يُقسم لباد الجرافيت إلى ثلاثة أنواع: لباد الجرافيت الإسفلتي، ولباد الجرافيت البولي أكريلونيتريل (PAN)، ولباد الجرافيت الفسكوزي، وذلك لاختلاف أنواع اللباد الخام المستخدمة. يُستخدم بشكل رئيسي كمادة عازلة للحرارة في أفران صهر السيليكون أحادي البلورة. وفي الصناعة الكيميائية، يُستخدم كمادة مُرشِّحة للكواشف الكيميائية المسببة للتآكل عالية النقاء.
يُعالَج لباد الكربون بدرجة حرارة عالية تتجاوز 2000 درجة مئوية تحت الفراغ أو في جو خامل ليتحول إلى لباد جرافيت. نسبة الكربون فيه أعلى من لباد الكربون، حيث تصل إلى أكثر من 99%. في أواخر ستينيات القرن الماضي، توافرت منتجات لباد الجرافيت عالميًا. يُقسّم لباد الجرافيت إلى ثلاثة أنواع: لباد جرافيت قائم على الأسفلت، ولباد جرافيت قائم على بولي أكريلونيتريل، ولباد جرافيت قائم على الفسكوز، وذلك لاختلاف أنواع اللباد الخام المستخدمة.
من بينها، يُعدّ الأسفلت، الذي تُمثّله شركة "كوريها كيميكال" اليابانية، المادة الرئيسية في صناعة العزل. تعتمد لبادات العزل الأوروبية والأمريكية بشكل أساسي على الفسكوز، بينما تعتمد معظم اللبادات المحلية على البولي أكريلونيتريل. العملية: يُقطّع لباد الكربون المصنوع من البولي أكريلونيتريل أو الفسكوز إلى الحجم المطلوب، ثم يُلفّ على شكل أسطوانة، ثم يُوضع في وعاء مصنوع من مادة الجرافيت. يُوضع وعاء الجرافيت في فرن عالي الحرارة (فرن أنبوب الجرافيت، أو فرن حثي متوسط التردد، أو فرن آخر عالي الحرارة مزود بآلية تسخين)، ثم يُسخّن إلى 2200-2500 درجة مئوية بمعدل تسخين يتراوح بين 100 و300 درجة مئوية/ساعة باستخدام التفريغ أو حماية الغاز الخامل عالي النقاء، ثم يُبرّد طبيعيًا إلى 100 درجة مئوية.
لباد الجرافيت المصنوع من البولي أكريلونيتريل أقوى وأكثر مقاومة للأكسدة من لباد الجرافيت المصنوع من الفسكوز، إلا أنه يتميز بمرونة ضعيفة وكثافة حجمية عالية وعزل حراري جيد. بالإضافة إلى نقائه العالي ومقاومته لدرجات الحرارة العالية ومقاومته للتآكل وعدم انصهاره، يتميز أيضًا بمزايا المرونة والطي والقطع والخياطة باستخدام خيوط الجرافيت. يُستخدم لباد الجرافيت بشكل رئيسي كمادة عازلة حرارية في أفران صهر السيليكون أحادي البلورة. وفي الصناعة الكيميائية، يمكن استخدامه كمادة ترشيح للكواشف الكيميائية المسببة للتآكل عالية النقاء. ويمكن استخدام لباد الجرافيت عند درجة حرارة حوالي 3000 درجة مئوية في ظروف جوية غير مؤكسدة.
الخصائص الرئيسية للباد الجرافيتي
1. الموصلية
تنبع موصلية لباد الجرافيت من بنيته الدقيقة المكونة من ألياف الجرافيت، والجرافيت نفسه مادة موصلة ممتازة. يستطيع لباد الجرافيت توصيل التيار الكهربائي في ظروف مقاومة منخفضة، لذا فهو شائع الاستخدام في التطبيقات الكهروكيميائية.
2. مقاومة درجات الحرارة العالية
يتميز لباد الجرافيت بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية، وعادةً ما يكون مستقرًا في بيئات ذات درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية. وفي بيئات الفراغ أو الغازات الخاملة، تكون درجة مقاومته للأكسدة أعلى. لذلك، يُعد استخدام لباد الجرافيت في المجالات ذات درجات الحرارة العالية أمرًا بالغ الأهمية، مثل مواد العزل عالية الحرارة أو بطانات أفران المعالجة الحرارية.
3. الاستقرار الكيميائي
يتميز لباد الجرافيت بمقاومة ممتازة للتآكل الكيميائي، ويحافظ على ثباته في البيئات الحمضية والقلوية وغيرها من البيئات الكيميائية المسببة للتآكل. وخاصةً في البيئات الحمضية القوية، مثل حمض الكبريتيك وحمض الهيدروفلوريك، تُمكّنه مقاومته للتآكل من استخدامه في مختلف المفاعلات الكيميائية وخزانات التخزين.
4. كثافة منخفضة ومسامية عالية يتميز لباد الجرافيت عادةً بكثافة منخفضة ومسامية عالية، مما يجعله خفيف الوزن للغاية، بالإضافة إلى نفاذية غازية ممتازة وخواص امتصاص ممتازة. توفر بنية المسامية العالية للباد الجرافيت مساحة سطح نوعية كبيرة، مما يُسهّل نقل الإلكترونات وتبادل المواد في التفاعلات الكهروكيميائية.
