Le graphite expliqué : définition, types et applications

Qu'est-ce que le graphite ?

Le graphite, archaïquement appelé plumbago, est une forme douce et cristalline de carbone avec ses atomes arrangés dans une structure hexagonale. Le graphite est une forme naturelle de carbone cristallin. C'est un minéral élémentaire natif trouvé dans les roches métamorphiques et ignées. Le graphite est un minéral d'extrêmes.

Le graphite est un minéral qui se forme lorsque le carbone est soumis à la chaleur et à la pression dans la croûte terrestre et dans le manteau supérieur. Des pressions dans la gamme de 75 000 livres par pouce carré et des températures dans la gamme de 750 degrés Celsius sont nécessaires pour produire du graphite. Cela correspond aux faciès métamorphiques des granulites. Sous de hautes pressions et températures, il se convertit en diamant.

Il est gris à noir, opaque et a un éclat métallique, il est flexible mais pas élastique. Il présente les propriétés d'un métal et d'un non-métal, ce qui le rend approprié pour de nombreuses applications industrielles. Les propriétés métalliques incluent la conductivité thermique et électrique. Les propriétés non métalliques incluent l'inertie, la haute résistance thermique et la lubrification.

Le graphite est utilisé dans les crayons et les lubrifiants. C'est un bon conducteur de chaleur et d'électricité. Sa haute conductivité le rend utile dans les produits électroniques tels que les électrodes, les batteries et les panneaux solaires.

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Qui a découvert le graphite ?

Le graphite a été synthétisé pour la première fois accidentellement par Edward G. Acheson lorsqu'il effectuait des expériences à haute température avec du carborundum. Il a découvert qu'à environ 4 150 °C (7 500 °F), le silicium dans le carborundum s'évapore et le carbone reste sous forme graphitique.

Acheson a obtenu un brevet pour la production de graphite en 1896, et la production commerciale a commencé en 1897. Depuis 1918, le coke de pétrole, petits cristaux de graphite imparfaits entourés de composés organiques, a été la matière première principale pour la production de graphite pur à 99-99,5 %.

Quelle est la couleur du graphite ?

La couleur du graphite varie du gris au noir et est à la fois opaque et métallique en apparence. Il est composé d'atomes de carbone et peut être considéré comme du charbon dans sa qualité la plus élevée, bien qu'il ne soit pas généralement utilisé comme combustible.

Le graphite est une couleur gris moyen. En tant que nom de couleur, il est utilisé indifféremment avec « charbon de bois ». Il fait référence au « plomb » dans les crayons en bois, qui sont en fait faits d'un pigment à base de graphite et d'un liant d'argile.

Le graphite, une teinte de gris, est une couleur essentiellement sans émotion. Détaché, neutre et indécis, c'est une transition entre le blanc et le noir.

Structure du graphite

Le graphite a une structure en couches qui consiste en des anneaux de six atomes de carbone arrangés en feuilles horizontales largement espacées. Le graphite cristallise ainsi dans le système hexagonal, contrairement au même élément cristallisant dans le système octaédrique ou tétraédrique comme le diamant.

Le graphite consiste en des couches d'atomes de carbone arrangés en anneaux hexagonaux à 6 membres. Ces anneaux sont connectés les uns aux autres par leurs bords. Les couches d'anneaux fusionnés peuvent être modélisées comme une série infinie d'anneaux de benzène fusionnés (sans atomes d'hydrogène).

Les atomes de carbone dans ces arrangements d'anneaux sont à l'état hybride sp2. Dans le modèle d'orbitale moléculaire sp2, chaque atome de carbone est lié à trois autres espèces, dans le cas du graphite trois autres atomes de carbone. Dans ce mode de liaison, l'angle de liaison entre les atomes de carbone adjacents est de 120°.

Ces « réseaux d'anneaux » sont arrangés en grandes couches d'atomes de carbone, et les couches individuelles sont appelées couches de graphène. La longueur de liaison carbone-carbone dans un plan de couche est de 1,418. Les couches de graphite sont empilées les unes sur les autres parallèlement à l'axe cristallographique « C » du système hexagonal à 4 axes dans lequel le graphite cristallise. Pour plus d'informations sur la structure du graphite, veuillez visiter notre guide.

