1. Phân loại và đặc tính than chì
1.1 Than chì tự nhiên
Than chì tự nhiên được hình thành từ chất hữu cơ giàu cacbon khi tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ và áp suất cao trong môi trường địa chất; nó là sự kết tinh của thiên nhiên. Đặc tính xử lý của than chì tự nhiên chủ yếu phụ thuộc vào hình thái tinh thể của nó. Khoáng sản có hình thái tinh thể khác nhau có giá trị và công dụng công nghiệp khác nhau. Có nhiều loại than chì tự nhiên. Dựa trên các hình thái tinh thể khác nhau, than chì tự nhiên về mặt công nghiệp được chia thành ba loại: than chì tinh thể đậm đặc, than chì vảy và than chì tinh thể kín. Ở nước tôi, chủ yếu có hai loại chính: than chì vảy và than chì tinh thể kín.
1.2 Than chì nhân tạo
Than chì nhân tạo tương tự như vật liệu đa tinh thể trong tinh thể học. Có nhiều loại than chì nhân tạo và quy trình sản xuất của chúng rất khác nhau. Nói rộng hơn, tất cả các vật liệu than chì thu được thông qua quá trình cacbon hóa chất hữu cơ sau quá trình than chì hóa ở nhiệt độ cao có thể được gọi chung là than chì nhân tạo, chẳng hạn như sợi carbon (graphite), carbon nhiệt phân (graphit) và than chì tạo bọt. Theo nghĩa hẹp, than chì nhân tạo thường dùng để chỉ một vật liệu rắn dạng khối được sản xuất bằng nguyên liệu thô cacbon có hàm lượng tạp chất thấp (than cốc dầu mỏ, than cốc, v.v.) làm cốt liệu và hắc ín than đá làm chất kết dính, thông qua các quá trình như trộn, trộn, đúc, cacbon hóa (trong công nghiệp gọi là nung) và đồ họa hóa. Ví dụ bao gồm các điện cực than chì và than chì ép đẳng tĩnh nóng.
2. Sự khác biệt và mối liên hệ giữa than chì tự nhiên và than chì nhân tạo
Cho rằng than chì nhân tạo được sản xuất từ than chì tự nhiên thường theo nghĩa hẹp nên bài phân tích này sẽ tập trung vào sự khác biệt và mối liên hệ giữa than chì tự nhiên và than chì nhân tạo theo nghĩa hẹp này.
2.1 Cấu trúc tinh thể
Than chì tự nhiên: Sự phát triển tinh thể tương đối hoàn thiện. Mức độ đồ họa hóa của than chì vảy là trên 98%, trong khi mức độ đồ họa hóa của than chì vi tinh thể tự nhiên thường dưới 93%.
Than chì nhân tạo: Mức độ phát triển tinh thể phụ thuộc vào nguyên liệu thô và nhiệt độ xử lý nhiệt. Nói chung, nhiệt độ xử lý nhiệt càng cao thì mức độ than chì hóa càng cao. Hiện nay, mức độ grafit hóa của than chì nhân tạo được sản xuất công nghiệp thường dưới 90%.
2.2 Cấu trúc vi mô
Than chì vảy tự nhiên: Một tinh thể đơn có cấu trúc vi mô tương đối đơn giản, chỉ chứa các khuyết tật tinh thể (chẳng hạn như khuyết điểm, sai lệch, lỗi xếp chồng, v.v.), biểu hiện các đặc tính dị hướng về mặt vĩ mô. Than chì vi tinh thể tự nhiên có các hạt nhỏ hơn, các hạt được sắp xếp ngẫu nhiên và các lỗ chân lông sau khi loại bỏ tạp chất, thể hiện các đặc tính đẳng hướng về mặt vĩ mô.
Than chì nhân tạo: Có thể coi là vật liệu nhiều pha, bao gồm pha than chì được biến đổi từ các hạt cacbon như than cốc dầu mỏ hoặc than cốc, pha than chì được biến đổi từ chất kết dính nhựa than đá bao quanh các hạt và các lỗ rỗng hình thành sau khi tích tụ hạt hoặc xử lý nhiệt của chất kết dính nhựa than đá.
