Kāpēc grafīts ir lielisks elektrības vadītājs 

Zinātniskie principi un rūpnieciskā nozīme grafīta elektrodos

Grafīts, kristālisks oglekļa sadalījums, ir slavens ar izcilo elektrisko vadītspēju, neskatoties uz to, ka tas nav metāls. Šī ārkārtas īpašība rodas no tās unikālās atomu struktūras, delokalizētas elektronu uzvedības un ļoti anizotropās kristāliskas izkārtojuma. Šīs funkcijas padara grafītu neaizstājamu rūpnieciskos lietojumos, it īpaši grafīta elektrodos, ko izmanto elektriskās loka krāsns (EAF) tērauda ražošanai un metalurģiskai rafinēšanai.

Atomu struktūra: sešstūra slāņveida režģis

Grafīts sastāv no oglekļa atomiem, kas izvietoti divdimensiju sešstūra režģī, kas uz nenoteiktu laiku stiepjas A-B plaknē. Katrs oglekļa atoms veido trīs spēcīgas σ (Sigma) kovalentās saites ar kaimiņiem, kā rezultātā tiek iegūti stabili grafēna slāņi ar saites garumu aptuveni 1,42 Å. Šie slāņi sakrauj gar c asi, ko tur kopā ar vājiem van der Waals spēkiem, ar starpslāņu attālumu 3,35 Å.

Katram oglekļa atomam ir četri valences elektroni: trīs piedalās σ saitēs, un ceturtais aizņem P_Z orbitāli perpendikulāri plaknei. Šo orbitāļu sānu pārklāšanās rada pagarinātu π (PI) elektronu mākoni, kas ir delokalizēts visā slānī.

Delokalizēts π-elektronu mākonis: augstas vadītspējas pamats

Π elektronu delokalizācija ļauj viņiem brīvi pārvietoties grafēna plaknē, veidojot nepārtrauktu mobilo lādiņu nesēju tīklu. Ja tiek piemērots ārējs elektriskais lauks, šie elektroni migrē ar minimālu izkliedei, kā rezultātā rodas augsta vadītspēja plaknē un zema elektriskā pretestība.

Sešstūra režģa simetrija un vienveidība vēl vairāk samazina izkliedi un uzlabo elektronu mobilitāti, kas ir salīdzināma ar to, kas atrodams noteiktos metālos.

Starpslāņu elektriskā vadītspēja: ierobežota, bet nozīmīga

Lai arī elektronu mobilitāte ir visaugstākā lidmašīnās, grafīts uzrāda arī vāju, bet ievērojamu vadītspēju ārpus plaknes. Tas ir saistīts ar kvantu tunelēšanu un termisko ierosmi, kas ļauj nelielam skaitam elektronu pāreju starp blakus esošajiem slāņiem. Šī parādība veicina grafīta trīsdimensiju vadītspēju, lai arī tā joprojām ir ļoti anizotropiska-ar vadītspēju plaknē ir gandrīz 100 reizes lielāka nekā vadītspēja ar plakni.

Zema elektronu - fononu savienošana: pastiprināta efektivitāte paaugstinātā temperatūrā

Grafīts parāda zemu elektronu - fononu savienojumu, kas nozīmē, ka mijiedarbība starp brīvajiem elektroniem un režģa vibrācijām ir minimāla. Tā rezultātā samazina nesēja izkliedi un uztur elektrisko veiktspēju pat paaugstinātā temperatūrā. Apvienojumā ar tā īpaši kušanas temperatūru (> 3600 ° C) un ķīmisko stabilitāti, grafīts ir ideāli piemērots vadošām lietojumiem augstā temperatūrā.

Grafīta elektrodi: tehniskās specifikācijas un rūpnieciskās lietojumprogrammas

Grafīta unikālās vadošās īpašības padara to par izvēlēto materiālu, lai ražotu grafīta elektrodus, kas izmantoti:

1.Elektriskās loka krāsnis (EAF) primārajai tērauda ražošanai

2.Ladle krāsnis (LF) sekundārai metalurģijai un rafinēšanai

3.Litium-jonu akumulatora anodēšana ar starpkalācijas spēju un vadītspēju

4

5.Elektrolītiskās šūnas alumīnija, magnija un hlora ražošanā

6. Augstas temperatūras krāsnis, krustveida un kodolenerģijas moderatori

Galvenie tehniskie parametri (UHP pakāpe)

Secinājums

Grafīta ārkārtas vadītspēja ir tā delokalizētā π-elektronu tīkla rezultāts izturīgos grafēna slāņos. Tas apvienojumā ar anizotropisko vadītspēju, termisko stabilitāti un zemu enerģijas zudumiem atšķir grafītu no lielākās daļas nemetālu un pat dažiem metāliem. Šīs īpašības ir tā dominēšanas pamatā metalurģiskajā, enerģijas uzglabāšanā un elektroķīmiskajā rūpniecībā - kur grafīta elektrodi ir galvenie efektivitātes, izturības un veiktspējas jomā.