Propriétés du graphite

Le graphite est un allotrope de carbone utilisé pour fabriquer des barres modératrices dans les centrales nucléaires. Ses propriétés sont les suivantes :

• Substance noir grisâtre, opaque.
• Plus léger que le diamant, lisse et glissant au toucher.
• Bon conducteur d'électricité (en raison de la présence d'électrons libres) et bon conducteur de chaleur.
• Solide cristallin
• Très savonneux au toucher.
• Ininflammable.
• Mou en raison des faibles forces de Van der Waals.
• Conducteur d'électricité.

Propriétés physiques du graphite

Le graphite a un point de fusion élevé, similaire à celui du diamant. Pour faire fondre le graphite, il ne suffit pas de détacher une feuille d'une autre. Il faut briser la liaison covalente à travers toute la structure.

Il est doux et glissant au toucher et est utilisé dans les crayons et comme lubrifiant sec pour des choses comme les serrures. Vous pouvez penser au graphite plus comme un paquet de cartes — chaque carte est forte, mais les cartes glissent les unes sur les autres ou même tombent du paquet entièrement. Quand vous utilisez un crayon, les feuilles se frottent et collent au papier.

Aussi, il a une densité plus faible que le diamant. Cela est dû à la quantité relativement grande d'espace qui est « gaspillée » entre les feuilles.

Il est insoluble dans l'eau et les solvants organiques — pour la même raison que le diamant est insoluble. La force d'attraction entre les molécules de solvant et les atomes de carbone ne sera jamais assez forte pour surmonter les fortes liaisons covalentes dans le graphite.

Le graphite conduit l'électricité. Les électrons délocalisés peuvent se déplacer librement à travers les feuilles. Quand un morceau de graphite est connecté dans un circuit, les électrons peuvent tomber d'un bout de la feuille et être remplacés par de nouveaux à l'autre bout.

Propriétés chimiques du graphite

Couleur	Noir fer à gris acier ; bleu profond en lumière transmise
Classification chimique	Élément natif
Trait	Noir
Éclat	Métallique, parfois terreux
Diaphaneité	Opaque
Clivage	Parfait dans une direction
Dureté de Mohs	1 à 2
Gravité spécifique	2,1 à 2,3
Propriétés diagnostiques	Couleur, trait, sensation glissante, gravité spécifique
Composition chimique	C
Système cristallin	Hexagonal

Types de graphite

Les différents types de graphite :

1. Graphite naturel
   1. Graphite hautement cristallin
   2. Graphite amorphe
   3. Graphite en flocons
2. Graphite synthétique.

1. Graphite naturel

Le graphite naturel est une forme minérale de carbone graphitique. Il varie considérablement en cristallinité. La plupart du graphite commercial est extrait et contient généralement d'autres minéraux. Après l'extraction du graphite, il nécessite généralement une quantité considérable de traitement minéral comme la flottation par mousse pour concentrer le graphite.

Le graphite naturel est un excellent conducteur de chaleur et d'électricité qui est stable sur une large gamme de températures et est un matériau à haute résistance avec un point de fusion élevé de 3 650 °C. Il est principalement utilisé pour les réfractaires, les batteries, la sidérurgie, le graphite expansé, les garnitures de frein, les enduits de fonderie et les lubrifiants.

Le graphite naturel est disponible sous trois formes, toutes traitées à partir de matériau graphite d'origine naturelle. Les trois formes ont chacune des propriétés uniques qui les rendent bien adaptées à certaines applications.

1.1 Graphite cristallin

On dit que le graphite cristallin veineux ou en masse est considéré comme la forme la plus rare, la plus précieuse et de la plus haute qualité de graphite naturel. Il est formé par dépôt direct de carbone graphitique solide à partir de fluides souterrains à haute température tels que le pétrole brut et a été converti en graphite par le temps, la température et la pression.

Le Sri Lanka est la seule juridiction produisant actuellement du graphite veineux cristallin. Le graphite veineux cristallin est facile à façonner et peut être formé en formes solides sans l'aide d'un additif liant, ce qui entraîne des économies de coûts significatives par rapport aux matières premières de qualité inférieure.

Le graphite veineux cristallin a généralement une épaisseur entre 1 cm et 1 m et a généralement une pureté de plus de 90 % Cg. Il a une pureté de 95-99 % de carbone sans raffinage. Il convient à de nombreuses utilisations comme le graphite en flocons et offre un avantage concurrentiel distinct en termes de prix de marché et d'applications de produits telles que les lubrifiants, les batteries, les meules à moudre et la métallurgie des poudres.

