کاربردهای گرافیت در زمینه فناوری‌های پیشرفته

 کاربردهای گرافیت در زمینه فناوری‌های پیشرفته

 

گرافن

گرافن یک تک لایه از لایه‌هایی با شکل شش ضلعی از گرافیت می‌باشد. از این رو، گرافیت رایج‌ترین منبع گرافن به شمار می‌رود. در حالیکه صفحه تک لایه پیچیده شده از گرافن 10 برایر سبکتر از فولاد است، 100 برابر استحکامی بیشتر از آن دارد. همچنین از صفحات رول شده کربن تحت عنوان نانولوله‌های کربنی[1] یاد می‌شود. این مشتقات گرافیت جز متمایزترین مواد روی زمین بشمار می‌روند. به طرز مشابهی، وقتی صفحات دوبعدی گرافن به ساختار سه بعدی کروی تبدیل می‌شوند، فولرن[2] تشکیل می‌شود که یکی از آلوتروپ های کربن در کنار گرافیت و گرافن است. این جامد C60  فولرن در سال 1990 کشف شد. سپس نشان داده شد که انتقال فراسرعت لایه‌نشانی الکترون[3] از پلیمر رسانا به فولرن انجام می‌پذیرد. بر این اساس، بازدهی تبدیل انرژی در سلول‌های خورشیدی همگن پلیمر/فولرن به میزان 20 درصد افزایش می‌یابد. باتوجه طول نفوذ اگزیتیون[4]، مرحله جدایی فازی مورفولوژی دهنده یا پذیرنده لایه فعال باید در محدوده 10 الی 20 نانومتر کنترل شود. توجه گردد که در این زمینه سه عامل بازدهی، هزینه و پایداری از عوامل تعیین‌کننده محسوب می‌شوند.

خواص درونی گرافیت شامل هدایت الکتریکی بالا، جذب نور کم و پایداری شیمیایی زیاد، این ماده را به ماده‌ای مهم در زمینه کاربردهای بسیار پیشرفته همچون ایمپلنت‌های پزشکی مانند قلب مصنوعی ، ابزارهای منعطف الکترونیکی و صنایع هوافضا تبدیل می‌کند. از این قرار،  بر اساس خواص ذکر شده از گرافیت، گرافن با استفاده از روش‌های فیزیکی و شیمیایی تولید شد. علاوه بر این،‌ سنتز گرافن اکساید(GO) از گرافیت توانست به روش‌های مختلف مبتنی بر اکسیدان کلرات‌های متفاوت و پرمنگنات انجام گیرد. امروزه، رایج‌ترین روش سنتز گرافن اکسید به شیوه هامر انجام می‌شود که در آن گرافیت به وسیله پتاسیم پرمنگنات (KMnO4) در یک سامانه اسید قوی اکسید می‌گردد. گرافن اکساید در مقایسه با گرافیت، فاصله صفحات از نوع Basal space بیشتری دارد. این فاصله بین صفحات ناشی از گروه‌های عاملی متصل به صفحه‌های آن، به ویژه گروه‌های اکسیژنی می‌شود. در ادامه، فرآیند کاهش گرافن اکساید می‌تواند به شیوه‌های شیمیایی، الکتروشیمیایی، حرارتی و امواج مایکرویو انجام پذیرد. خواص نهایی گرافن تهیه شده، هم به ماده آغازگر و هم به روش سنتز آن وابسته است.

