Grafit
Grafit (karataş) yumuşak, yağlı, kâğıt üzerinde iz bırakan, siyah renkli katı bir maddedir. Grafit, yağ haline getirilip makinelerde, çalışan parçaların birbirine sürtünürken aşınmasını azaltmak ya da engellemek amacıyla yağlayıcı olarak kullanılır. Kurşun kalemlerin içindeki uç da, içine kil katılarak sertleştirilmiş grafit'tir. Grafitin elde edildiği başlıca yerler Sri Lanka, Sibirya, Kuzey Amerika Meksika ve Avusturya'dır. Grafit yapay olarak da hazırlanabilir; bunun için kok kömürünün çok yüksek sıcaklıklarda işlenmesi gerekir. Grafit çok yüksek sıcaklıklara dayanabilir. Son dönemlerde, uzay kapsüllerinin ısı kalkanlarının yapımında da grafit'ten yararlanılmaya başlanmıştır. ⓘ
Hem elmas, hem de grafit kristal yapılıdır, ama kristalleri farklı biçimlerdedir. Aynı maddenin değişik kristal biçimlerine allotrop denir; allotrop sözcüğü değişik biçim anlamında Yunanca iki sözcükten gelir. Elmas ve grafit, karbonun allotroplarıdır. Elmasta her karbon atomu, dört başka karbon atomuna bağlanarak üç boyutlu katı bir yapı oluşturur; grafitte ise karbon atomları, üst üste yığılmış geniş, yassı levhalar oluşturacak biçimde, iki boyutlu düzlemde birbirlerine bağlanmıştır. Bu levhalar birbirlerinin üzerinden kolayca kayar; grafitin iyi bir yağlayıcı olma özelliği de bundan kaynaklanır. Grafitin kâğıt üzerinde iz bırakmasının nedeni de, bu ince atom levhalarının grafitten ayrılarak kağıdın üzerinde birikmesidir. Karbonun öteki biçimlerinin, belirgin, kendilerine özgü bir yapısı ya da biçimi yoktur. Grafitin düzlemsel yapısına grafin denir. ⓘ
| Grafit ⓘ | |
|---|---|
 Grafit numune | |
| Genel | |
| Kategori | Yerli mineral |
| Formül (tekrar eden birim) | C |
| IMA sembolü | Gr |
| Strunz sınıflandırması | 1.CB.05a |
| Kristal sistemi | Altıgen |
| Kristal sınıfı | Dihexagonal dipyramidal (6/mmm) Hermann-Mauguin notasyonu: (6/m 2/m 2/m) |
| Uzay grubu | P63mc (bükülmüş) P63/mmc (düz) |
| Birim hücre | a = 2.461, c = 6.708 [Å]; Z = 4 |
| Tanımlama | |
| Renk | Demir-siyahtan çelik grisine; geçirgen ışıkta koyu mavi |
| Kristal alışkanlığı | Tabular, altı kenarlı yapraklı kütleler, granüler ila sıkıştırılmış kütleler |
| Eşleştirme | Mevcut |
| Yarık | Bazal - {0001} üzerinde mükemmel |
| Kırılma | Dekolte üzerinde değilken pul pul, aksi halde pürüzlü |
| Azim | Esnek, elastik olmayan, sektil |
| Mohs ölçeği sertliği | 1–2 |
| Parlaklık | Metalik, topraksı |
| Streak | Siyah |
| Diaphaneity | Opak, sadece çok ince pullarda şeffaf |
| Özgül ağırlık | 1.9–2.3 |
| Yoğunluk | 2,09-2,23 g/cm3 |
| Optik özellikler | Tek Eksenli (-) |
| Pleokroizm | Güçlü |
| Çözünürlük | Erimiş nikelde, ılık klorosülfürik asitte çözünür |
| Diğer özellikler | güçlü anizotropik, elektriği iletir, yağlı his, kolayca iz bırakır |
| Referanslar | |
Grafit (/ˈɡræfaɪt/) karbon elementinin kristalin bir formudur. Üst üste dizilmiş grafen katmanlarından oluşur. Grafit doğal olarak oluşur ve standart koşullar altında karbonun en kararlı formudur. Sentetik ve doğal grafit, kalem, yağlayıcı ve elektrotlarda kullanılmak üzere büyük ölçekte (1989'da 300 kton/yıl) tüketilmektedir. Yüksek basınç ve sıcaklıklar altında elmasa dönüşür. Zayıf bir ısı ve elektrik iletkenidir. ⓘ
Türleri ve çeşitleri
Doğal grafit
Her biri farklı türde cevher yataklarında meydana gelen başlıca doğal grafit türleri şunlardır ⓘ
- Kristalin küçük grafit pulları (veya pul grafit), kırılmamışsa altıgen kenarlı izole, düz, plaka benzeri parçacıklar olarak oluşur. Kırıldığında kenarlar düzensiz veya köşeli olabilir;
- Amorf grafit: çok ince pul grafit bazen amorf olarak adlandırılır;
- Topak grafit (veya damar grafit) çatlak damarlarında veya kırıklarda meydana gelir ve lifli veya asiküler kristalin agregaların masif plati büyümeleri olarak görünür ve muhtemelen hidrotermal kökenlidir.
- Yüksek derecede düzenli pirolitik grafit, grafit tabakaları arasında 1°'den daha az açısal yayılma olan grafit anlamına gelir.
