Graphit và ứng dụng

Graphit và ứng dụng

Tổng quan Graphit và ứng dụng

Vật liệu Graphit có rất nhiều ưu thế điều đã khiến nó được ứng dụng rộng rãi cho điện cực EDM.

–          Dễ dàng gia công

–          Chống sốc nhiệt

–          Hệ số giãn nở nhiệt thấp (thấp hơn 3 lần so với đồng) điều đảm bảo sự ổn định của hình học điện cực trong quá trình gia công xả điện.

–          Có hình tấm khối lớn

–          Không tan chảy nhưng chuyển trực tiếp từ thể rắn sang khí ở 3.400 độ C, điều làm giảm sự hao mòn

–          Khối lượng riêng nhẹ, thấp hơn 5 lần so với đồng, đưa đến kết quả loại điện cực nhẹ hơn

–          Cung cấp một tỷ lệ loại bỏ kim loại cao hơn đồng với độ hao mòn thấp hơn

–          Có đặc tính độc đáo mà tỷ lệ hao mòn có xu hướng giảm khi cường độ xung tăng

–

THÔNG TIN THÊM VỀ GRAPHIT:

Graphit dùng trong gia công EDM là một vật liệu đẳng hướng với kích thước hạt khác nhau, từ vài microns đến khoảng 20 microns. Trong thập niên 70 những cải tiến đã được thực hiện bởi các nhà sản xuất graphit (đặc tính đẳng hướng, chất lượng cứng vững, cỡ phôi lớn) kết hợp với sự xuất hiện của máy EDM được trang bị máy phát iso-plus, cho phép graphit trở thành vật liệu thông dụng nhất cho điện cực gia công EDM.

 

Phân loại nhóm vật liệu graphit: 03 nhóm

Graphit hạt lớn (khoảng 20 µm) với khối lượng riêng thấp (1.76g/cm3)

Graphit hạt mịn (khoảng 10µm) với khối lượng riêng cao (1.82g/cm3)

Graphit hạt rất mịn (khoảng 4µm) với khối lượng riêng lớn hơn 1.86g/dm3

 

Graphit hạt lớn được sử dụng cho việc gia công thô trong khi graphit mịn sản xuất những bề mặt tốt nhất cho quá trình hoàn thiện. Vì giá thành vật liệu graphit đã trở nên phải chăng hơn, các hãng gia công EDM thường tồn trữ hai hoặc thậm chí cả ba loại cấp graphit: Graphit hạt to ít tốn kém cho quá trình gia công thô; theo sau là graphit hạt mịn cho khâu hoàn thiện hoặc một sự kết hợp giữa khâu gia công thô và quá trình hoàn thiện; và có thể loại graphit hạt rất mịn, giá thành cao, cho quá trình hoàn thiện chính xác.

TẠI SAO LÀ GRAPHIT?

Graphit có rất nhiều lợi thế cho với các vật liệu khác. Nó có khả năng chống sốc nhiệt. Là vật liệu duy nhất mà đặc tính cơ học tăng theo nhiệt độ. Hệ số giãn nở nhiệt thấp cho tính ổn định hình học. Dễ dàng gia công. Không tan chảy nhưng thăng hoa ở nhiệt cao (3.400ºC), và cuối cùng, khối lượng riêng thấp (thấp hơn 5 lần so với đồng) có nghĩa là điện cực nhẹ. Graphit loại bỏ vật chất tốt hơn đồng hoặc đồng – vonfram trong khi mòn chậm hơn. Tỷ lệ mòn có xu hưởng giảm tại cường độ cao. Vì vậy, graphit rất thích hợp với việc gia công điện cực lớn vì làm việc với một cường độ dòng cao quy định thời gian gia công thô giảm.

Mặc dù vật liệu graphit có thể xảy ra việc phóng điện bất thường, điều có thể loại bỏ thông qua phun rửa chất lượng, và việc giảm cường độ xả trong quá trình gia công cực âm, tuy nhiên, như một kết quả của sự cân bằng này, việc gia công các-bít vonfram khó khăn hơn việc gia công điện cực đồng – vonfram. Ngoài ra, vì graphit là một loại sứ, nhạy cảm với các va chạm cơ khí, do đó cần phải xử lý và gia công cẩn thận.