به طور کلی، گرافیت مصنوعی (SG[5]) با خلوص بیشتری نسبت به گرافیت طبیعی (NG[6]) می‌تواند تولید شود. از سوی دیگر، گرافیت مصنوعی بلورینگی کمتری نسبت به صفحات منظم و رگه‌ای گرافیت طبیعی دارد و همچنین از آن گران‌تر است. تولید انبوه گرافن از گرافیت اصلاح نشده یک مسئله اساسی به شمار می‌رود. برای تهیه گرافن تنها می‌توان از گرافیت با خلوص بالا که بیشتر از 9/99 درصد آن کربن ثابت شده است، استفاده کرد. از میان بردن ناخالصی‌های معدنی سیلیکات‌ها در گرافیت آغازین، به وسیله فرآیند بخاردهی در دمای بسیار بالا یا شستشو در هیدروژن فلورید (HF)، منجر به دستیابی به گرافیت گرید گرافن خواهد شد. این تکنیک‌های خالص‌سازی اما نگرانی‌های محیط زیستی در مورد اتلاف انرژی زیاد و همچنین بافی‌ماندن فلورین در پسآب خارج شده را تشدید می‌کنند. از این رو، نیاز به تکامل زیادی درباره اینکه چگونه گرافیت طبیعی اصلاح نشده را به نانوصفحات باکیفیت بالای گرافن، که خواص فوق‌العاده‌ای در طی اصلاح اکسیداسیونی نمونه‌های گرافیت از خود نشان می‌دهد، تبدیل کنیم، وجود دارد.

به عنوان آند در باتری‌های لیتیوم-یونی

باتری‌های لیتیوم-یونی (LIBs) از سه قسمت اصلی شامل الکترود منفی (آند)، الکترولیت / جداکننده و الکترود مثبت (کاتد) تشکیل می‌شوند. مواد آندی در این باتری‌ها از گرافیت با خلوص بالا تهیه می‌گردند که از طریق معادله شیمیایی زیر بین یون‌های لیتیوم قرار می‌گیرند:

تغییرات در فعالیت‌های الکتروشیمیایی در واکنش‌های برگشت‌ناپذیر مواد به طور مستقیم به مورفولوژی و ساختار کریستالی الکترودها باز می‌گردد. در حال حاضر، مواد گرافیتی تهیه شده از گرافیت طبیعی اصلاح نشده به عنوان ماده الکترودی فعال در باتری‌های لیتیوم-یون مورد استفاده قرار می‌گیرند. تنها پوسته‌های درشت از گرافیت می‌تواند به عنوان ماده خام در آند باتری‌های لیتیوم-یون با توجه به دو دلیل عمده، یعنی درجه بالای گرافیتیزه شدن[7] و مشخصه کریستالی بودن با اندازه صفحات بزرگ، استفاده شود. قابل ذکر است که با وجود استخراج تجاری گرافیت رگه‌ای[8] در سریلانکا، مقدار آن بسیار محدود می‌باشد. علاوه بر این هزینه نسبتا بالایی در پی دارد. از این رو، گرافیت پوسته‌ای[9] اصلی‌ترین منبع طبیعی تامین گرافیت برای تولید گرید باتری آن می‌باشد.

شکل (4) نشان‌دهنده تصاویر SEM از گرافیت پوسته‌ای طبیعی (NFG) در مقیاس 9/42 میکرون برای تصویر(a) و 20 میکرون برای تصویر (b) است. گرافیت پوسته‌ای ساختار لایه‌ای دارد که در آن اتم‌های کربن در یک شبکه لانه زنبوری شکل در فاصله صفحات 37/0 نانومتر از یکدیگر قرار گرفته‌اند. گستردگی اندازه ورقه‌های گرافیت از آنالیز SEM مشخص است. ذرات گرافیتی غالبا صفحات کوچک منشوری شکل دارند و فاصله صفحات و اندازه لبه‌های آن کاملا مشخص است. از سوی دیگر، برای استفاده از NFG در پیشبرد باتری‌های لیتیوم-یونی، دو مرحله فرآیندی باید انجام گیرد که مرحله اول شامل خالص‌سازی این ماده برای رسیدن به گرید باتری است و مرحله بعدی اصلاح مورفولوژی مواد NFG خواهد بود. NFGها مواد ناهمسانگردی هستند. بدین صورت که ابعاد ورقه‌های آن‌ها‌ در جهات افقی و عمودی یکسان نیستند. این نوع مورفولوژی تاثیرات مخربی بر روی توزیع یکنواخت ذرات در جمع‌کننده‌های جریان[10]می‌گذارد. علاوه بر این، NFGها تمایل به چسبیدن به سطح جمع‌کننده‌های جریان در مسیر حرکت جریان را دارند (سطح صفحه کناری عمود بر مسیر جریان قرار می‌گیرد).

