Graphite : l’or noir industriel à la personnalité distinctive

Le graphite naturel est un minéral non métallique- composé d'éléments carbonés. C'est le résultat des effets combinés de la sédimentation et du métamorphisme au cours de la période de l'histoire géologique. Son processus de formation comprend principalement deux étapes : l'étape d'accumulation de sédiments riches en carbone-et l'étape de minéralisation métamorphique. Le premier fournit une riche source de carbone pour la formation du graphite, tandis que le second achève la transformation du carbone en graphite.

Le graphite naturel est formé à partir de substances carbonées dans la nature. Les sources de substances carbonées peuvent être principalement divisées en carbone organique et carbone inorganique. Parmi eux, le carbone organique domine, provenant principalement des plantes algues et des microfossiles de l'océan d'origine, ainsi que d'autres résidus contenant du carbone-. Le carbone inorganique représente une proportion relativement plus faible, provenant principalement de substances inorganiques contenant du carbone- telles que les roches carbonatées formées dans le milieu marin. Le carbone organique et le carbone inorganique d'origine s'accumulent et sont enfouis dans le fond marin, formant des couches sédimentaires riches en substances carbonées.

Après avoir disposé de réserves sédimentaires suffisantes, les matériaux carbonés ont besoin de certaines conditions de température et de pression pour être transformés en graphite. Ce processus de transformation est également connu sous le nom de processus de graphitisation. Au cours du mouvement des plaques tectoniques terrestres, les couches sédimentaires riches en carbone de l'océan se déplacent progressivement vers la partie profonde de la croûte. L'environnement fermé à haute température et pression permet aux matériaux carbonés dispersés de former rapidement et de manière ordonnée des noyaux de graphite, puis de s'agréger et de croître lentement pour former des cristaux de graphite. Parmi elles, la température et la pression sont les principales conditions de transformation des matériaux carbonés en graphite, et le temps de croissance des cristaux est un facteur important dans le degré de graphitisation.

Le graphite naturel est largement répandu dans le monde et possède d'abondantes réserves. Le « 2024 Mineral Commodity Summary » publié par l'United States Geological Survey montre qu'à la fin de 2022, les réserves mondiales prouvées de graphite naturel s'élevaient à environ 280 millions de tonnes. Les réserves chinoises s'élevaient à environ 810 millions de tonnes, soit environ un quart du total mondial. La production mondiale de graphite en 2023 était d'environ 1,6 million de tonnes, et celle de la Chine d'environ 1,23 million de tonnes, ce qui représente environ 77 % de la production mondiale totale, faisant de la Chine le premier producteur mondial de graphite.

Le graphite naturel est de couleur noir de jais et de texture glissante. Selon les différences dans sa forme cristalline, il peut être divisé en graphite cristallin et graphite amorphe.

Le graphite cristallin a une bonne forme cristalline et les cristaux sont visibles à l'œil nu. Il peut en outre être classé en graphite en paillettes et en graphite en blocs. Lorsque des couches uniques de graphite sont empilées de manière ordonnée, elles forment des-écailles de poisson-comme du graphite en flocons. Si la disposition est désordonnée, un bloc de graphite dense se formera.

Les cristaux de graphite cryptocristallin sont extrêmement petits et ressemblent à des substances semblables au sol. Leurs formes cristallines ne peuvent être clairement observées qu'à l'aide d'un microscope électronique, c'est pourquoi ils sont également appelés graphite semblable au sol-.

La forme cristalline du graphite naturel est étroitement liée à sa valeur industrielle. D'une manière générale, plus le degré de cristallisation est élevé, plus les caractéristiques de qualité sont élevées. Par conséquent, le graphite en paillettes a souvent des propriétés et une valeur d’application supérieures à celles des autres types de graphite.

Sur la base de la classification des minéraux selon leur forme cristalline, les gisements de graphite peuvent être divisés en trois types : le type métamorphique régional, le type métamorphique de contact et le type hydrothermal magmatique, en fonction du contexte géologique et des conditions lors de la formation du graphite.