So sánh các cấp graphit:

Không nên so sánh một cấp graphit này với cấp graphit khác chỉ bằng cách nhìn vào các đặc tính vật lý mà không có sự kiểm tra cấp graphit đó trong hoạt động gia công EDM thực tế. Tuy nhiên một số đặc tính vật lý của graphit sau đây sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình gia công EDM

–          Mật độ biểu kiến

–          Kích thước hạt trung bình

–          Điện trở

–          Cường độ uốn

–          Độ cứng

 

Mật độ:

Theo nguyên tắc chung, tỷ lệ hao mòn giảm và phần hoàn thiện bề mặt được cải thiện khi mật độ của graphit tăng.

Kích thước hạt:

Với loại graphit hạt rất mịn, sự hao mòn giảm và việc hoàn thiện bề mặt được cải thiện. Mặt khác, vật liệu loại bỏ thấp, kích thước khối graphit giảm và giá tăng

Điện trở:

Điện trở càng thấp, độ dẫn nhiệt càng cao. Vì vậy, loại graphit có khả năng tiêu tán năng lượng tích luỹ trong mỗi lần xả. Vì vậy, tốc độ mòn giảm với điện trở.

Cường độ uốn:

Cường độ uốn càng cao, việc gia công các chi tiết chính xác càng dễ và tỷ lệ hao mòn càng giảm.

Độ cứng:

Độ cứng của graphit càng cao, độ khó trong việc gia tăng điện cực càng tăng.

 

Cài đặt:

Graphit được sử dụng trong phân cực âm cung cấp một tốc độ gia công nhanh hơn cực dương với tỷ lệ hao mòn vào khoảng 20% tuỳ theo cường độ. Tuy nhiên, gia công cực dương sẽ dẫn tới tỷ lệ hao mòn xấp xỉ 10-50% ở chế độ kết thúc (với dòng điện nhỏ hơn 5A) và khoảng 0% trong thời gian gia công thô (dòng điện lớn hơn 25A) trong khi giảm bớt nguy cơ xả bất thường như đã đề cập ở trên.

Trong thực tế, các nhà điều hình sẽ thường sử dụng graphit trong cực dương khi ở chế độ gia công thô, trừ khi gia công thẳng qua những lỗ khi mà sự hao mòn không phải là yếu tố quan trọng. Gia công trong giai đoạn hoàn thiện sẽ được thực hiện tại cực âm hoặc dương tuỳ thuộc sự ổn định của quá trình. Để giữ ổn định quá trình điều được chỉ dẫn là nên làm việc với mật độ dòng thấp ở cực âm (45A/in2) so với cực dương (60A/in2).

 

Source: Mersen

2.5. Thị trường tiêu thụ graphit tại Việt Nam hiện nay:

 

– Chổi quét ( Chổi than) – Carbon Brush cho các động cơ điện trong nhà máy xi măng, sắt thép, nhiệt điện, đường sắt, Cao su, mía đường,…. Nhà cung cấp: Toyo Tanso – Nhật Bản, Muller Rossner -Đức, Mersen – Pháp…

– Graphite cho các ứng dụng cơ khí để thay thế một số vật liệu truyền thốngtrơn, làm tấm đệm graphite bôi trơn cho vành lò trong công nghệ xi măng lo đứng tiến tiến làm tăng tuổi thọ của thiết bị lên gấp nhiều lần. Nhà cung cấp: Mersen- Pháp, Muller & Rossner – Đức, Toyo Tanso – Nhật Bản, Nippon Techno Carbon – Nhật Bản

– Vật liệu graphite điện cực – EDM graphite dùng trong máy xung điện để thay thế điện cực đồng. Nhà cung cấp: Mersen – Pháp, Nippon Techno Carbon – Nhật bản, Nhà sản xuất và cung cấp graphite lớn nhất thế giới.

– Khuôn mẫu làm bằng graphit đặc biệt cho các nhà máy đúc liên tụckim loại quý (Continous casting graphite die). Nhà cung cấp: Mersen – Pháp, Toyo Tanso – Nhật Bản, Eurografite: Italia,..