شکل 5 (از a تا f) نشان‌دهنده تصاویر SEM از صفحات رویی و کناری NFG و شکل 5(g) مبین شماتیکی از پخش و قرارگیری NFGهای خام بر روی سطح جمع‌کننده مسی جریان است. به خاطر این نوع جهت‌گیری، کار یون‌های Li+ برای قرارگیری درون ساختار گرافیت دشوار می‌شود و برای همین، این عمل برای یون‌های Li+ بر روی سطح لایه‌های کناری اتفاق می‌افتد. در نتیجه، NFG نرخ ظرفیت ضعیف‌تری از خود نشان می‌دهد. بنابراین، ارتقا و بهبود فرآیندها برای دستیابی به NFGهای با خلوص بالا و حل این مشکل، که از جهت‌گیری NFGهای ناهمسانگرد ناشی می‌شود، ضروری به نظر می‌رسد. این مورد از اصلی‌ترین معایب آندهای گرافیتی به شمار می‌رود. این فرآیند بهبود شامل: (1) مراحل خالص‌سازی به وسیله حرارت و اصلاح شیمیایی و (2) پیچیدن لایه‌های گرافیت به شکل کره به روش‌های مکانیکی، می‌شود. در روش‌های مکانیکی، تکه‌های کوچک NFG می‌توانند به وسیله اعمال فشار از هر دو جهت صفحات قطعه‌های گرافیت،  به شکل توپ درآیند.

شکل (6)، ساختار و مورفولوژی گرافیت کروی را نشان می‌دهد. محصولات پوسته‌های گرافیت ارتقا یافته تقریبا به شکل ذرات کروی با خلوص بالای 9/99 درصد از کربن هستند. متاسفانه، بازدهی تولید گرافیت کروی تنها 30 درصد است. بنایراین، این ماده، سه برابر هزینه تمام شده بیشتری نسبت به گرافیت پوسته‌ای خواهد داشت. گرافیت مصنوعی نیز در باتری‌های لیتیوم-یونی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما در مجموع، هزینه تولید بالای گرافیت مصنوعی یک نکته اقتصادی در هدایت به سمت رشد استفاده از منابع گرافیت طبیعی در تولید باتری و ذخیره انرژی به شمار می‌رود. از این رو، برای غلبه بر مشکلات ذکر شده در آندهای گرافیتی (به طور مثال ظرفیت پایین به جهت محدودیت سطح برای قرارگیری بین لایه‌ای در باتری‌های لیتیوم-یونی)، جایگزین‌های دیگر کربنی شامل گرافن، نانولوله‌های کربنی، نانوالیاف کربن و فلورن مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. این مواد، ظرفیت بهبودیافته‌ای به دلیل ساختار خود( سطح تماس وسیع) از خود نشان داده‌اند. قابل ذکر است دقیقا مشابه سلول‌های خورشیدی،‌ زمینه باتری‌های لیتیوم-یونی نیز فاکتور‌های مشابهی را شامل می‌شود که از جمله آن‌ها می‌توان به ظرفیت (تراکم انرژی و توان)، عمر دوره‌ای[11]، ایمنی و هزینه اشاره کرد. در تلاش هستند تا در آینده از این باتری‌ها به عنوان منبع انرژی برای وسایل نقلیه الکترونیکی استفاده کنند.