- "Grafit fiber" adı bazen karbon fiberleri veya karbon fiber takviyeli polimeri ifade etmek için kullanılır. ⓘ
Oluşum
Grafit, metamorfizma sırasında tortul karbon bileşiklerinin indirgenmesi sonucu metamorfik kayaçlarda oluşur. Ayrıca magmatik kayaçlarda ve meteoritlerde de görülür. Grafit ile ilişkili mineraller arasında kuvars, kalsit, mikalar ve turmalin bulunur. Çıkarılan grafitin başlıca ihracat kaynakları tonaj sırasına göre şunlardır: Çin, Meksika, Kanada, Brezilya ve Madagaskar. ⓘ
Meteoritlerde grafit, troilit ve silikat mineralleriyle birlikte bulunur. Meteoritik demir içindeki küçük grafitik kristallere kliftonit denir. Bazı mikroskobik taneler, Güneş Sistemi'nden önce oluştuklarını gösteren ayırt edici izotopik bileşimlere sahiptir. Bunlar Güneş Sistemi'nden önce oluştuğu bilinen yaklaşık 12 mineral türünden biridir ve moleküler bulutlarda da tespit edilmiştir. Bu mineraller, süpernovalar patladığında veya düşük ila orta büyüklükteki yıldızlar yaşamlarının sonlarında dış zarflarını dışarı attıklarında ejekta içinde oluşmuştur. Grafit evrendeki en eski ikinci ya da üçüncü mineral olabilir. ⓘ
Yapısı
Grafit, trigonal düzlemsel karbon tabakalarından oluşur. Tek tek katmanlara grafen denir. Her katmanda, karbon atomları 0,142 nm bağ uzunluğuna sahip bir bal peteği kafesinde düzenlenir ve düzlemler arasındaki mesafe 0,335 nm'dir. Katmanlar arasındaki bağlar nispeten zayıf van der Waals bağlarıdır ve genellikle gazlar tarafından işgal edilir, bu da grafen benzeri katmanların kolayca ayrılmasına ve birbirlerinin yanından kaymasına izin verir. ⓘ
Katmanlara dik elektrik iletkenliği sonuç olarak yaklaşık 1000 kat daha düşüktür. ⓘ
Grafitin iki formu alfa (altıgen) ve beta (rombohedral) olarak adlandırılır. Özellikleri birbirine çok benzer. Grafen katmanlarının istiflenmesi açısından farklılık gösterirler: alfa grafitteki istifleme, enerjik olarak daha az kararlı ve daha az yaygın olan beta grafitteki ABC istiflemesinin aksine ABA'dır. Alfa formu mekanik işlemle beta formuna dönüştürülebilir ve beta formu 1300 °C'nin üzerinde ısıtıldığında alfa formuna geri döner. ⓘ
Grafit yüzeyinin taramalı tünelleme mikroskobu görüntüsü
ABA katman istiflemesinin yandan görünümü
Katman istiflemenin düzlem görünümü
Alfa grafitin birim hücresi ⓘ
Termodinamik
Grafit ve elmas arasındaki geçiş için denge basıncı ve sıcaklık koşulları teorik ve deneysel olarak iyi bir şekilde belirlenmiştir. Basınç, 0 K'de 1,7 GPa ile 5000 K'de 12 GPa (elmas/grafit/sıvı üçlü noktası) arasında doğrusal olarak değişir. Bununla birlikte, fazlar bu çizgi etrafında bir arada bulunabilecekleri geniş bir bölgeye sahiptir. Normal sıcaklık ve basınçta, 20 °C (293 K) ve 1 standart atmosferde (0,10 MPa), karbonun kararlı fazı grafittir, ancak elmas metastabildir ve grafite dönüşüm oranı ihmal edilebilir düzeydedir. Bununla birlikte, yaklaşık 4500 K'nin üzerindeki sıcaklıklarda elmas hızla grafite dönüşür. Grafitin elmasa hızlı dönüşümü denge çizgisinin çok üzerinde basınçlar gerektirir: 2000 K'de 35 GPa'lık bir basınca ihtiyaç vardır. ⓘ
Diğer özellikler
Grafitin akustik ve termal özellikleri oldukça anizotropiktir, çünkü fononlar sıkıca bağlı düzlemler boyunca hızlı bir şekilde yayılır, ancak bir düzlemden diğerine seyahat etmek daha yavaştır. Grafitin yüksek termal kararlılığı ve elektriksel ve termal iletkenliği, yüksek sıcaklıkta malzeme işleme uygulamalarında elektrot ve refrakter olarak yaygın kullanımını kolaylaştırır. Bununla birlikte, oksijen içeren atmosferlerde grafit, 700 °C ve üzeri sıcaklıklarda karbondioksit oluşturmak üzere kolayca oksitlenir. ⓘ
Grafit bir elektrik iletkenidir, bu nedenle ark lambası elektrotları gibi uygulamalarda kullanışlıdır. Karbon katmanları içindeki geniş elektron delokalizasyonu (aromatiklik adı verilen bir fenomen) nedeniyle elektriği iletebilir. Bu değerlik elektronları hareket etmekte serbesttir, dolayısıyla elektriği iletebilirler. Bununla birlikte, elektrik öncelikle katmanların düzlemi içinde iletilir. Toz grafitin iletken özellikleri, karbon mikrofonlarda basınç sensörü olarak kullanılmasına olanak sağlar. ⓘ