– Các thiết bị phụ trợ graphite cho công nghệ nấu và đúc vàng, bạc như nồi graphite, khuôn graphite, que khấy graphite,…

– Graphite dùng trong công nghiệp bán dẫn, điện tử…

Xu hướng phát triển:

Có cơ sở để khẳng định nhu cầu sử dụng graphit ngày càng tăng cùng với sự tăng trưởng của ngành công nghiệp cao và đòi hỏi nghiêm ngặt môi trường.
Graphite hiện nay đã là một thành phần quan trọng cho ngành hàng không, thép, ô tô và các ngành công nghiệp nhựa, cũng như trong sản xuất vòng bi và dầu mỡ bôi trơn. Độ tinh khiết cao của các tấm graphit là điều cần thiết để sản xuất pin lithium-sắt  quan trọng đối với ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng. Nhu cầu đối với các sản phẩm  graphit sẽ tăng nhanh, nhưsản xuất pin lớn hơn cho động cơ các loại xe tải.

Hiện nay, các ngành công nghiệp sắt và thép là những hộ tiêu dùng lớn nhất của graphit.Nhưng nhu cầu về graphit đã và đang được tăng cho các ứng dụng khác – các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học vật liệu tiếp tục tìm thấy giá trị sử dụng mới của graphit do độ bền chịu nhiệt và độ ổn dẫn điện ổn định. Graphit sẽ được sử dụng trong xây dựng thế hệmới lò phản ứng hạt nhân, dự kiến sẽ đạt tới nhiệt độ cao tới 1.000 độ C trong trung tâm lò -gấp ba lần nhiệt độ của lò phản ứng hiện nay.

Graphit là một trong vài chất có khả năng chịu nhiệt cao. Nó đã thay thế sợi amiăng (do ảnh hưởng xấu sức khoẻ) trong việc sản xuất tấm lót và đệm phanh ô tô.

Khi mức sống tăng lên ở các nước đang phát triển như Brazil, Nga, Ấn Độ và Trung Quốc, xehơi sẽ nhiều hơn. Rất ít người nhận ra rằng 84% tổng số dân số sống của thế giới ở các nước thị trường mới nổi.

Tất nhiên, sự phát triển nhanh chóng của ô tô sẽ sử dụng rộng rãi hệ thống pin lithium-sắt.Hiện nay, 2% các xe mới bán được là xe  xăng-điện hầu hết trong số đó vẫn sử dụng pinnickel. Dự kiến đến năm 2020, các loại xe ô tô xăng điện sẽ chiếm 5-18% của tất cả các loại xe bán ra. Các loại xe này  sẽ  được trang bị pin lithium-sắt , do nhẹ hơn và công suất mạnh hơn so với  pin nickel. Với 70 triệu xe dự đoán sẽ được bán vào năm 2020, một lượng lớngraphit sẽ được yêu cầu để sản xuất pin lithium-sắt.

Công nghệ pin nhiên liệu thế hệ mới  phụ thuộc nhiều vào graphit. Một trong những loại có triển vọng hơn đang được phát triển dựa vào việc trao đổi proton màng tế bào nhiên liệu, đòi hỏi  100 pound của graphit cho mỗi xe hơi. Pin nhiên liệu cũng sẽ được sử dụng để làm trạmphát điện cố định để khắc phục việc truyền tải điện đến các vùng xa xôi.

Chứng nhận lớn nhất đối với tầm quan trọng của graphit là mối quan tâm của các cơ quanchính phủ Châu Âu. Năm 2010,  Ủy ban châu Âu nghiên cứu về tới hạn của 41 nguyên liệu khác nhau cho nền kinh tế châu Âu, trong đó graphit có  trong 14 vật liệu cao ở cả tầm quan trọng kinh tế và rủi ro cung cấp. WikiLeaks đăng gần đây cho thấy một danh sách được gọi là “Sáng kiến phụ thuộc tới hạn vào nước ngoài” của  của Cục An ninh Nội địa Mỹ và Bộ Ngoại giao Mỹ bao gồm các mỏ graphit ở Trung Quốc là một trong các vị trí ở nước ngoài có thể bị khủng bố gây tổn hại lợi ích của Mỹ. Quân đội Mỹ cũng sẽ ngày càng phụ thuộc vào graphit trong việc sử dụng ắc quy và các sản phẩm dùng pin nhiên liệu để giảm dần  sự phụ thuộc vào dầu khí.