مواد الکترودی برای سلول‌های سوختی

در سال‌های اخیر، تحقیقات زیادی بر روی غشای تبادل پروتون سلول‌های سوختی (PEMFC[12])، که انرژی شیمیایی سوخت را (شامل هیدروژن، متانول و غیره) به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، صورت گرفته است. در این باره، گرافیت و سایر مواد پایه کربنی (دوده، نانولوله‌ها و نانوالیاف کربنی، لیف کربن، کربن کاغذی و غیره) برای صفحات کاتدی و آندی، مواد جذابی به شمار می‌روند. تا به امروز، تولید این صفحات از هر دو نوع گرافیت طبیعی و مصنوعی در فرم‌های پودری و ذره‌ای با اندازه‌هایی از مقیاس میکرون تا میلی‌متر، با توجه به پایداری شیمیایی و هدایت الکتریکی آن‌ها، موفقیت‌آمیز بوده است. با وجود اینکه، نوع و توزیع ابعاد بهینه از گرافیت به صورت پراکنده برای استفاده در این زمینه گزارش شده است، اغلب محققان بر این عقیده‌اند که مواد گرافیتی باید خلوصی بالای 99 درصد داشته باشند. محققان در مورد PEMFC باید مطمئن شوند که به اندازه کافی از واکنش‌های جانبی و وسیع شیمیایی که در عملکرد این ابزار مداخله می‌کنند، به وسیله استفاده از گرافیت با خلوص بالا، فاصله خواهند گرفت.

در یک PEMFC باتوجه به بنیان وزنی‌اش، هر الکترود در نیمی از سلول‌های PEMFC قرار می‌گیرد که یک بخش مشخصی از مجموع وزن این ابزار را تشکیل می‌دهد. الکترودهای مشخص شده، که می‌توانند از گرافیت خالص و یا کامپوزیت مخلوطی از 90 درصد گرافیت باشند، نقش اساسی را در انتقال بار ایفا می‌کنند. حالت کلی از واکنش‌های شیمیایی در PEMFC شامل معادلات زیر می‌شود:

از روی این واکنش‌ها، می‌توان دریافت که گرافیت نقشی در سازوکار واکنش ندارد. در واقع، در مرکز یک PEMFC، یک غشای پلیمری نفوذ ناپذیر در مقابل گاز‌ها و نه پروتون‌ها وجود دارد ( از این رو آن را غشای تبادل پروتون می‌نامند). این غشا به عنوان الکترولیت فشرده بین دو الکترود هادی متخلخل عمل می‌کند و معمولا از گرافیت یا مواد دیگر ساخته شده است. یک لایه نیز که شامل ذرات کاتالیستی بر روی سطح آن می‌شود (پلاتین بر روی گرافیت)، بین الکترود متخلخل و غشای پلیمری الکترولیت قرار می‌گیرد. شماتیکی از پیکربندی PEMFC، با اصول بنیادین عملکردی آن، در شکل (7) مشخص شده است. در اینجا، اجتماع الکترود غشایی (تصویر سمت راست در شکل (7))، یک جز کلیدی در PEMFC به شمار می‌رود که ترکیبی از الکترود متخلخل، پلاتین بر روی کربن و خود غشا است.

به عنوان یک جز در PEMFC، انتخاب گرافیت امیدوارکننده به نظر می‌آید، زیرا بسیار هادی بوده، چگالی آن کمتر است، راکد عمل می‌کند و به صرفه می‌باشد. گرافیت، یکی از مواد غیر فلزی محدود به شمار می‌رود، اما هدایت الکتریکی و حرارتی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد. هر دو این خواص فیزیکی، مشارکت ویژه در راستای موفقیت استفاده از مواد گرافیتی در ابزارهای PEMFC دارند. هدایت الکتریکی از آرایش اتمی کربن در کریستال‌های گرافیتی ناشی می‌شود که به الکترون‌ها امکان جابجایی می‌دهد. این حرکت الکترون‌ها محرک ایجاد هدایت الکتریکی است، زیرا آن‌ها به عنوان حامل بار عمل می‌کنند و با کوچکترین اختلاف پتانسیل الکتریکی جریان می‌یابند. هدایت حرارتی نیز در گرافیت تحت تاثیر ساختار آن است اما سازوکار آن اندکی متفاوت می‌باشد. ارتعاشات حرارتی در طول پیوند‌های سخت اتمی که ذرات کربنی را در داخل کریستال گرافیت به یکدیگر متصل می‌کنند، ظاهر می‌شوند. در نهایت، برای بهبود عملکرد PEMFC، بهینه‌سازی اجتماع غشای الکترودی ضروری است، که این امر نیز از درک مناسبی از روابط ساختار/خواص بدست خواهد آمد.