Grafit ve grafit tozu, kendinden yağlama ve kuru yağlama özellikleri nedeniyle endüstriyel uygulamalarda değerlidir. Grafitin yağlama özelliklerinin yalnızca yapıdaki tabakalar arasındaki gevşek interlameller bağlantıdan kaynaklandığına dair yaygın bir inanış vardır. Bununla birlikte, vakum ortamında (uzayda kullanılacak teknolojilerde olduğu gibi), hipoksik koşullar nedeniyle grafitin bir yağlayıcı olarak bozulduğu gösterilmiştir. Bu gözlem, yağlamanın katmanlar arasında doğal olarak çevreden adsorbe edilen hava ve su gibi sıvıların varlığından kaynaklandığı hipotezine yol açmıştır. Bu hipotez, hava ve suyun emilmediğini gösteren çalışmalarla çürütülmüştür. Son çalışmalar, süper yağlama adı verilen bir etkinin de grafitin yağlama özelliklerini açıklayabileceğini öne sürmektedir. Grafitin kullanımı, bazı paslanmaz çeliklerde çukur korozyonunu kolaylaştırma ve benzer olmayan metaller arasında galvanik korozyonu teşvik etme (elektrik iletkenliği nedeniyle) eğilimi ile sınırlıdır. Ayrıca nem varlığında alüminyum için aşındırıcıdır. Bu nedenle, ABD Hava Kuvvetleri alüminyum uçaklarda yağlayıcı olarak kullanımını yasaklamış ve alüminyum içeren otomatik silahlarda kullanımını engellemiştir. Alüminyum parçalar üzerindeki grafit kalem izleri bile korozyonu kolaylaştırabilir. Bir diğer yüksek sıcaklık yağlayıcısı olan altıgen bor nitrür, grafit ile aynı moleküler yapıya sahiptir. Benzer özellikleri nedeniyle bazen beyaz grafit olarak da adlandırılır. ⓘ
Çok sayıda kristalografik kusur bu düzlemleri birbirine bağladığında, grafit yağlama özelliklerini kaybeder ve pirolitik grafit olarak bilinen hale gelir. Ayrıca yüksek oranda anizotropik ve diamanyetiktir, bu nedenle güçlü bir mıknatısın üzerinde havada yüzer. Eğer 1000-1300 °C'de akışkan yatakta yapılırsa izotropik turbostratiktir ve mekanik kalp kapakçıkları gibi kanla temas eden cihazlarda kullanılır ve pirolitik karbon olarak adlandırılır ve diyamanyetik değildir. Pirolitik grafit ve pirolitik karbon sıklıkla karıştırılır ancak çok farklı malzemelerdir. ⓘ
Doğal ve kristal grafitler, kesme düzlemleri, kırılganlıkları ve tutarsız mekanik özellikleri nedeniyle genellikle yapısal malzemeler olarak saf halde kullanılmazlar. ⓘ
Doğal grafit kullanımının tarihçesi
M.Ö. 4. binyılda, güneydoğu Avrupa'daki Neolitik Çağ'da, Marița kültürü çömlekleri süslemek için seramik boyasında grafit kullanmıştır. ⓘ
1565'ten önce bir tarihte (bazı kaynaklara göre 1500 gibi erken bir tarihte), İngiltere'nin Cumbria bölgesindeki Borrowdale mahallesinde bulunan Seathwaite mezrasından Grey Knotts'a giden yolda, yerel halkın koyunları işaretlemek için yararlı bulduğu muazzam bir grafit yatağı keşfedilmiştir. I. Elizabeth (1558-1603) döneminde Borrowdale grafiti, top güllelerinin kalıplarını kaplamak için refrakter bir malzeme olarak kullanılmış ve daha uzağa atılabilen daha yuvarlak, daha pürüzsüz toplar elde edilerek İngiliz donanmasının gücüne katkıda bulunulmuştur. Bu özel grafit yatağı son derece saf ve yumuşaktı ve kolayca çubuklar halinde kesilebiliyordu. Askeri önemi nedeniyle bu eşsiz maden ve üretimi Kraliyet tarafından sıkı bir şekilde kontrol ediliyordu. ⓘ
19. yüzyıl boyunca grafitin kullanım alanları soba cilası, yağlayıcılar, boyalar, potalar, dökümhane kaplamaları ve kitleler için eğitimin ilk büyük yükselişi sırasında eğitim araçlarının yaygınlaşmasında önemli bir faktör olan kalemleri içerecek şekilde büyük ölçüde genişledi. Britanya İmparatorluğu dünya üretiminin çoğunu kontrol ediyordu (özellikle Seylan'dan), ancak Avusturya, Almanya ve Amerikan yataklarından yapılan üretim yüzyılın ortalarına kadar genişledi. Örneğin, Joseph Dixon ve ortağı Orestes Cleveland tarafından 1845 yılında kurulan Jersey City, New Jersey'deki Dixon Crucible Company, New York'un Ticonderoga Gölü bölgesinde madenler açtı, orada bir işleme tesisi ve New Jersey'de kalem, pota ve diğer ürünleri üretmek için bir fabrika kurdu. 21 Aralık 1878 tarihli Engineering & Mining Journal'da anlatıldı. Dixon kurşun kalemi halen üretilmektedir. ⓘ
_(page_50_crop).jpg)
Devrim niteliğindeki köpük yüzdürme işleminin başlangıcı grafit madenciliği ile ilişkilidir. Dixon Crucible Company hakkındaki E&MJ makalesinde, grafit çıkarma işleminde kullanılan "yüzer tankların" bir taslağı yer almaktadır. Grafit çok hafif olduğu için, grafit ve atık karışımı son bir dizi su tankından geçirilerek daha temiz bir grafit "yüzdürülür" ve atıklar dışarı atılırdı. Almanya'nın Dresden kentinde yaşayan iki kardeş Bessel (Adolph ve August), 1877 tarihli bir patentle bu "yüzdürme" işlemini bir adım daha ileri götürerek tanklara az miktarda yağ eklediler ve grafiti toplamak için karışımı kaynattılar - bir çalkalama veya köpürtme adımı - bu da gelecekteki flotasyon işleminin ilk adımlarıydı. Adolph Bessel, Alman yatağından grafit kazanımını %90'a yükselten patentli süreç için Wohler Madalyası aldı. 1977 yılında Alman Maden Mühendisleri ve Metalurji Derneği, bu keşfe ve dolayısıyla flotasyonun 100. yıldönümüne adanmış özel bir sempozyum düzenledi. ⓘ