5. أداء عزل حراري جيد يمنحه هيكله المسامي عزلًا حراريًا ممتازًا، خاصةً في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، كما أن موصليته الحرارية المنخفضة تُقلل التوصيل الحراري بفعالية. ويُستخدم لباد الجرافيت غالبًا كمادة عازلة للتحكم في حرارة المعدات أو الأنظمة.
6. المرونة الميكانيكية على الرغم من أن الجرافيت مادة هشة، إلا أن بنيته اللبادية توفر مرونة ميكانيكية نسبية. ويمكن تشكيله بأشكال وأحجام متنوعة لتناسب مختلف التطبيقات. كما أن مرونته تجعله مناسبًا للاستخدام مع مواد أخرى.
| محتوى الكربون |
% |
99 |
| رماد |
% |
0.1 |
| كثافة الجسم |
جم/سم³ |
0.1 |
| مساحة السطح المحددة |
م²/جم |
2.648 |
| معدل تساقط اللباد |
ملغ/ شعر لكل جرام |
1.95 |
| معدل الأكسدة |
فقدان الوزن/ساعة عند 600 درجة مئوية في الهواء |
0.6 |
| المسامية |
% |
95 |
| مقاومة الصفائح |
Ω∙سم ² |
0.1 |
| تحمل السُمك |
مم |
±7.5% |
| كفاءة الطاقة |
يعتمد بشكل أساسي على اختبار أداء الخلية الفردية، 80 مللي أمبير/سم ² |
87% |
| كفاءة الجهد |
80 مللي أمبير/سم ² |
85% |
التطبيقات الرئيسية للباد الجرافيتي
1. التطبيقات الكهروكيميائية يُستخدم لباد الجرافيت على نطاق واسع في مجال الكيمياء الكهربائية، وخاصةً في خلايا الوقود، والخلايا الإلكتروليتية، والمكثفات الفائقة، وغيرها من الأجهزة. أقطاب خلايا الوقود: في خلايا وقود غشاء تبادل البروتون، يُمكن استخدام لباد الجرافيت كمواد أقطاب كهربائية. بفضل موصليته العالية وقدرته على انتشار الغاز، يُمكنه تعزيز انتقال الهيدروجين أو الأكسجين والتفاعل الكهروكيميائي بفعالية. الخلايا الإلكتروليتية: يُستخدم لباد الجرافيت كمواد مهبطية أو موجبة في بعض التطبيقات الإلكتروليتية. تضمن موصليته واستقراره الكيميائي الكفاءة العالية ومتانة العملية الإلكتروليتية. المكثفات الفائقة: بفضل مساحة سطحه النوعية الكبيرة وخصائصه الموصلة، يُستخدم لباد الجرافيت أيضًا كمواد أقطاب كهربائية للمكثفات الفائقة للمساعدة في تحقيق تخزين فعال للطاقة.
2. مجال المعالجة الحرارية عالية الحرارة يُستخدم لباد الجرافيت غالبًا كعازل حراري في أفران درجات الحرارة العالية نظرًا لمقاومته الممتازة لدرجات الحرارة العالية وخصائصه العازلة للحرارة. بطانة أفران درجات الحرارة العالية: يُستخدم لباد الجرافيت كعازل حراري في أفران التفريغ أو أفران المعالجة عالية الحرارة، حيث يوفر حماية حرارية فعالة في درجات الحرارة العالية لمنع فقدان الحرارة. فرن نمو البلورات: في عملية إنتاج مواد عالية النقاء، مثل السيليكون أحادي البلورة، يُستخدم لباد الجرافيت غالبًا كطبقة عازلة لضمان التحكم في درجة الحرارة أثناء نمو البلورات.
3. مقاومة التآكل والترشيح يتميز لباد الجرافيت بمقاومته للتآكل وقدرته العالية على الامتصاص، مما يجعله يُستخدم على نطاق واسع في المجالات الكيميائية والبيئية: ترشيح الغازات المسببة للتآكل: بفضل مقاومته الكيميائية ومساميته العالية، يُمكن لباد الجرافيت ترشيح وتنقية الغازات أو السوائل المسببة للتآكل، مثل امتصاص وترشيح غاز حمض الكبريتيك. تبطين المفاعلات الكيميائية: يُمكن استخدام لباد الجرافيت كبطانة للحاويات أو المفاعلات في بعض البيئات شديدة التآكل، ليلعب دورًا وقائيًا ومضادًا للتآكل.
4. الفضاء الجوي يُستخدم لباد الجرافيت على نطاق واسع في مجال الفضاء الجوي بفضل خفة وزنه ومتانته العالية ومقاومته العالية لدرجات الحرارة العالية وعزله الحراري. ويُستخدم بشكل رئيسي كطبقة عازلة للحرارة ومادة واقية من درجات الحرارة العالية في محركات الصواريخ والأقمار الصناعية والمركبات الفضائية.
5. الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة بفضل موصليته الحرارية والكهربائية، يُستخدم لباد الجرافيت على نطاق واسع في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية وتخزين الطاقة. على سبيل المثال، يُمكن استخدامه كمادة ماصة للحرارة في المجمعات الشمسية، وكطبقة موصلة في أجهزة تخزين الطاقة.
6. مجال الطاقة النووية ويستخدم لباد الجرافيت أيضًا في المفاعلات النووية كعاكس حراري للنيوترونات ومادة عزل عالية الحرارة لضمان استقرار وسلامة تشغيل المفاعل.
