A densidade teórica do grafite é de 2.26 g/cm³ e de 2260 kg/m³.
A densidade do grafite afeta sua resistência mecânica, condutividade térmica e propriedades elétricas. Engenheiros usam a densidade como um indicador-chave para determinar se o grafite é adequado para uma determinada aplicação.
Por exemplo, a grafite de alta densidade pode ser usada como moldes, materiais para baterias e rolamentos. A grafite de baixa densidade é utilizada como lubrificante para ferramentas de metal, material de isolamento térmico.
Você pode descobrir que a densidade do grafite é importante ao selecionar materiais de grafite para uso como eletrodos, materiais refratários ou lubrificantes.
Como medir a densidade teórica do grafite
Antes de medir a densidade, você precisa entender a estrutura do grafite.
O grafite possui uma estrutura cristalina hexagonal em camadas. Cada camada é composta por átomos de carbono dispostos em uma estrutura de favo de mel, com forças de van der Waals fracas entre as camadas.
A densidade teórica do grafite é próxima de 2.26 g/cm3, que você pode calcular das seguintes maneiras:
Medição direta:
Calcule a densidade medindo diretamente a massa e o volume.
Você pode medir a massa de uma amostra de grafite usando uma balança de precisão.
Volume: Para amostras de grafite com formas geométricas regulares, você pode calcular diretamente. Para formas irregulares, você pode medir por deslocamento.
Medição indireta:
Método da gravidade específica do gás
Medir o volume de uma amostra de grafite por deslocamento de gás (por exemplo, hélio).
As etapas específicas são as seguintes:
- Coloque a amostra de grafite em uma câmara de volume conhecido.
- Passe um gás inerte (hélio) e meça a mudança de pressão.
- Use a lei de Boyle para calcular o volume da amostra.
- Combine com massa) para encontrar a densidade
Você também pode usar XRD para determinar os parâmetros de rede do grafite e então calcular a densidade teórica.
Densidade de diferentes produtos de grafite
Os tipos comuns de grafite são os seguintes.
Grafite em flocos naturais
Você pode encontrar grafita em flocos em rochas metamórficas; elas existem em forma lamelar ou escamosa, como em calcários, gnaisses e xistos.
Grafite Sintética
A grafite sintética, também conhecida como grafite artificial, é geralmente obtida a partir de piche de alcatrão de hulha ou petróleo por tratamento térmico. A grafite sintética geralmente apresenta maior resistividade e porosidade, e menor densidade, entre cerca de 1.6 e 1.9 g/cmXNUMX.3.
Grafite prensado isostaticamente
Isostaticamente, a grafite tem uma densidade de cerca de 1.7 a 1.9 e é uma grafite de grão fino com agregado fino. Possui alta condutividade elétrica, alta condutividade térmica e altíssima resistência ao calor, sendo utilizada em fotovoltaicos, semicondutores, fundição, etc.
Grafite Extrudado
O grafite extrudado geralmente tem uma densidade de 1.55 a 1.72 g/cm3, com granulometria mais grossa e menor resistência. Porém, possui alta condutividade térmica e elétrica, sendo frequentemente utilizado em processamento de soluções, moldes de fundição, etc.
A tabela abaixo mostra a densidade de diferentes tipos de produtos de grafite.
| Tipos de Grafite | Densidade (g / cm³) |
|---|---|
| Grafite Natural | 2.2 |
| Grafite Sintética | 1.6 a 1.9 |
| Grafite Isostática | 1.7 a 1.9 |
| Grafite Extrudado | 1.55 a 1.72 |
| Pó de grafite (grão fino) | 1.83 |
| Pó de grafite (grão médio) | 1.72 a 1.90 |
| Pó de grafite (grão grosso) | 1.5 a 1.8 |
| Folha de grafite | 0.85 |
| Grafite Expandido | 2.2 |
Principais fatores que afetam a densidade do grafite
A densidade do grafite, uma forma cristalina de carbono, é influenciada por fatores relacionados à sua estrutura atômica, composição e condições externas.
A seguir estão alguns dos principais fatores que afetam a densidade do grafite.
Espaçamento entre camadas
O grafite consiste em camadas hexagonais de carbono empilhadas, mantidas por forças de van der Waals fracas. Um espaçamento menor entre camadas reduz o volume, aumentando a densidade (como no grafite compactado). Um espaçamento maior (por exemplo, no grafite expandido) diminui a densidade.
Cristalinidade
A grafita altamente cristalina (estrutura ordenada) apresenta menos defeitos e vazios, resultando em maior densidade. A grafita amorfa (desordenada) apresenta menor densidade devido ao empacotamento irregular.
Pureza
Algumas impurezas, como diamante ou carbono amorfo, alteram a densidade. As impurezas de diamante aumentam a densidade, enquanto o carbono amorfo a diminui.
A inserção de moléculas ou íons entre camadas adiciona massa, aumentando potencialmente a densidade.
Tamanho e forma das partículas
Pós de grafite com distribuição uniforme de tamanho de partículas compactam-se com mais eficiência do que partículas irregulares ou muito variáveis, resultando em uma densidade geral mais alta.
Processo de Fabricação
A densidade da grafite compactada aumenta. As altas temperaturas da processo de sinterização também reduzem a porosidade do grafite.
O recozimento em alta temperatura pode melhorar a cristalinidade, aumentando a densidade, enquanto a moagem pode introduzir defeitos, diminuindo a densidade.
Comparando a densidade do diamante e do grafite
A estrutura cristalina do diamante é tetraédrica (rede 3D).
Cada átomo de carbono forma quatro fortes ligações covalentes com átomos vizinhos, formando uma rede rígida e compacta. A estrutura tetraédrica tridimensional do diamante permite que os átomos ocupem espaço com eficiência, minimizando os vazios.
Enquanto a estrutura cristalina do grafite é em camadas hexagonais (folha 2D).
Cada átomo de carbono forma três ligações covalentes fortes em um plano (formando um anel hexagonal), e as forças de van der Waals entre camadas são fracas. Devido às fracas forças entre camadas, as camadas de grafite ficam mais distantes, de modo que o volume aumenta para a mesma massa.
Diferenças de densidade levam a variações nas propriedades físicas do grafite e do diamante.
A baixa densidade e a estrutura em camadas do grafite o tornam lubrificante e condutor, sendo incorporado em lápis, lubrificantes e eletrodos de bateria. A alta densidade do diamante o torna duro e conduz bem o calor. Isso o torna ideal para ferramentas de corte ou abrasivos.
Perguntas frequentes
1. O que é grafite de alta densidade?
Grafite de alta densidade é um material de alta resistência e microestrutura fina, com densidade aparente de 1.8 g/cm³.
Devido à sua capacidade de suportar temperaturas extremamente altas, alta resistência, condutividade térmica e condutividade elétrica, o grafite de alta densidade tem uma ampla gama de aplicações, como ânodos de baterias de íons de lítio, moldes de fundição de metais, trocadores de calor, rolamentos e buchas em aplicações de alta temperatura ou atrito.