صنایع هوافضا

مواد استفاده شونده در صنایع هوافضا باید از مواد ساختاری با چگالی پایین بوده و شامل مشخصه‌هایی همچون استحکام بالا، سفت بودن،‌ مقاومت سایشی و ضربه‌ای بالا و به دور از خوردگی باشند. برای تحقق این خواص پیشرفته برای کاربردهایی با سطح تکنولوژی بالا، مواد کامپوزیتی به وسیله ترکیب دو جزء ناهمسان تولید می‌شوند. از این رو، یک کامپوزیت شامل چند جزء خواهد بود که در آن، فاز پخش‌شونده در یک ماتریس پیوسته ترکیب شده است. به طور خاص، برای این کار، یک کامپوزیت تقویت شده با الیاف کربن (کریستال‌های گرافیت با نواحی آمورف) در ماتریس پلاستیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا گرافیت طبیعی خواصی نظیر: چگالی g/cm3 265/2 ، مدول برشی GN/m2 3/2 ،  مدول یانگ TN/m2 3/11 ، نقطه تصعید °C 3742-3727 ، میانگین قابلیت فشردگی N/m2 11-10×1/3 و انرژي سطحی J/cm2 5-10×2/1 را دارا می‌باشد. این خواص فیزیکی، گرافیت را برای کاربرد‌های مانند پوشش سطح شاتل‌های فضایی و شرایط شدید برودتی، قابل استفاده می‌کند که همگی مبتنی بر ویژگی‌های گرافیت همچون مقاومت سایشی، پایداری حرارتی (تا دمای 3000 درجه سانتی‌گراد)، فشردگی عالی، رفتار خود روانکاری[13]، نیرومندی و ضریب اصطکاک پایین در شرایط انجماد، می‌باشند.

 روان‌کننده‌ها

یک روان‌کننده، مسئولیت کاهش اصطکاک بین سطوح و درنتیجه کاهش حرارت ایجاد شده میان دوسطح، هنگامی که نسبت به یکدیگر می‌لغزند را دارد. برای این کار، ما غالبا از روغن‌های طبیعی، سنتزی و یا حیوانی استفاده می‌کنیم. اما، زمانی که یک سطح محرک، تحت دمای بسیار بالا (دماهایی بالاتر از دمای تبخیر روان‌کننده‌های مایع) و یا در معرض تشعشات شدید قرار دارد، می‌توان از جایگزین‌های دیگری همچون روان‌کننده‌های جامد (برای مثال گرافیت، پلی(تترافلورواتیلن)[14]و یا آلیاژهای فلزی) استفاده کرد. در میان موارد ذکر شده، گرافیت به عنوان یک روان‌کننده جامد در دماهای بالا تا 787 درجه سانتی‌گراد عمل کرده و مواد را تا دمای 1315 درجه سانتی‌گراد نگه می‌دارد. این ماده، همچنین با رطوبت موجود در هوا واکنش داده و یک فیلم نازک بر روی سطوح کنار هم تشکیل می‌دهد که سایش بین ذرات را نیز کاهش خواهد داد. گرافیت در داخل روغن یک سوسپانسیون تشکیل داده و اصطکاک بین دو جزء در حال حرکت را کاهش می‌دهد. در نهایت، خواص ذکر شده از روان‌کننده گرافیتی را می‌توان از ساختار مواد متوجه شد. کریستال‌های گرافیت دارای لایه‌های موازی (فاصله d برابر با 3354/0 نانومتر) از حلقه‌های صفحه‌ای C6 بوده که هر لایه با ضخامت یک اتم، با لایه‌های کناری خود به وسیله پیوند واندروالسی توسط برهمکنش‌های π-π متصل شده است. این پیوند تا حدودی ضعیف (در مقایسه با پیوند کوالانسی)، این امکان را فراهم می‌کند تا لایه‌ها، در زمان حرکت دوسطح، بر روی یکدیگر بلغزند. قابل ذکر است که برهمکنش اتصالی π آروماتیک-آروماتیک به طور معمول برابر با KJ/mol 2  (در مقایسه با پیوند هیدروژنی که KJ/mol40-10 و پیوند کووالانسی که KJ/mol400 است) می‌باشد.