Amerika Birleşik Devletleri'nde, 1885 yılında, Philadelphia'dan Hezekiah Bradford benzer bir sürecin patentini almıştır, ancak 1890'larda önemli bir üretici olan Chester County, Pennsylvania'nın yakın grafit yataklarında bu sürecin başarılı bir şekilde kullanılıp kullanılmadığı belirsizdir. Bessel prosesinin kullanımı, saf grafiti toplamak için elle ayıklamadan daha fazlasını gerektirmeyen, dünyanın dört bir yanında bulunan bol miktarda temiz yatak nedeniyle sınırlıydı. Kanada'daki yatakların önemli grafit üreticileri haline gelmeye başladığı 1900'lerdeki son durum, Kanada Maden Bakanlığı'nın grafit madenleri ve madenciliği hakkındaki raporunda anlatılmaktadır. ⓘ
Diğer isimler
Tarihsel olarak grafit, siyah kurşun veya plumbago olarak adlandırılırdı. Plumbago yaygın olarak masif mineral formunda kullanılmıştır. Bu isimlerin her ikisi de benzer görünümlü kurşun cevherleri, özellikle de galen ile karıştırılmasından kaynaklanmaktadır. Latince kurşun kelimesi olan plumbum, bu gri metalik tabakalı mineral için kullanılan İngilizce terime ve hatta bu renge benzeyen çiçekleri olan kurşun otu veya plumbago bitkilerine adını vermiştir. ⓘ
Siyah kurşun terimi genellikle mat siyah renkli, toz haline getirilmiş veya işlenmiş grafiti ifade eder. ⓘ
Abraham Gottlob Werner grafit ("yazı taşı") ismini 1789 yılında bulmuştur. Carl Wilhelm Scheele'nin 1778'de en az üç farklı mineral olduğunu kanıtlamasının ardından molibden, plumbago ve siyah kurşun arasındaki karışıklığı gidermeye çalışmıştır. Scheele'nin analizi molibden sülfit (molibdenit), kurşun(II) sülfit (galen) ve grafit kimyasal bileşiklerinin üç farklı yumuşak siyah mineral olduğunu göstermiştir. ⓘ
Doğal grafitin kullanım alanları
Doğal grafit çoğunlukla refrakterler, piller, çelik üretimi, genişletilmiş grafit, fren balataları, dökümhane kaplamaları ve yağlayıcılar için kullanılır. ⓘ
Refrakterler
Grafitin refrakter (ısıya dayanıklı) bir malzeme olarak kullanımı 1900'den önce erimiş metali tutmak için kullanılan grafit potalarla başlamıştır; bu artık refrakterlerin küçük bir parçasıdır. 1980'lerin ortalarında karbon-magnezit tuğla ve bir süre sonra da alümina-grafit şekli önemli hale gelmiştir. 2017 itibariyle önem sırası şöyledir: alümina-grafit şekiller, karbon-magnezit tuğla, Monolitikler (tabanca ve tokmak karışımları) ve ardından potalar. ⓘ
Potalar çok büyük pul grafit kullanmaya başladı ve karbon-magnezit tuğlalar çok büyük olmayan pul grafit gerektiriyordu; bunlar ve diğerleri için artık gerekli pul boyutunda çok daha fazla esneklik var ve amorf grafit artık düşük kaliteli refrakterlerle sınırlı değil. Alümina-grafit şekiller, erimiş çeliği potadan kalıba taşımak için nozullar ve oluklar gibi sürekli döküm gereçleri olarak kullanılır ve karbon manyezit tuğlalar, aşırı sıcaklıklara dayanmak için çelik dönüştürücüleri ve elektrik ark fırınlarını kaplar. Grafit bloklar ayrıca grafitin yüksek termal iletkenliğinin fırın tabanının ve ocağının yeterli soğutulmasını sağlamak için kritik olduğu yüksek fırın kaplamalarının bazı kısımlarında da kullanılır. Yüksek saflıkta monolitikler genellikle karbon-magnezit tuğlalar yerine sürekli fırın astarı olarak kullanılır. ⓘ
ABD ve Avrupa refrakter endüstrisi 2000-2003 yılları arasında bir kriz yaşamış, çelik piyasasındaki durgunluk ve ton çelik başına düşen refrakter tüketimindeki düşüş firma satın almalarına ve birçok tesisin kapanmasına neden olmuştur. Kapanan tesislerin çoğu Harbison-Walker Refrakterlerinin RHI AG tarafından satın alınmasından kaynaklandı ve bazı tesislerin ekipmanları açık artırmayla satıldı. Kaybedilen kapasitenin çoğu karbon-magnezit tuğla için olduğundan, refrakter alanındaki grafit tüketimi alümina-grafit şekillere ve Monolitiklere doğru kaymış ve tuğladan uzaklaşmıştır. Karbon-magnezit tuğlanın ana kaynağı artık Çin'den ithal edilmektedir. Yukarıdaki refrakterlerin neredeyse tamamı çelik yapımında kullanılmakta ve refrakter tüketiminin %75'ini oluşturmaktadır; geri kalanı ise çimento gibi çeşitli endüstriler tarafından kullanılmaktadır. ⓘ
USGS'ye göre, ABD'nin refrakterlerdeki doğal grafit tüketimi 2010 yılında 12.500 ton olmuştur. ⓘ
Piller
Grafitin bataryalarda kullanımı 1970'lerden bu yana artmıştır. Doğal ve sentetik grafit, başlıca batarya teknolojilerinde elektrot oluşturmak için anot malzemesi olarak kullanılmaktadır. ⓘ