Les gisements régionaux de graphite métamorphique sont principalement formés par le métamorphisme régional d'anciennes strates sédimentaires contenant du carbone - en raison de mouvements tectoniques. Ils produisent souvent du graphite en paillettes de grande-taille et de haute-qualité. Bien que la teneur du minerai soit relativement faible, ces gisements sont de grande envergure et leur valeur industrielle est la plus élevée.

Le gisement de graphite métamorphique de contact se forme lorsque le magma s'introduit dans les strates houillères-et que le carbone de la couche de charbon subit un métamorphisme. Il est également connu sous le nom de graphite houiller-. Le degré de cristallisation du graphite est relativement faible, se présentant comme microcristallin ou cryptocristallin. La teneur du minerai est relativement élevée, atteignant 60 à 90 %.

Les gisements de graphite hydrothermal magmatique sont formés par le refroidissement et la cristallisation de fluides magmatiques contenant du carbone -. Ils sont généralement de petite taille, avec des corps minéraux irréguliers, des variations significatives dans le degré de cristallisation du graphite, et la plupart sont du graphite en paillettes moyennes à fines. La teneur du minerai est relativement faible.

La structure unique du graphite naturel lui confère de nombreuses excellentes propriétés et élargit également considérablement son champ d'application dans le domaine industriel.

Texture douce :Le graphite possède une excellente résistance aux températures élevées. Son point de fusion est proche de 4 000 degrés et son point d'ébullition atteint 4 250 degrés. Le graphite est un cristal atomique et les liaisons simples covalentes entre les atomes de carbone sont des liaisons chimiques très fortes qui nécessitent une quantité d'énergie extrêmement élevée pour se rompre. Par conséquent, le point de fusion du graphite est très élevé et sa perte de poids est minime, même à des températures extrêmement élevées. Ainsi, dans des secteurs industriels tels que la métallurgie et la fonderie, le graphite peut être utilisé pour produire des briques réfractaires en magnésium-carbone et des creusets en graphite résistant aux hautes-températures-.

Résistant aux produits chimiques:Le graphite possède d'excellentes propriétés anti-corrosion. Il peut résister à l’érosion de divers acides forts, bases fortes et solutions organiques. De plus, le graphite a une « affinité » extrêmement faible pour la plupart des solutions chimiques et sa surface n'est pas sujette à l'entartrage. Il peut être utilisé dans l'industrie chimique pour fabriquer des dispositifs résistants à la corrosion-de haute pureté-, tels que des pipelines chimiques, des réservoirs de réaction, des tours de combustion, etc.

Bon pouvoir lubrifiant :Le graphite est un lubrifiant solide utilisé depuis longtemps. Sa structure en couches facile à glisser lui confère d'excellentes propriétés lubrifiantes. Après avoir adsorbé les gaz et la vapeur d'eau dans l'air, la distance entre les couches de graphite augmente, ce qui facilite le glissement et améliore encore ses performances de lubrification. Par conséquent, dans des industries telles que la fabrication mécanique, le graphite peut être utilisé comme lubrifiant solide pour aider à retirer les moules des pièces moulées, ou il peut être combiné avec d'autres métaux pour fabriquer des roulements lubrifiants sans huile et d'autres matériaux de friction. C'est également un lubrifiant couramment utilisé dans la vie quotidienne pour résoudre le problème de rouille des noyaux de serrure.

Conductivité électrique :Le graphite est un matériau conducteur non métallique- couramment utilisé, lié à la structure de l'arrangement électronique des atomes de carbone dans le graphite. Chaque atome de carbone possède 4 électrons dans sa couche externe. Dans la structure en couches de graphite en forme de nid d'abeilles, chaque atome de carbone utilise 3 électrons pour se connecter aux 3 autres atomes de carbone qui l'entourent afin de former des liaisons covalentes. Par conséquent, chaque atome de carbone aura un électron libre supplémentaire pour conduire l’électricité, ce qui confère au graphite une excellente conductivité. Ainsi, le graphite est largement utilisé dans l'industrie électrique et est couramment utilisé comme filament d'ampoules à haute intensité, de tiges de carbone, de brosses, etc., ou appliqué comme électrodes dans de petits tubes de carbone à électrodes, électrodes positives de redresseurs au mercure, charbon de soudage, accessoires téléphoniques et autres composants.

