연 분진에 장기간 노출됨으로써 악화될 수 있습니다.
  • 눈맞춤:눈의 먼지는 자극을 일으킬 것입니다.노출 시 눈이 찢어지고 붉어지며 불편함을 느낄 수 있습니다.
  • 피부 접촉:정상적인 사용 조건에서는 건강에 위험을 초래하지 않습니다.먼지가 피부를 자극할 수 있습니다.
  • 섭취량:제품이 제조 및 출고된 상태이므로 관련이 없습니다.그러나 작업 중에 발생하는 먼지를 섭취하면 메스꺼움과 구토를 유발할 수 있습니다.
  • 잠재적 물리적/화학적 영향:벌크 자재는 불연성입니다.물질이 먼지를 형성하고 정전기 전하를 축적하여 전기 스파크(점화원)를 일으킬 수 있습니다.먼지 농도가 높으면 폭발 가능성이 있습니다.

미국

산업안전보건국(OSHA)은 작업장 내 흑연 노출에 대한 법적 한계(허용 노출 한도)를 하루 8시간 동안 입방피트(1.5mg/m3)당 1500만 입자의 시간 가중 평균(TWA)으로 설정했습니다.국립산업안전보건원(NIOSH)은 하루 8시간 근무에 TWA 2.5mg/m의3 호흡성 분진의 권장 노출 한도(REL)를 설정했습니다.1250mg/m3 수준에서 흑연은 생명과 건강에 즉시 위험합니다.[89]

흑연재활용

흑연을 재활용하는 가장 일반적인 방법은 합성 흑연 전극을 제조하여 조각을 잘라내거나 선반 턴을 재사용하기 위해 폐기하거나 전극(또는 다른 재료)을 전극 홀더까지 사용할 때 발생합니다.새 전극이 기존 전극을 대체하지만, 기존 전극의 상당 부분이 남아 있습니다.이것은 파쇄되어 크기가 결정되며, 생성된 흑연분말은 주로 용강의 탄소함량을 높이기 위해 사용됩니다.

흑연 함유 내화물은 때때로 재활용되기도 하지만, 흑연 함량이 낮기 때문이 아닌 경우가 많습니다. 15-25%의 흑연만을 함유한 탄소-마그네사이트 벽돌과 같이 부피가 가장 큰 품목은 일반적으로 재활용할 가치가 있는 흑연을 너무 적게 함유하고 있습니다.그러나 일부 재활용 탄소-마그네사이트 벽돌은 고로 보수 재료의 기초로 사용되며, 분쇄된 탄소-마그네사이트 벽돌은 슬래그 컨디셔너에 사용됩니다.

도가니는 흑연 함량이 높은 반면, 사용된 후 재활용되는 도가니의 양은 매우 적습니다.

제강용 키시는 천연 인편상 흑연과 유사한 고품질 인편상 흑연 제품을 만들 수 있습니다.Kish는 용융 철 공급에서 기본 산소로로 분리되는 대량의 용융 폐기물이며 흑연(과포화 철에서 침전된), 석회가 풍부한 슬래그 및 일부 철의 혼합물로 구성됩니다.철은 현장에서 재활용되며 흑연과 슬래그가 혼합된 형태로 남게 됩니다.최상의 회수 공정은 70% 흑연 조농축액을 얻기 위해 물의 흐름을 이용하여 광물을 비중별로 분리합니다. 흑연은 가볍고 거의 마지막에 침전됩니다.이 농축액을 염산으로 침출하면 95% 흑연 제품에 10메쉬(2mm) 아래의 박편 크기를 제공합니다.

참고 항목

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