2.3 Hình thái vật lý
Than chì tự nhiên: Thường tồn tại ở dạng bột và có thể sử dụng riêng lẻ nhưng thường được sử dụng kết hợp với các vật liệu khác.
Than chì nhân tạo: Có nhiều dạng khác nhau, bao gồm dạng bột, dạng sợi, dạng khối, nhưng theo nghĩa hẹp, than chì nhân tạo thường ở dạng khối và cần được xử lý thành hình dạng cụ thể để sử dụng.
2.4 Tính chất lý hóa
Về tính chất hóa lý, than chì tự nhiên và than chì nhân tạo có một số điểm chung nhưng cũng có những điểm khác biệt. Ví dụ, cả than chì tự nhiên và nhân tạo đều là chất dẫn nhiệt và điện tốt. Tuy nhiên, đối với các loại bột than chì có cùng độ tinh khiết và kích thước hạt, than chì vảy tự nhiên có độ dẫn nhiệt và điện tốt nhất, tiếp theo là than chì vi tinh thể tự nhiên, than chì nhân tạo có độ dẫn điện thấp nhất. Than chì có độ bôi trơn tốt và độ dẻo nhất định. Than chì dạng vảy tự nhiên có cấu trúc tinh thể phát triển hơn nên có hệ số ma sát thấp hơn nên mang lại độ bôi trơn tốt nhất và độ dẻo cao nhất. Tiếp theo là than chì tinh thể đậm đặc và than chì tinh thể kín, trong khi than chì nhân tạo là loại kém nhất.
3. Lĩnh vực ứng dụng của than chì tự nhiên và nhân tạo
Than chì sở hữu nhiều đặc tính tuyệt vời, do đó có ứng dụng rộng rãi trong luyện kim, máy móc, kỹ thuật điện, công nghiệp hóa chất, dệt may và công nghiệp quốc phòng. Các lĩnh vực ứng dụng của than chì tự nhiên và nhân tạo có sự trùng lặp ở một mức độ nào đó nhưng cũng khác nhau.
3.1 Công nghiệp luyện kim
Trong ngành luyện kim, than chì vảy tự nhiên do có khả năng chống oxy hóa tốt nên có thể dùng để sản xuất vật liệu chịu lửa như gạch magie-cacbon và gạch alumina-cacbon. Than chì nhân tạo có thể được sử dụng làm điện cực trong luyện thép, trong khi điện cực làm từ than chì tự nhiên khó sử dụng trong điều kiện vận hành khắt khe của lò luyện thép điện.
3.2 Công nghiệp máy móc
Trong ngành công nghiệp máy móc, vật liệu than chì thường được sử dụng làm vật liệu chống mài mòn và bôi trơn. Than chì vảy tự nhiên có khả năng bôi trơn tốt và thường được sử dụng làm chất phụ gia trong dầu bôi trơn. Thiết bị vận chuyển chất ăn mòn sử dụng rộng rãi các vòng piston, vòng đệm và vòng bi làm từ than chì nhân tạo, không cần bổ sung dầu bôi trơn trong quá trình vận hành. Vật liệu composite từ than chì tự nhiên và nhựa polymer cũng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực này, nhưng khả năng chống mài mòn của chúng không tốt bằng than chì nhân tạo.
3.3 Công nghiệp hóa chất
Than chì nhân tạo có các đặc tính như chống ăn mòn, dẫn nhiệt tốt, độ thấm thấp và được sử dụng rộng rãi trong ngành hóa chất để sản xuất các thiết bị như bộ trao đổi nhiệt, bể phản ứng, tháp hấp thụ và bộ lọc. Vật liệu composite của than chì tự nhiên và nhựa polymer cũng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực này, nhưng độ dẫn nhiệt và khả năng chống ăn mòn của chúng không tốt bằng than chì nhân tạo.