تصفیه آب

گرافیت منبسطشده به صورت حرارتی (TEG[15])، محصولی است که از تجزیه حرارتی ترکیبات میان سطحی گرافیت (GICs[16]) تشکیل می‌شود. اصلاح کربنی درون GICs باعث مي‌شود تا مواد جدیدی با خواص فیزیوشیمیایی متفاومت‌تر، به عنوان پیشنیازی برای تهیه مواد جذب‌کننده سطحی، تولید شوند. گرافیت منبسط‌شده به روش حرارتی، یک ماده جاذب موثر برای حذف خطرات در تصفیه آب به شمار می‌رود. ظرفیت جذب برای این مواد مضر در این ماده برابر باmol/kg 42/0 بوده که باعث می‌شود گرافیت منبسط‌شده حرارتی برای اهداف تصفیه ذرات مضر مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، با ابقای خاصیت آب دوستی صفحات نانویی گرافن اکساید (GO)، نواحی با هیبریداسیون sp2، به صورت کووالانسی با گروه‌های تیول بوسیله شیمی دیازینیوم[17] اصلاح می‌شوند. سطح اصلاح شده از GO، غلظت 6 برابری از یون‌های جیوه‌ای را نسبت به GO اصلاح نشده جذب می‌کنند. گرانول‌های جاذب هسته-پوسته[18] آماده استفاده در ستون‌های فیلتریزاسیون، به وسیله جایگذاری محلول آبی GO بر روی گرانول‌های شنی تولید می‌شوند. ساختار‌های نانویی شن پوشش داده شده با گرافن اکساید، 5 برابر غلظت بیشتری از فلزات سنگین و رنگ‌های آلی را در مقایسه با شن خالص جذب می‌کنند. این نتایج تحقیقات می‌تواند راه‌های جدیدی را برای تصفیه کم هزینه آب و بهبود آن‌ها بگشاید. مراحل اصلی فرآیند تدوین شده، شامل اختلاط فیزیکی کلویید‌های قابل پخش در آب GO با شن و اصلاح متعادل حرارتی که باعث چسبیدن صفحات نانویی به یکدیگر بر روی سطح شن – مشابه برهمکنش‌های واندروالسی –  می‌شود، خواهد شد. تغییر رنگ از سفید مایل به زرد تا خاکستری تیره پس از انجام مرحله پوشش‌دهی، به صورت ساده‌ای در شکل (a-8) قابل ملاحظه است. همچنین این شکل، نمایانگر شماتیک ایده‌آل شده‌ای از چندین لایه GO پوشش‌داده شده و گرانول‌های فیلتریزاسیون شن/گرافن اکساید به دست آمده، است. آنالیز EDAX در نواحی مختلف از سطح گرانول‌های شنی، یک ترکیب ابتدایی معمول از گرانول‌های شنی در مقایسه با گرانول‌های شن/گرافن اکساید، که نشان‌دهنده رشد وسیع فراوانی کربن –به بیان دیگر حضور پوشش کربنی- است را آشکار می‌کند. وجود این پوشش‌های چند لایه از کربن به وسیله طیف رامان و همچنین ضخامت تخمین زده شده در آنالیز TGA نیز تایید شده است(شکل(b-8)). ابتدا، طیف رامان، دو پیک مشخصه یابی G باند در 1-cm1582 (مربوط به هیبریداسیون sp2 شبکه کربنی) و D باند در 1-cm1350 (نواقص) را نشان می دهد که در آن، نسبت شدت IG/ID بیانگر میزان نواقص موجود در مواد گرافیتی است. در ادامه، گراف TGA نشان می‌دهد که 5/1 درصد از وزن GO/شن در دمای بین 450-400 درجه سانتی‌گراد از بین می‌رود که طبق محاسبات زیر، با احتساب اندازه میانگین 597 میکرون برای ذرات شنی، ضخامت لایه GO، 5/1 میکرون بدست می‌آید.