1.2 Graphite amorphe

Le graphite amorphe est couramment formé par métamorphisme de contact entre un filon de charbon anthracite et un agent métamorphique. Le résultat est du graphite microcristallin, communément connu sous le nom de graphite amorphe. Le graphite amorphe est le graphite le plus limité parmi le graphite naturel. La teneur en graphite varie entre 25 % et 85 % selon l'environnement géologique.

Il a été trouvé sous forme de particules extrêmement petites, ressemblant à des cristaux, dans des lits de roches méso morphiques telles que le charbon, l'ardoise et le schiste. La pureté en carbone comparativement faible varie entre 70 et 85 % de carbone après raffinage. Il n'est pas visible à moins d'être vu sous grossissement.

Il est utilisé pour les produits en graphite de faible qualité tels que les crayons, les lubrifiants, les réfractaires, la fabrication de peinture, la métallurgie, les revêtements, les plaquettes de frein et les additifs de caoutchouc. C'est la forme la moins chère de graphite. De grands gisements de graphite amorphe se trouvent en Chine, au Mexique et aux États-Unis.

1.3 Graphite en flocons

Le graphite naturel en flocons est formé lorsque le matériau carboné est exposé à une haute pression et température. Le matériau source de carbone peut être soit organique soit inorganique, bien que la plupart du graphite en flocons commercialement disponible soit dérivé de dépôts organiques. La pression requise est généralement supérieure à 1 gigapascal et la température requise est généralement supérieure à 750 degrés Celsius.

Le graphite en flocons peut être trouvé dans les roches métamorphiques uniformément réparties dans le corps du minerai ou dans des poches en forme de lentille concentrées. La gamme de concentrations en carbone varie entre 5 % et 40 %. Le graphite en flocons peut être trouvé sous forme lamellaire ou en flocons dans certaines roches métamorphiques telles que le calcaire, le gneiss et les schistes.

La flottation par mousse est utilisée pour extraire le graphite en flocons. Le graphite « flottant » a une teneur en graphite de 80 % - 90 %. Plus de 98 % de la couche a été fabriquée en utilisant des processus de préparation chimique du graphite. Le graphite en flocons peut être trouvé dans de nombreux endroits dans le monde.

2. Graphite synthétique

Le graphite synthétique peut être généré à partir de coke et de brai. Bien que ce graphite ne soit pas aussi cristallin que le graphite naturel. Il est possible d'avoir du graphite pyrolytique hautement ordonné ou du graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG) qui fait référence au graphite avec un écart angulaire entre les feuilles de graphite de moins de 1°.

Il y a essentiellement deux types de graphite synthétique. L'un est l'électrographite, carbone pur produit à partir de brai de goudron de houille et de coke de pétrole calciné dans un four électrique. Le second est le graphite synthétique, créé en chauffant du brai de pétrole calciné à 2 800 °C.

Fondamentalement, le graphite synthétique a une résistance électrique et une porosité plus élevées, et une densité plus faible. Sa porosité accrue le rend impropre aux applications réfractaires.

Le graphite synthétique contient principalement du carbone graphitique qui a été atteint par graphitisation, traitement thermique de carbone non graphitique, ou dépôt chimique en phase vapeur à partir d'hydrocarbures à des températures supérieures à 2 100 K.

Application du graphite synthétique : applications aérospatiales, balais de carbone, électrodes de graphite, batteries et barres modératrices dans les centrales nucléaires. Le niveau élevé de porosité du graphite synthétique le rend impropre aux applications réfractaires.

Utilisations du graphite

Le graphite a été utilisé depuis l'Antiquité. Il a une large gamme d'applications dans le monde moderne aussi.

Regardons quelques utilisations courantes du graphite ci-dessous :

• Matériaux d'écriture
• Lubrifiants
• Réfractaires
• Réacteurs nucléaires
• Batteries
• Feuilles de graphène

1. Matériaux d'écriture

Le mot graphite vient de la langue grecque qui se traduit par « écrire ». Donc l'utilisation la plus courante du graphite est la fabrication des mines de crayons. Cette mine est un mélange d'argile et de graphite qui est sous forme amorphe.