Başta nikel-metal hidrit ve lityum-iyon piller olmak üzere pillere olan talep, 1980'lerin sonu ve 1990'ların başında grafit talebinde bir artışa neden olmuştur - bu artış taşınabilir CD çalarlar ve elektrikli aletler gibi taşınabilir elektronik cihazlardan kaynaklanmaktadır. Dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları, tabletler ve akıllı telefon ürünleri bataryalara olan talebi artırmıştır. Elektrikli araç bataryalarının grafit talebini artırması beklenmektedir. Örnek olarak, tamamen elektrikli bir Nissan Leaf'teki lityum-iyon batarya yaklaşık 40 kg grafit içermektedir. ⓘ
Eski nükleer reaktörlerden elde edilen radyoaktif grafit yakıt olarak araştırılmaktadır. Nükleer elmas pil, elektronik ve nesnelerin interneti için uzun süreli enerji kaynağı potansiyeline sahiptir. ⓘ
Çelik üretimi
Çelik üretiminde kullanılan doğal grafit çoğunlukla erimiş çelikteki karbon içeriğinin artırılmasında kullanılır; ayrıca sıcak çeliğin ekstrüzyonunda kullanılan kalıpların yağlanmasında da kullanılabilir. Karbon katkı maddeleri, sentetik grafit tozu, petrol kok kömürü ve diğer karbon formları gibi alternatiflerin rekabetçi fiyatlandırmasıyla karşı karşıyadır. Çeliğin karbon içeriğini belirli bir seviyeye çıkarmak için bir karbon yükseltici eklenir. USGS'nin grafit tüketim istatistiklerine dayanan bir tahmin, ABD'deki çelik üreticilerinin 2005 yılında bu şekilde 10.500 ton kullandığını göstermektedir. ⓘ
Fren balataları
Doğal amorf ve ince pul grafit, daha ağır (otomotiv dışı) araçlar için fren balatalarında veya fren pabuçlarında kullanılır ve asbestin yerini alma ihtiyacı ile önem kazanmıştır. Bu kullanım uzunca bir süre önemli olmuştur, ancak asbestsiz organik (NAO) bileşimler grafitin pazar payını azaltmaya başlamıştır. Bazı fabrikaların kapanmasıyla fren balatası endüstrisinin sarsılması ve otomotiv pazarının kayıtsız kalması faydalı olmamıştır. USGS'ye göre, ABD'nin fren balatalarındaki doğal grafit tüketimi 2005 yılında 6,510 ton olmuştur. ⓘ
Dökümhane kaplamaları ve yağlayıcılar
Dökümhaneye dönük kalıp yıkama, amorf veya ince pul grafitten oluşan su bazlı bir boyadır. Bir kalıbın içinin bununla boyanması ve kurumaya bırakılması, sıcak metal soğuduktan sonra dökülen nesnenin ayrılmasını kolaylaştıracak ince bir grafit kaplama bırakır. Grafit yağlayıcılar çok yüksek veya çok düşük sıcaklıklarda, dövme kalıbı yağlayıcısı, antiseize maddesi, madencilik makineleri için dişli yağlayıcısı olarak ve kilitleri yağlamak için kullanılan özel ürünlerdir. Düşük tanecikli grafit veya daha da iyisi taneciksiz grafit (ultra yüksek saflıkta) olması son derece arzu edilir. Kuru toz olarak, su veya yağ içinde veya kolloidal grafit (bir sıvı içinde kalıcı süspansiyon) olarak kullanılabilir. USGS grafit tüketim istatistiklerine dayanan bir tahmin, 2005 yılında bu şekilde 2.200 ton kullanıldığını göstermektedir. Yüksek veya düşük sıcaklıklara maruz kalan makineler için rulmanlar gibi aşırı koşullarda uygulanmak üzere kendinden yağlamalı bir alaşım oluşturmak için grafite metal de emdirilebilir. ⓘ
Kurşun kalemler
Kağıt ve diğer nesneler üzerinde iz bırakma özelliği, grafite adını 1789 yılında Alman mineralog Abraham Gottlob Werner tarafından verilmiştir. Eski Yunanca'da yazmak veya çizmek anlamına gelen γράφειν ("graphein") kelimesinden gelmektedir. ⓘ
16. yüzyıldan itibaren tüm kurşun kalemler İngiliz doğal grafitinden yapılmıştır, ancak modern kurşun kalem ucu çoğunlukla toz grafit ve kil karışımıdır; 1795 yılında Nicolas-Jacques Conté tarafından icat edilmiştir. Kimyasal olarak, cevherleri benzer bir görünüme sahip olan metal kurşunla ilgisi yoktur, bu nedenle ismin devamıdır. Plumbago, çizim için kullanılan doğal grafit için kullanılan bir başka eski terimdir, tipik olarak ahşap bir muhafaza olmadan mineralin bir yumrusu olarak. Plumbago çizim terimi normalde 17. ve 18. yüzyıl eserleriyle, çoğunlukla portrelerle sınırlıdır. ⓘ
Günümüzde kurşun kalemler doğal grafit için hala küçük ama önemli bir pazardır. 2011 yılında üretilen 1,1 milyon tonun yaklaşık %7'si kurşun kalem yapımında kullanılmıştır. Düşük kaliteli amorf grafit kullanılmakta ve çoğunlukla Çin'den temin edilmektedir. ⓘ
Diğer kullanım alanları
Doğal grafit, çinko-karbon pillerde, elektrikli motor fırçalarında ve çeşitli özel uygulamalarda kullanım alanı bulmuştur. Çeşitli sertlik veya yumuşaklıktaki grafit, sanatsal bir araç olarak kullanıldığında farklı nitelikler ve tonlar ortaya çıkarır. Demiryolları, buharlı bir lokomotifin kazanının duman kutusu veya ateş kutusunun alt kısmı gibi açıkta kalan kısımları için ısıya dayanıklı koruyucu bir kaplama oluşturmak amacıyla toz grafiti genellikle atık yağ veya keten tohumu yağı ile karıştırırdı. ⓘ