Trữ lượng và sản lượng graphit trên Thế giới, tình hình khai thác hiện nay:

2.1 Trữ lượng, sản lượng

Trữ lượng quặng graphit trên toàn Thế giới chừng 389 triệu tấn, trong đó chủ yếu Trung Quốc chiếm quá nửa trữ lượng và sản lượng trên toàn Thế giới.

Theo USGS, lượng graphit  tự nhiên sản xuất trên thế giới năm 2006 đạt khoảng 1,03 triệutấn và trong năm 2005 là 1,04 triệu tấn chủ yếu từ các nước như: Trung Quốc 720,000 tấn trong cả 2 năm (2005 và 2006), Brazil 75.600 tấn trong năm 2006 và 75.515 trong năm 2005, Canada 28.000 tấn trong cả 2 năm, và Mexico (dạng vô định hình) 12.500 tấn trong năm 2006 và 12.357 tấn năm 2005. Ngoài ra, còn có các nước khác như: Sri Lanka 3.200 tấn năm 2006 và 3.000 tấn năm 2005 và Madagasca là 15.000 trong cả 2 năm.

 

Sản lượng và trữ lượng graphit của Thế giới( theo DNPM-DIDEM)

 

Thống kê	Trữ lượng (1) (e) (103 t)		Sản lượng(ngàn tấn)
Các nước	2006(p)	%	2005(r)	2006(p)	%
Brazil	113,000	28.3	77	76	7.1
Canada	ND		30	30	2.8
Trung Quốc	220,000	55.2	720	720	67.3
Bắc Triều Tiên	ND		32	32	2.9
Ấn Độ	3,800	1.0	130	120	11.2
Madagascar	960	0.2	15	15	1.4
Mexico	3,100	0.8	11	13	1.2
Cộng hoà Séc	14,000	3.5	10	5	0.6
Thổ Nhĩ Kỳ	ND		6	30	2.8
Các nước khác	44,000	11.0	29	29	2.7
Tổng	398,860	100.0	1,060	1,070	100.0

 

2.2. Các lĩnh vực ứng dụng chính:

Các lĩnh vực sử dụng trực tiếp :

–          Vật dẫn điện

–          Gia công cơ khí

–          Chất bền hoá học

–          Chất trơ hoá học

–          Chất tự bôi trơn

–          Chất ổn định nhiệt

Các lĩnh vực sử dụng một phần

–          Công nghiệp hàng không

–          Công nghiệp hạt nhân

–          Công nghiệp bán dẫn

–          Dụng cụ công nghiệp

–          Công nghiệp hoá học

–          Công nghệ sinh học

–          Công nghiệp ô tô

–          Luyện kim không sắt

–          Công nghiệp điện tử.

Các lĩnh vực liên quan

–          Điện cực lò điện

–          Máng đúc lien tục

–          Vật liệu lò luyện kim…

2.3. Các sản phẩm:

Sản phẩm công nghiệp
• Cực dương cho sản xuất uranium hexafluoride
• Vật liệu cho công nghệ đúc liên tục
• Vật liệu cho đúc bánh xe đường sắt và bánh xe ly tâm chịu áp lực
• Vật giữ cho quá trình nóng chảy, hoà tan
• Sợi carbon gia cố các bộ phận trong  ứng dụng hạt nhân
• Gạch phần trung tâm lò hạt nhân
• Hệ thống khử khí làm bằng graphit
• Bột để sản xuất nhiên liệu HTR
• Đĩa cho cực dương quang phổ X-
• Bộ nạp điện cho máy (EDM)
• Khuôn để sản xuất các công cụ kim cương / đồ gốm đặc biệt
• Vật liệu sản xuất  kim cương tổng hợp
• Vật liệu  cho điện phân
• Vật liệu tạo cầu
• Kim phun cho các thiết bị đo chuyển mạch cao áp
• Tấm và các loại  cho ngành công nghiệp vật liệu chịu lửa
• Các thùng chứa  thủy tinh
• Sản phẩm phục vụ  cho ngành công nghiệp kính phẳng
• Điện cực thô được làm từ  graphit