که در این روابط، r و r به ترتیب بیانگر شعاع و چگالی ذرات است. همچنین به صورت پیش‌فرض، هر دو چگالی برابر با g/cm3 2 در نظر گرفته شده است.

کاربرد‌هایی با عنوان ماده نسوز[19]

گرافیت، یک ماده پایه کربنی غیرفلزی نسوز است که به دلیل بی‌تحرکی فیزیکی و شیمیایی، قابلیت تحمل دماهای بالا را دارد. این ماده، خواص ناهمسان بسیاری از جمله انبساط حرارتی، هدایت حرارتی و قابلیت فشرده‌سازی را که به ساختار کریستالی و آمورفی صفحات به هم چسبیده شبکه C6 نسبت می‌دهند، از خود نشان می‌دهد. تا به امروز، این ماده برای فرآیندهای صنعتی از تولید فولاد و شیشه گرفته تا آهن، بسیار مفید واقع شده است. گرافیت همچنین یک جایگزین برای آزبست در لنت‌های ترمز می‌تواند باشد. کاربردهایی در صنایع شیشه و سرامیک، مستلزم مواد مناسبی با هدایت الکتریکی بالاتر، مقاومت مکانیکی و عملکرد عالی در دماهای کاربری بالاست. گرافیت می‌تواند به عنوان یک جزء در تولید آجرهای نسوز منگنز-کربن (Mg-C) و همچنین آجرهای نسوز مختلف دیگر مورد استفاده قرار گیرد. این ماده همچنین در تولید بوته‌ها، ملاقه‌ها و قالب‌هایی برای نگهداری مواد مذاب فلزی استفاده می‌شود. علاوه بر این، گرافیت یکی از رایج‌ترین مواد مورد استفاده در عوامل نسوز، در فرآیند ریخته‌گری پیوسته فولاد است. اجزایی مانند نازل‌های زیر آبی، میله‌های نگه‌دارنده و ملاقه‌های پوشش داده شده، که به عنوان محافظ در برابر زنگ‌زدگی و منظم کردن جریان فولاد مذاب استفاده می‌شوند، مثال‌هایی از ابزارهای تولید شده به وسیله پرس ایستا مخلوط پوسته‌های گرافیت، ZrO2 و پودر Al2O3 هستند. علاوه بر این، بلوک‌های گرافیتی برای شکل دادن قطعه‌ای از پوشش کوره دمش، در تولید آهن مورد استفاده قرار می‌گیرند. خواص مختلفی از جمله مقاومت در برابر شوک حرارتی، هدایت حرارتی بالا، مقاومت ساختاری در دماهای بالا، مقاومت شیمیایی و انبساط دمایی کم از جمله اساسی‌ترین ویژگی‌های لازم در این کاربرد می‌باشند. کاربردهای دمای بالای متعددی برای گرافیت در مواد تجاری، مانند تولید فسفر و کلسیم کاربید برای گرمکن‌های گردشی قطعه‌ای، وجود دارد. همچنین گرافیت، به عنوان آند در برخی از فرآیندهای الکترولیتی آبی خورنده، همچون تولید هالوژن‌ها (کلر و فلور)، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در تولید میله‌های موازنه‌گر و اجزای بازگرداننده در راکتورهای هسته‌ای، مقادیر زیادی از الکتروگرافیت خالص استفاده می‌شود. اهمیت این مواد در جذب کم نوترون، مقاومت زیاد در دماهای بالا و هدایت حرارتی مناسب آن‌هاست. کاربرد کلیدی گرافیت، به عنوان یک ماده الکتریکی، در تولید برس‌های کربنی درون موتور‌های الکتریکی می‌باشد. در این کاربرد، ساختار و گرید گرافیت، نقش اساسی در طول عمر قطعات تشکیل‌دهنده و عملکرد آن‌ها ایفا می‌کند. علاوه بر این، گرافیت به عنوان یک ماده مهندسی، به طور وسیعی در کاربردهای مختلف همچون رینگ‌های پیستون، یاطاقان‌های رانشی و ژورنال، پره‌ها و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیستم‌های درزگیر پایه کربنی، به عنوان جزئی از پمپ‌های سوختی، در موتور‌های جریان هوایی استفاده می‌شوند. کاربردهای رایج دیگری نیز از مواد گرافیتی در متالوژی پودری، تولید رنگ، چرخ‌های سنگ‌زنی، پوشش‌ها و غیره وجود دارد.