Genişletilmiş grafit
Genişletilmiş grafit, doğal pul grafitin kromik asit ve ardından konsantre sülfürik asit banyosuna daldırılmasıyla yapılır, bu da kristal kafes düzlemlerini birbirinden ayırmaya zorlar ve böylece grafiti genişletir. Genleşen grafit, grafit folyo yapımında kullanılabileceği gibi, bir potadaki erimiş metali veya kızgın çelik külçeleri yalıtmak ve ısı kaybını azaltmak için doğrudan "sıcak üst" bileşik olarak veya bir yangın kapısının etrafına veya plastik boruyu çevreleyen sac yakalara takılan yangın durdurucu olarak (yangın sırasında grafit genleşir ve yangının nüfuz etmesine ve yayılmasına direnmek için parçalanır) veya yüksek sıcaklıkta kullanım için yüksek performanslı conta malzemesi yapımında kullanılabilir. Grafit folyo haline getirildikten sonra, folyo işlenir ve yakıt hücrelerindeki bipolar plakalara monte edilir. Folyo, dizüstü bilgisayarlar için ısı emicilere dönüştürülerek ağırlık tasarrufu sağlarken serin kalmalarını sağlar ve valf ambalajlarında kullanılabilen veya conta haline getirilebilen bir folyo laminat haline getirilir. Eski tip ambalajlar artık bu grubun küçük bir üyesidir: ısı direnci gerektiren kullanımlar için yağlar veya gresler içinde ince pul grafit. Bu son kullanımdaki mevcut ABD doğal grafit tüketimine ilişkin bir GAN tahmini 7.500 tondur. ⓘ
İnterkalasyonlu grafit
Grafit, bazı metaller ve küçük moleküllerle interkalasyon bileşikleri oluşturur. Bu bileşiklerde, ana molekül veya atom grafit katmanları arasında "sıkışır" ve değişken stokiyometriye sahip bir bileşik türü ortaya çıkar. İnterkalasyon bileşiğinin önde gelen bir örneği, KC8 formülü ile gösterilen potasyum grafittir. Bazı grafit interkalasyon bileşikleri süper iletkendir. En yüksek geçiş sıcaklığı (Haziran 2009 itibariyle) Tc = 11.5 K CaC6'da elde edilir ve uygulanan basınç altında daha da artar (8 GPa'da 15.1 K). Grafitin lityum iyonlarını şişme nedeniyle önemli bir zarar görmeden interkalate etme yeteneği, onu lityum-iyon pillerde baskın anot malzemesi yapan şeydir. ⓘ
Sentetik grafitin kullanım alanları
Sentetik grafit üretmek için bir prosesin icadı
1893 yılında Le Carbone'dan Charles Street yapay grafit üretimi için bir süreç keşfetti. 1890'ların ortalarında Edward Goodrich Acheson (1856-1931) karborundum (silisyum karbür veya SiC) sentezledikten sonra yanlışlıkla sentetik grafit üretmenin başka bir yolunu buldu. Saf karbonun aksine karborundumun aşırı ısıtılmasının neredeyse saf grafit ürettiğini keşfetti. Yüksek sıcaklığın karborundum üzerindeki etkilerini incelerken, silikonun yaklaşık 4.150 °C'de (7.500 °F) buharlaştığını ve karbonu grafitik karbon olarak geride bıraktığını bulmuştu. Bu grafit bir yağlayıcı olarak değerli hale geldi. ⓘ
Acheson'un silisyum karbür ve grafit üretme tekniğine Acheson süreci adı verildi. Acheson 1896'da grafit sentezleme yöntemi için bir patent aldı ve 1897'de ticari üretime başladı. Acheson Graphite Co. 1899 yılında kurulmuştur. ⓘ
Sentetik grafit poliimidden de hazırlanabilir ve ticarileştirilebilir. ⓘ
Bilimsel araştırmalar
Yüksek oranda yönlendirilmiş pirolitik grafit (HOPG) grafitin en yüksek kaliteli sentetik formudur. Bilimsel araştırmalarda, özellikle taramalı prob mikroskobunun tarayıcı kalibrasyonu için bir uzunluk standardı olarak kullanılır. ⓘ
Elektrotlar
Grafit elektrotlar, çelik fırınlarının büyük çoğunluğunu oluşturan elektrik ark fırınlarında hurda demir ve çeliği ve bazen de doğrudan indirgenmiş demiri (DRI) eriten elektriği taşır. Kömür katranı zifti ile karıştırıldıktan sonra petrol kokundan yapılırlar. Daha sonra ekstrüde edilir ve şekillendirilir, ardından bağlayıcıyı (zift) karbonize etmek için fırınlanır ve son olarak karbon atomlarının grafit haline geldiği 3000 °C'ye yaklaşan sıcaklıklara ısıtılarak grafitleştirilir. Boyutları 3,5 m (11 ft) uzunluğa ve 75 cm (30 inç) çapa kadar değişebilir. Küresel çeliğin giderek artan bir oranı elektrik ark ocakları kullanılarak üretilmekte ve elektrik ark ocağının kendisi de daha verimli hale gelerek bir ton elektrot başına daha fazla çelik üretmektedir. USGS verilerine dayanan bir tahmin, 2005 yılında grafit elektrot tüketiminin 197.000 ton olduğunu göstermektedir. ⓘ
Elektrolitik alüminyum eritme iĢleminde de grafitik karbon elektrotlar kullanılmaktadır. Çok daha küçük bir ölçekte, sentetik grafit elektrotlar elektrik deşarjlı işlemede (EDM), genellikle plastikler için enjeksiyon kalıpları yapmak için kullanılır. ⓘ
Toz ve hurda