Sản phẩm trong ngành điện tử
• Gá hàn kín cho hàn  kim loại và hàn thuỷ tinh
• Nồi nấu và khuôn cho quá trình sản xuất silicon dùng cho năng lượng mặt trời.
• Làm điện cực cho phản ứng plasma
• Vật liệu hấp thụ ion
• Vật liệu cho công nghệ sản xuất sợi  cáp quang
• Nồi nấu có  bốc hơi tia điện tử kim loại nhẹ
• Vật liệu sản xuất vật kéo dãn đơn tinh thể  germanium
• Vật  kéo của vật liệu bán dẫn đơn tinh thể khác nhau
• Hỗ trợ sản xuất đa  thể silicon
• Tấm chứa silic cho sản phẩm đơn tinh thể hoặc đa tinh thể.
• Lò xo chịu nhiệt cho tàu thuyền
• Vật liệu có độ tinh khiết cực cao để sản xuất vật liệu đánh bong

Sản phẩm làm vật chịu nhiệt
• C / C susceptor, nhiệt độ cao susceptor
• Ống chịu nhiệt, các bộ phận chịu nóng

• Ống dẫn khí nóng  cho các ứng dụng hạt nhân
  • Tấm chịu thiêu kết,  hệ thống sạc pin
  Ứng dụng trong ngành sản xuất Ô tô và các ứng dụng cơ khí
  • Vòng bi và các bộ phận cần bôi trơn
  • Bàn chải đế cacbon
  • Bộ phận nén máy bơm nước và máy bơm khô
  • Vật liệu dán năng động

 

Ngoài ra graphit còn sử dụng nhiều trong các ngành làm vật liệu composit sợi cacbon vàgang đúc cầu xám, tham gia vào thành phần của dung dịch khoan dầu khí, sản xuất than hoạt tính, bút chì, sản phẩm chịu hoá, vật liệu chống bọt….

2.4. Các sản phẩm graphit tiêu biểu:

Hiện nay có tới trên 200 sản phẩm làm từ graphit, sau đây là một số sản phẩm chính:

1. Dây dẫn điện trong môi trường nước biển

Dây dẫn làm từ graphit không bị ăn mòn, không xẩy ra quá trình điện phân như các kim loại đang sử dụng hiện nay.

3.Graphit làm cực dương trong lò luyện nhôm, luyện đất hiếm

5. Gaphit làm điện cực dương cho tinh chiết, làm giầu uranium cho sản xuất năng lượng hạt nhân Anodes for Uranium Hexafluoride Production
6. Sợi cácbon(graphit) làm tấm bọc gia cố  lò phản ứng hạt nhân Carbon Fiber Reinforced Carbon Components for Nuclear Applications
7. Gạch graphit để lót lò phản ứng hạt nhân Core Bricks Made of Graphite for Nuclear Applications
8. Làm khuôn đúc bánh xe tầu hoả cao tốc

9.Graphit làm các  loại khuôn đúc công nghiệp, khuôn đúc dụng cụ cao cấp, dụng cụ y tế đòi hỏi độ chính xác cao, an toàn vệ sinh…

10. Graphit làm vật đỡ cho quá trình nóng chảy kim loại

12.Graphit làm bộ nạp điện Graphite for electrical discharge machining (EDM)

13.Graphit tham gia thành phần gạch chịu lửa cao cấp magiê-cacbon

14. Graphit cầu là vật liệu làm cực dương cho pin  lithium sắt trong ô tô nạp điện
15. Bột graphit để sản xuất acquy Alkaline (HS 08)

16.Sợi graphit là nguyên liệu sản xuất vải, tấm graphit  cho chống cháy, không độc và giai cố công trình, cốt liệu siêu bền.

17.Tấm lót graphit khả năng chịu nhiệt cao, chống phóng xạ, chịu xói mòn

Source: Tổng hội địa chất Việt Nam