De plus, les propriétés physiques et chimiques stables du graphite déterminent son aptitude en tant que retardateur de réaction chimique et bon isolant. Cela lui a permis d'être largement utilisé dans-des domaines industriels de pointe tels que les matériaux de l'industrie nucléaire et les composants d'équipements aérospatiaux. Dans les réacteurs refroidis au gaz-à haute température-de quatrième génération actuellement en exploitation commerciale en Chine, du graphite stable est utilisé comme retardateur pour les réacteurs.

Les différences entre les deux types « d’or noir industriel »

Le graphite naturel et le charbon sont tous deux des substances composées d'éléments carbonés, et tous deux sont connus sous le nom d'« or noir industriel ». Cependant, ils diffèrent considérablement par leurs propriétés structurelles et leurs causes de formation, et ils présentent également leurs propres avantages uniques dans les applications industrielles.

D'un point de vue structurel, le graphite naturel et le charbon diffèrent considérablement. Le graphite naturel est un minéral pur composé d'éléments carbonés, avec des atomes de carbone disposés selon une structure en couches ordonnée et une structure cristalline uniforme. Le charbon, quant à lui, est un mélange de divers éléments tels que le carbone, l’hydrogène et l’oxygène. Les atomes de carbone se combinent avec d'autres atomes pour former différentes molécules organiques, qui sont combinées de manière aléatoire avec des composés inorganiques, ce qui donne lieu à une structure complexe et désordonnée. Les propriétés physiques et chimiques du graphite sont donc beaucoup plus stables que celles du charbon. Son point d’inflammation, son point de fusion et sa conductivité thermique sont tous bien supérieurs à ceux du charbon. C’est la raison pour laquelle, bien que les deux contiennent une grande quantité d’éléments carbonés, le charbon peut être utilisé comme combustible alors que le graphite ne le peut pas.

Du point de vue des causes, bien que le graphite naturel et le charbon soient tous deux des produits de la sédimentation et du métamorphisme de restes végétaux anciens, la formation de graphite nécessite un métamorphisme à haute-température et haute-pression dans la partie profonde de la croûte terrestre, où le carbone peut former des cristaux de graphite. Le charbon n'a besoin que de subir une sédimentation dans la partie peu profonde de la croûte terrestre pour former du lignite, et de subir un faible degré de métamorphisme pour former du charbon bitumineux et de l'anthracite. Si la température et la pression continuent d’augmenter, la transformation du charbon en graphite peut également se produire. Par exemple, le graphite de type charbon métamorphique de contact-se forme lorsque la couche d'anthracite est envahie par le magma et subit un métamorphisme à haute-température.

Dans les applications industrielles, le graphite naturel est très différent du charbon. Le graphite naturel est principalement utilisé comme matière première industrielle pour fabriquer des pièces de machines industrielles et des matériaux à base de carbone-. Le charbon, en revanche, est principalement utilisé pour la combustion pour l'approvisionnement en énergie et l'extraction de composés organiques, par exemple dans la production d'électricité, la fabrication de l'acier et la production de méthanol, d'ammoniac brut, etc.

L'avènement du nouveau cycle de révolution industrielle mondiale a apporté de nouvelles opportunités et de nouveaux défis à la recherche et à l'application du graphite. Avec le progrès technologique et la mise à niveau industrielle, la technologie de traitement avancée du graphite a continuellement réalisé des percées, les propriétés du graphite ont été profondément développées et utilisées, et l'industrie du graphite a commencé à se développer vers des domaines de haute technologie. Une série de nouveaux matériaux en graphite ont vu le jour, tels que le graphite flexible, le graphite sphérique, le graphène, etc.