Toz, toz haline getirilmiş petrol kokunun grafitleşme sıcaklığının üzerinde, bazen küçük değişikliklerle ısıtılmasıyla elde edilir. Grafit hurdası, genellikle kırma ve boyutlandırma işleminden sonra kullanılamayan elektrot malzemesi parçalarından (üretim aşamasında veya kullanımdan sonra) ve torna tornalarından gelir. Sentetik grafit tozunun çoğu çelikteki karbonun yükseltilmesinde (doğal grafitle rekabet ederek), bir kısmı da akülerde ve fren balatalarında kullanılır. USGS'ye göre, ABD sentetik grafit tozu ve hurda üretimi 2001 yılında 95.000 tondu (en son veriler). ⓘ
Nötron moderatörü
Gilsocarbon gibi özel sentetik grafit sınıfları da nükleer reaktörlerde matris ve nötron moderatörü olarak kullanım alanı bulmaktadır. Düşük nötron kesiti de önerilen füzyon reaktörlerinde kullanılmasını tavsiye etmektedir. Reaktör sınıfı grafitin, ticari grafit biriktirme sistemlerinde yaygın olarak tohum elektrodu olarak kullanılan bor gibi nötron emici malzemelerden arındırılmış olmasına dikkat edilmelidir - bu, Almanların İkinci Dünya Savaşı grafit bazlı nükleer reaktörlerinin başarısız olmasına neden olmuştur. Zorluğu izole edemedikleri için çok daha pahalı ağır su moderatörleri kullanmak zorunda kaldılar. Nükleer reaktörler için kullanılan grafit genellikle nükleer grafit olarak adlandırılır. Union Carbide'ın bir bölümü olan National Carbon'da Berkeley eğitimi almış bir fizikçi olan Herbert G. McPherson, Leo Szilard'ın "saf" grafitte bile bor safsızlıklarının grafitte U-235 zincir reaksiyonlarını tehlikeye atan bir nötron emilim kesitinden sorumlu olduğu varsayımını doğrulamada kilit rol oynamıştır. McPherson grafitteki safsızlıkların varlığından haberdardı çünkü Technicolor'ın sinematografide kullanılmasıyla birlikte, film projektörlerinde kullanılan grafit elektrot arklarının spektrumları, ekranda daha sıcak ten tonlarını görüntülemek için kırmızı bölgedeki ışık emisyonunu arttıracak safsızlıklara ihtiyaç duyuyordu. Bu nedenle, renkli filmler olmasaydı, ilk sürekli doğal U zincir reaksiyonunun ağır su moderatörlü bir reaktör gerektirme ihtimali vardı. ⓘ
Diğer kullanım alanları
Grafit (karbon) fiber ve karbon nanotüpler, karbon fiber takviyeli plastiklerde ve takviyeli karbon-karbon (RCC) gibi ısıya dayanıklı kompozitlerde de kullanılmaktadır. Karbon fiber grafit kompozitlerden yapılan ticari yapılar arasında olta çubukları, golf sopası şaftları, bisiklet çerçeveleri, spor araba gövde panelleri, Boeing 787 Dreamliner'ın gövdesi ve bilardo istekaları yer almaktadır ve betonarmede başarıyla kullanılmıştır. Karbon fiber grafit takviyeli plastik kompozitlerin ve gri dökme demirin mekanik özellikleri, grafitin bu malzemelerdeki rolünden büyük ölçüde etkilenmektedir. Bu bağlamda, "(%100) grafit" terimi genellikle karbon takviyesi ve reçinenin saf bir karışımını ifade etmek için gevşek bir şekilde kullanılırken, "kompozit" terimi ek bileşenlere sahip kompozit malzemeler için kullanılır. ⓘ
Modern dumansız barut, statik yük oluşumunu önlemek için grafitle kaplanmıştır. ⓘ
Grafit en az üç radar emici malzemede kullanılmıştır. Radar kesitlerini azaltmak için U-bot şnorkellerinde kullanılan Sumpf ve Schornsteinfeger'de kauçuk ile karıştırılmıştır. Ayrıca erken dönem F-117 Nighthawk hayalet avcı uçaklarındaki karolarda da kullanılmıştır. ⓘ
Grafit kompozitler, örneğin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ışın boşaltımında yüksek enerjili parçacıklar için emici olarak kullanılır. ⓘ
Grafit çubuklar şekillendirildiğinde, sıcak erimiş camı manipüle etmek için cam işçiliğinde bir araç olarak kullanılır. ⓘ
Grafit madenciliği, zenginleştirme ve öğütme
Grafit hem açık ocak hem de yeraltı yöntemleriyle çıkarılır. Grafitin genellikle zenginleştirilmesi gerekir. Bu, gang (kaya) parçalarının elle toplanması ve ürünün elle elenmesi veya kayanın kırılması ve grafitin yüzdürülmesi yoluyla gerçekleştirilebilir. Yüzdürme yoluyla zenginleştirme, grafitin çok yumuşak olması ve gang parçacıklarını "işaretlemesi" (kaplaması) gibi bir zorlukla karşılaşır. Bu da "işaretli" gang partiküllerinin grafitle birlikte yüzerek saf olmayan konsantre elde edilmesine neden olur. Ticari bir konsantre veya ürün elde etmenin iki yolu vardır: konsantreyi saflaştırmak için tekrar tekrar öğütme ve yüzdürme (yedi defaya kadar) veya gangı hidroflorik asit (silikat gang için) veya hidroklorik asit (karbonat gang için) ile asit liçi (çözme). ⓘ