2. Lubrifiants/Répulsifs

Le graphite est l'un des principaux ingrédients dans les lubrifiants comme la graisse, etc. Ce minéral réagit avec la vapeur d'eau atmosphérique et crée un film mince ou une couche sur la surface appliquée et réduit ainsi le frottement. Le graphite est également utilisé dans les freins et embrayages de voiture.

La forme en poudre du graphite en masse est également utilisée dans les peintures. Pourquoi ? Eh bien, le graphite est par nature hydrofuge. Donc il offre un revêtement protecteur sur le bois et d'autres surfaces.

3. Réfractaires

En raison de sa haute tolérance à la chaleur et de son inaltérabilité, le graphite est un matériau réfractaire largement utilisé. Il trouve son utilisation dans l'industrie manufacturière et aide dans la production de verre et d'acier ainsi que dans le traitement du fer.

4. Réacteurs nucléaires

Le graphite peut absorber les neutrons rapides. En conséquence, il est utilisé dans les réacteurs pour stabiliser les réactions nucléaires.

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5. Industrie électrique

Le graphite cristallin en flocons est utilisé dans la fabrication d'électrodes de carbone, de balais et de plaques nécessaires dans les piles sèches et l'industrie électrique. Fait intéressant, le graphite naturel est également transformé en graphite synthétique. Ce type de graphite est utile dans les batteries lithium-ion.

6. Feuilles de graphène

Le graphite peut être utilisé pour fabriquer des feuilles de graphène. Ces feuilles sont dites 100 fois plus résistantes et 10 fois plus légères que l'acier. Ce dérivé du graphite est davantage utilisé pour fabriquer des équipements sportifs légers et résistants. Beaucoup envisagent des applications futures dans les domaines médical et aérospatial.

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Référence :

Matériaux graphite : usgs.gov

FAQ

Qu'est-ce que le graphite ?

Le graphite, archaïquement appelé plumbago, est une forme douce et cristalline de carbone avec ses atomes arrangés dans une structure hexagonale. Le graphite est une forme naturelle de carbone cristallin. C'est un minéral élémentaire natif trouvé dans les roches métamorphiques et ignées. Le graphite est un minéral d'extrêmes.

Quels sont les types de graphite ?

Graphite naturel : Les trois formes sont le graphite amorphe, le graphite en flocons et le graphite veineux cristallin, et ils ont chacun des propriétés uniques qui les rendent bien adaptés à certaines applications.

Qui a découvert le graphite ?

Le graphite a été synthétisé pour la première fois accidentellement par Edward G. Acheson alors qu'il effectuait des expériences à haute température sur le carborundum. Il a découvert qu'à environ 4 150 °C (7 500 °F), le silicium dans le carborundum se vaporisait, laissant le carbone derrière sous forme graphitique.

À quoi sert le graphite ?

Le graphite est également utilisé dans les crayons, la fabrication d'acier et dans l'électronique comme les smartphones. Peut-être son application la plus importante est la batterie lithium-ion, où le graphite se classe même au-dessus du lithium comme ingrédient clé. Il y a en fait 10 à 30 fois plus de graphite que de lithium dans une batterie lithium-ion.

De quoi est fait le graphite ?

Le graphite est fait de carbone pur. Les atomes de carbone sont capables de former des liaisons qui créent un certain nombre de structures différentes. Le diamant et le graphite sont deux des formes (allotropes) de carbone les plus connues.

Qu'est-ce qui est spécial avec le graphite ?

Il est unique en ce qu'il a des propriétés à la fois d'un métal et d'un non-métal : il est flexible mais pas élastique, a une conductivité thermique et électrique élevée, et est hautement réfractaire et chimiquement inerte. Le graphite a une faible adsorption des rayons X et des neutrons, ce qui en fait un matériau particulièrement utile dans les applications nucléaires.

Où trouve-t-on le graphite ?

Le graphite se trouve le plus souvent sous forme de flocons ou de couches cristallines dans les roches métamorphiques telles que le marbre, les schistes et les gneiss. Le graphite peut également être trouvé dans les schistes riches en matière organique et les lits de charbon. Dans ces cas, le graphite lui-même a probablement résulté du métamorphisme de matière végétale et animale morte.

Le graphite est-il bon pour la peau ?

Les graphites sont utilisés en homéopathie pour les personnes avec des troubles cutanés à long terme et une peau cuirassée, craquelée. Il n'y a que des preuves anecdotiques qu'il peut aider les symptômes du psoriasis.

Le graphite est-il utilisé comme lubrifiant ?