Le graphite flexible est obtenu en chauffant et en expansant rapidement du graphite naturel en flocons grâce à un traitement chimique spécial. En raison de son procédé de fabrication par expansion, il est également appelé graphite expansé. Le graphite flexible hérite non seulement des excellentes propriétés du graphite naturel, mais étend également ses propriétés de douceur, de résilience et d'adsorption. Il peut fonctionner sous des températures élevées, des pressions élevées ou des conditions de rayonnement et peut être utilisé comme matériau ignifuge et d'étanchéité. Grâce à ses caractéristiques hydrophobes et oléophiles, il peut être utilisé comme adsorbant pour traiter les substances à base de pétrole-, souvent utilisées pour traiter les fuites de pétrole brut et les eaux usées des champs pétrolifères ; il peut également éliminer les substances solubles dans l'huile, telles que les pesticides et certains composants nocifs organiques ou inorganiques, ou être utilisé pour éliminer les substances nocives présentes dans les gaz d'échappement industriels et les gaz d'échappement des véhicules.

Le graphite sphérique est obtenu en utilisant des méthodes mécaniques et physiques pour sphéricaliser le graphite en flocons naturel. La forme sphérique lui confère une excellente conductivité électrique, une excellente capacité de charge et de décharge et une excellente durée de vie, ce qui en fait un matériau d'électrode négative relativement idéal pour les batteries lithium-ion. Ces dernières années, l'utilisation de batteries lithium-ion dans les produits électroniques tels que les ordinateurs, les communications et les divertissements s'est développée rapidement. Avec l'expansion rapide de l'industrie des véhicules électriques propres et respectueux de l'environnement, la demande de batteries lithium-ion-hautes performances-a continuellement augmenté, ce qui a stimulé la demande et le développement du graphite sphérique.

Parmi tous les nouveaux types de matériaux graphites actuellement disponibles, le graphène est sans aucun doute le « cheval noir » des matériaux, déclenchant une nouvelle vague d’applications pour le graphite et représentant véritablement un nouveau type de force productive.

Le graphène est un matériau monocouche-semblable à une feuille-composé d'atomes de carbone, également connu sous le nom de graphite monocouche. Malgré son épaisseur extrêmement fine, il possède une résistance extrêmement élevée, ainsi qu’une excellente conductivité électrique, conductivité thermique et malléabilité, ce qui le rend très apprécié dans de nombreux domaines tels que la physique, la chimie, la biologie et l’énergie. En tirant parti des propriétés supérieures du graphène, des produits industriels et électroniques avancés tels que des revêtements anticorrosion composites de graphène, des matériaux de film de dissipation thermique, des dispositifs d'affichage flexibles et des capteurs de détection peuvent être produits. À l'avenir, le graphène aura de larges perspectives dans des domaines tels que la biomédecine, l'optique, l'électronique et l'environnement, et devrait provoquer une révolution disruptive dans le domaine des semi-conducteurs, devenant le matériau fondamental pour les circuits et supercalculateurs de prochaine génération.

Dans le contexte d'une recherche continue et approfondie sur les matériaux en graphite, des matériaux à base de graphite plus innovants et à hautes performances-performances{{2} devraient émerger à l'avenir, jouant un rôle important dans la promotion du développement industriel, l'amélioration de l'efficacité énergétique et la protection de l'environnement. Les recherches actuelles indiquent que la qualité du graphite naturel affecte directement les performances et le champ d'application des nouveaux matériaux préparés à partir de celui-ci. Plus la qualité et la pureté du graphite naturel sont élevées, plus les avantages dans la préparation de nouveaux matériaux sont grands. À l'avenir, les domaines des nouvelles énergies, des nouveaux matériaux, de l'industrie de la défense nationale et de l'aérospatiale, qui utilisent des matériaux en graphite de pointe, auront une demande accrue de ressources en graphite de haute qualité. En tant que plus grande réserve et producteur de graphite naturel au monde, la Chine devrait continuer à approfondir ses efforts d'exploration du graphite, à utiliser de multiples méthodes pour rechercher de manière exhaustive les minéraux profonds - et développer des ressources de haute - qualité, et s'appuyer sur cela, renforcer le développement et l'utilisation complets des ressources de graphite, améliorer les capacités de recherche et d'innovation technologique dans les domaines émergents et transformer les avantages des ressources de graphite en avantages de développement dans de nouveaux domaines, permettant ainsi le développement de nouvelles forces productives.