Öğütmede, gelen grafit ürünleri ve konsantreleri sınıflandırılmadan (boyutlandırılmadan veya elenmeden) önce öğütülebilir, daha kaba pul boyutu fraksiyonları (8 mesh altı, 8-20 mesh, 20-50 mesh) dikkatlice korunur ve ardından karbon içerikleri belirlenir. Her biri belirli bir pul boyutu dağılımına ve karbon içeriğine sahip farklı fraksiyonlardan bazı standart karışımlar hazırlanabilir. Belirli bir pul boyutu dağılımı ve karbon içeriği isteyen bireysel müşteriler için özel karışımlar da yapılabilir. Pul boyutu önemli değilse, konsantre daha serbest bir şekilde öğütülebilir. Tipik son ürünler arasında petrol sondajında bulamaç olarak kullanılmak üzere ince bir toz ve döküm kalıpları için kaplamalar, çelik endüstrisinde karbon yükseltici (Sentetik grafit tozu ve toz haline getirilmiş petrol koku da karbon yükseltici olarak kullanılabilir) yer alır. Grafit fabrikalarından kaynaklanan çevresel etkiler, işçilerin ince partiküllere maruz kalması dahil olmak üzere hava kirliliğinden ve ayrıca toz dökülmelerinden kaynaklanan toprak kirliliğinden ve toprağın ağır metal kirliliğinden oluşmaktadır. ⓘ
Amerika Birleşik Devletleri Jeolojik Araştırmalar Kurumu'na (USGS) göre, 2016 yılında dünya doğal grafit üretimi 1.200.000 ton olup, bu üretimin başlıca ihracatçıları şunlardır: Çin (780.000 t), Hindistan (170.000 t), Brezilya (80.000 t), Türkiye (32.000 t) ve Kuzey Kore (6.000 t). Amerika Birleşik Devletleri'nde henüz grafit madenciliği yapılmamaktadır. Ancak Westwater Resources şu anda Alabama, Sylacauga yakınlarındaki Coosa Grafit Madeni için bir pilot tesis kurma geliştirme aşamasındadır. ABD'nin 2010 yılındaki sentetik grafit üretimi 134.000 ton ve 1,07 milyar dolar değerindeydi. ⓘ
İş güvenliği
İnsanlar işyerinde grafite solumanın yanı sıra cilt teması veya göz teması yoluyla da maruz kalabilir. ⓘ
Birleşik Devletler
Mesleki Güvenlik ve Sağlık İdaresi (OSHA), işyerinde grafite maruz kalma için yasal sınırı (izin verilen maruz kalma sınırı), 8 saatlik bir iş günü boyunca zaman ağırlıklı ortalama (TWA) fit küp başına 15 milyon partikül (1,5 mg/m3) olarak belirlemiştir. Ulusal Mesleki Güvenlik ve Sağlık Enstitüsü (NIOSH), 8 saatlik bir iş gününde TWA 2,5 mg/m3 solunabilir toz için önerilen bir maruz kalma sınırı (REL) belirlemiştir. 1250 mg/m3 seviyelerinde grafit yaşam ve sağlık için hemen tehlikelidir. ⓘ
Grafit geri dönüşümü
Grafitin geri dönüştürülmesinin en yaygın yolu, sentetik grafit elektrotlar üretildiğinde ve parçalar kesildiğinde veya torna tornaları yeniden kullanılmak üzere atıldığında veya elektrot (veya diğer malzemeler) elektrot tutucusuna kadar kullanıldığında ortaya çıkar. Yeni bir elektrot eskisinin yerini alır, ancak eski elektrottan büyükçe bir parça kalır. Bu parça ezilerek boyutlandırılır ve elde edilen grafit tozu çoğunlukla erimiş çeliğin karbon içeriğini artırmak için kullanılır. Grafit içeren refrakterler de bazen geri dönüştürülür, ancak düşük grafit içerikleri nedeniyle genellikle geri dönüştürülmezler: sadece %15-25 grafit içeren karbon-magnezit tuğlalar gibi en büyük hacimli ürünler genellikle geri dönüştürülmeye değmeyecek kadar az grafit içerir. Bununla birlikte, bazı geri dönüştürülmüş karbon-magnezit tuğlalar fırın onarım malzemeleri için temel olarak kullanılır ve ayrıca kırılmış karbon-magnezit tuğlalar cüruf şartlandırıcılarda kullanılır. Krozeler yüksek grafit içeriğine sahip olsa da, kullanılan ve daha sonra geri dönüştürülen krozelerin hacmi çok küçüktür. ⓘ
Doğal pul grafite çok benzeyen yüksek kaliteli bir pul grafit ürünü çelik üretimi kish'ten yapılabilir. Kish, bazik oksijen fırınına giden erimiş demir beslemesinden sıyrılan büyük hacimli erimeye yakın bir atıktır ve grafit (aşırı doymuş demirden çökeltilmiş), kireç bakımından zengin cüruf ve bir miktar demir karışımından oluşur. Demir yerinde geri dönüştürülür ve geriye grafit ve cüruf karışımı kalır. En iyi geri kazanım süreci, %70 grafit kaba konsantresi elde etmek için hidrolik sınıflandırma (mineralleri özgül ağırlığa göre ayırmak için bir su akışı kullanan: grafit hafiftir ve neredeyse en son yerleşir) kullanır. Bu konsantrenin hidroklorik asit ile liç edilmesi, 10 mesh'den aşağıya doğru değişen pul boyutuna sahip %95'lik bir grafit ürünü verir. ⓘ
Genel özellikleri
- Kimyasal bileşim: C
- Kristal sistemi: Hekzagonal
- Kristal şekli: Düz, levhamsı kristal şeklinde olup, özşekilli grafit kristallerine doğada nadiren rastlanır. Çoğunlukla toprağımsı agregatlar şeklinde görülür.
- Sertlik: 1-2 (Mohs)
- Özgül ağırlık: 2,23
- Dilinim: C atomları birbirleriyle kovalent tipi kimyasal bağlarla bağlanarak levhamsı düzlemleri oluşturur.
- Dizilim:Karbon Atomları altıgen halka oluştaracak şekildedir ⓘ