 کاربردهای دیگر

بوته‌ها و قالب‌ها: در تولید بوته‌ها، محصولات ابتدایی سیلیکون‌های خورشیدی، قایقک‌ها و قالب‌ها و سیستم‌های مختلف حرارت‌دهی، گرافیت و یا کامپوزیت‌های الیاف کربن (CFC) در مقیاس میکرونی و یا بعضا ابعاد بسیار بزرگتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شیلد‌ها و الکترودها در کاشت یون[20]: پودر‌های ریز با دانسیته بالای گرافیت، از هم پاشیدگی بسیار کمی حتی در شرایط سخت عملکردی مانند بمباران یونی (هجوم ذرات) و یا درون پلاسما از خود نشان می‌دهند. اجزای فلزی در تجهیزات کاشت یون، در معرض سایش زیادی در نتیجه برخورد پرتوهای یونی قرار دارند. در این شرایط، حفاظ‌های مناسب گرافیتی می‌توانند از این اجزای فلزی حفاظت کنند.

محصولات گرافیتی در زمینه فناوری فیبر نوری: همانگونه که قبلا در این مطالعه بدان اشاره کردیم، کربن و مواد گرافیتی برای المنت‌ها و شیلدهای حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این، این مواد می‌توانند به عنوان یک عایق در فناوری فیبر نوری، جایی که مواد ذکر شده در تولید پیش‌فرم الیاف و در پردازش میله‌های شیشه‌ای به الیاف نازک رسانای نور و نیز تجهیزات حرارتی، مورد استفاده قرار ‌گیرند. در کنار المنت‌ها و شیلدهای حرارتی، این مواد قابل استفاده در عایق‌های نمدی گرافیتی با خلوص بالا نیز هستند.

[1] Carbon nanotubes

[2] Fullerene

[3] Ultrafast photoinduced electron transfer

[4] Exciton diffusion length

[5] Synthetic graphite

[6] Natural graphite

[7] Degree of graphitization

[8] Vein graphite

[9] Flake graphite

[10] Current collectors

[11] Cyclic life

[12] Proton exchange membrane fuel cell

[13] Self-lubricating

[14] Poly(tetrafluoroethylene)

[15] Thermally expanded graphite

[16] Graphite intercalation compounds

[17] Diazonium chemistry

[18] Core-shell absorbent granules

[19] Refractory application

[20] Ion implantation

محصولات مرتبط

فهرست