Le graphite a été utilisé pendant de nombreuses années comme lubrifiant. Le mécanisme de lubrification du graphite est considéré comme mécanique par nature et résulte du glissement d'une particule de graphite sur une autre particule de graphite. Le graphite peut être utilisé comme lubrifiant sec ou peut être dispersé dans l'huile lubrifiante.

Comment transformer le charbon en graphite ?

Dans un four à micro-ondes, des étincelles sont générées à l'intérieur d'une fiole en verre contenant de la poudre de charbon. En utilisant du papier d'aluminium, des contenants en verre et un four à micro-ondes domestique conventionnel, des chercheurs de l'Université du Wyoming ont démontré que la poudre de charbon pulvérisée peut être convertie en nano-graphite de plus haute valeur.

Le graphite est-il plus résistant que l'acier ?

Le graphène, un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone, a été vanté comme le matériau le plus résistant connu, 200 fois plus résistant que l'acier, plus léger que le papier, et avec des propriétés mécaniques et électriques extraordinaires.

Le graphite est-il une substance ?

Le graphite est un allotrope de carbone. C'est une substance douce, noir grisâtre et opaque composée d'atomes de carbone.

Qu'est-ce qui peut faire fondre le graphite ?

Le graphite ne fond pas réellement à des pressions normales. Comme le dioxyde de carbone, il passe directement de l'état solide à l'état gazeux. Donc le graphite n'a pas de point de fusion jusqu'à ce que vous arriviez à environ 100 atmosphères.

Qui produit du graphite ?

Même si la Chine est le premier producteur mondial de graphite, les réserves de graphite du pays sont les deuxièmes plus grandes au monde. Le pays avec le plus grand volume de réserves de graphite au monde est la Turquie. En 2020, ils avaient environ 90 millions de tonnes métriques de réserves de graphite naturel.

Où se trouve le graphite le plus pur au monde ?

Sri Lanka. L'exploitation minière du graphite au Sri Lanka a eu lieu depuis l'occupation néerlandaise du pays. C'est le seul pays au monde à produire la forme la plus pure de graphite, le graphite veineux (aussi appelé graphite en masse), en quantités commerciales, ce qui représente actuellement moins de 1 % de la production mondiale de graphite.

Le graphite bloque-t-il les radiations ?

Les films de graphite peuvent protéger les appareils électroniques des rayonnements électromagnétiques (EM), mais les techniques actuelles de fabrication prennent plusieurs heures et nécessitent des températures de traitement d'environ 3 000 °C.

Quels sont les effets secondaires du graphite ?

Effets de la surexposition : L'inhalation répétée de graphite naturel sur plusieurs années peut causer des cicatrices aux poumons avec des symptômes tels que oppression thoracique, essoufflement, toux, crachats noirs et douleur.

Pourquoi le graphite est-il utilisé dans les crayons ?

Le graphite a des structures en couches qui sont liées par des forces de van der Waals. Le graphite se clive facilement entre les couches et donc, il est très mou et glissant. Pour cette raison, il est utilisé dans les crayons et comme lubrifiants dans les machines fonctionnant à haute température.

Pourquoi le graphite est-il un excellent lubrifiant ?

Les atomes de carbone sont fortement liés ensemble en feuilles. Parce que les liaisons entre les feuilles sont faibles, le graphite montre une résistance au cisaillement plus faible sous la force de frottement. Ainsi, il peut être utilisé comme lubrifiant solide et est devenu l'un des matériaux de lubrification solide traditionnels et primaires.

Pourquoi le graphite peut-il être utilisé comme lubrifiant mais pas le diamant ?

En raison de sa douceur et de sa nature non volatile, le graphite est utilisé comme lubrifiant dans les pièces mobiles rapides des machines. Il est utilisé pour lubrifier les pièces de machines qui fonctionnent à haute température. Le diamant, d'autre part, est une substance extrêmement dure ; par conséquent, il ne peut pas être utilisé comme lubrifiant.

Pourquoi le graphite est-il différent du diamant ?

Le graphite et le diamant sont deux des minéraux les plus intéressants. Ils sont identiques chimiquement — tous deux sont composés de carbone (C), mais physiquement, ils sont très différents. … Le graphite est très mou et a une dureté de 1 à 2 sur cette échelle. Les diamants sont la substance naturelle la plus dure connue et ont une dureté de 10.