Graphite là gì: cấu trúc, gioăng chì chịu 450 đến 650 °C, áp 40 đến 140 bar và cấp hạt nhân

Graphite là gì? Graphite (than chì, grafit) là dạng thù hình của carbon gồm các lớp graphene xếp chồng, tỷ trọng 2,09 đến 2,23 g/cm³. Graphite giãn nở là graphite tự nhiên xử lý bằng axit rồi cán thành tấm, băng, vòng với 98 đến 99% carbon, làm gioăng chì chịu 450 °C trong không khí, 650 °C trong hơi nước và làm dây tết chèn.

Graphite là gì: cấu trúc lớp carbon

Mỗi nguyên tử carbon trong graphite liên kết sp² kiểu tổ ong với độ dài liên kết 0,142 nm, còn khoảng cách giữa hai lớp là 0,335 nm. Các lớp giữ nhau bằng lực van der Waals yếu nên trượt lên nhau dễ, đó là lý do graphite vừa bôi trơn vừa mềm dẻo khi giãn nở. Bảng dưới tóm mười đặc điểm cấu trúc và vật lý.

Đặc điểm	Giá trị	Ghi chú
Cấu trúc	Lớp graphene xếp chồng	Mỗi lớp là mạng carbon tổ ong
Liên kết trong lớp	sp², dài 0,142 nm	Liên kết cộng hóa trị bền
Khoảng cách hai lớp	0,335 nm	Giữ bằng lực van der Waals yếu
Dạng alpha	Lục giác, xếp ABA	Dạng bền
Dạng beta	Mặt thoi, xếp ABC	Kém bền
Tỷ trọng graphite	2,09 đến 2,23 g/cm³	Graphite dạng khối
Oxy hóa dạng khối	Từ khoảng 700 °C	Thành CO2 khi có oxy
Carbon trong tấm gioăng	98 đến 99%	Graphite giãn nở
Tỷ trọng lớp graphite giãn nở	1,0 g/cm³	Lớp 1,2 g/cm³ ở tấm có lá inox phẳng
Tỷ trọng vòng ép khuôn	1,4 g/cm³	Nặng hơn tấm

Con số 700 °C chỉ đúng cho graphite dạng khối. Tấm graphite làm kín có giới hạn thấp hơn là 450 °C do hãng ghi, và khi chọn gioăng thì dùng số của hãng.

Graphite là gì theo nguồn gốc: tự nhiên và nhân tạo

Graphite tự nhiên chia ba loại: vô định hình từ than đá biến chất nhiệt, dạng vảy từ đá biến chất giàu carbon và dạng khối từ mạch biến chất cao. Sản lượng năm 2016 đạt 1.200.000 tấn, riêng Trung Quốc 780.000 tấn, khoảng 65%. Graphite nhân tạo làm từ coke dầu mỏ cộng hắc ín nung không có oxy.

Loại	Nguồn gốc	Hàm lượng carbon (%)
Tự nhiên, vô định hình	Than đá biến chất nhiệt	Khoảng 25 đến 80% (tham khảo)
Tự nhiên, dạng vảy	Đá biến chất giàu carbon	Khoảng 80 đến 98% (tham khảo)
Tự nhiên, mạch hay khối	Mạch biến chất cao	Khoảng 90 đến 99% (tham khảo)
Nhân tạo	Coke dầu mỏ + hắc ín, nung trên 2.800 °C (Hatch) hoặc trên 2.100 °C (quy trình Acheson)	Trên 99,9%
Giãn nở (flexible graphite) cho gioăng	Graphite vảy xử lý axit crom rồi axit sunfuric đặc, giãn lớp, cán tấm	98 đến 99% (Teadit tối thiểu 98%; Flexitallic 98%; Klinger PSM 99,0%)

Graphite là gì khi giãn nở: gioăng chì, vòng chì và dây tết chèn

Graphite giãn nở dùng làm gioăng nhiệt độ cao và lớp ghép của dây tết chèn van. Kho nhập tấm gioăng chì graphite dày 0,5; 1; 1,5; 2; 3 mm, khổ 1000 x 1000 và 1500 x 1500 mm, cùng vòng chì graphite nén, băng graphite và dây tết chèn graphite.

Tấm có ba kiểu cốt: không cốt; lá inox 316 phẳng dày 0,05 mm (Flexitallic RGS 4); lá inox 316 đục gai dày 0,1 mm (Klinger PSM, Teadit 2663, James Walker T10X). Cốt đục gai chống thổi bật ở mặt bích. Áp tối đa tăng từ 40 bar lên 140 bar tùy cốt.

Loại cốt	Áp suất tối đa	Hãng / mác
Không cốt	40 bar	SGL Sigraflex Standard
Không cốt	50 bar	James Walker Supagraf Plain
Cốt inox đục gai	100 bar	SGL Sigraflex Universal
Cốt inox đục gai	102 bar	James Walker T10X
Cốt inox	140 bar	Garlock Graph-Lock
Cốt lá inox (RGS)	Tới class 600 / PN100	Flexitallic RGS

Graphite cũng là lớp đệm trong gioăng xoắn kim loại và gioăng kammprofile, nơi lõi kim loại chịu lực còn graphite làm kín.

Graphite chịu nhiệt bao nhiêu độ: trong không khí, hơi nước và khí trơ

Tấm graphite thông dụng chịu 450 °C trong không khí, 650 °C trong hơi nước, tới 3.000 °C trong khí trơ nếu không có lá kim loại. Loại có chất ức chế oxy hóa lên 500 đến 550 °C nhưng hãng yêu cầu hỏi lại khi trên 450 °C. Tấm có lá kim loại bị giới hạn theo kim loại đó.

Môi trường	Giới hạn (°C)	Hãng / mác
Không khí (oxy hóa)	450 °C	Teadit 2663; James Walker Supagraf Plain; Flexitallic Flexicarb LS
Không khí (oxy hóa)	454 °C	Garlock Graph-Lock
Không khí (oxy hóa)	370 °C	Flexitallic RGS
Không khí, có chất ức chế	500 °C / 550 °C	James Walker T10X / SGL Sigraflex
Hơi nước	650 °C	Teadit 2663/1663; Garlock Graph-Lock
Khí trơ, khử	3.000 °C (graphite); 700 °C (RGS 4, lá inox 316); 1.000 °C (RGS 1, lá nickel)	Teadit; Flexitallic
Nhiệt độ thấp nhất	-200 / -196 / -240 °C	Teadit / James Walker / Flexitallic LS và Garlock

Graphite là gì ở cấp hạt nhân: carbon, lưu huỳnh, clo

Graphite cấp hạt nhân tinh khiết hơn tấm gioăng thông dụng và giới hạn chặt lưu huỳnh, clo, halogen. Vòng Curtiss-Wright 6300J có carbon 99,5%, clo rửa trôi dưới 10 ppm; sợi SGL Sigraflex có carbon 99,8% và lưu huỳnh dưới 200 ppm. Thông dụng chỉ 98 đến 99% carbon.

Chỉ tiêu	Vòng Curtiss-Wright 6300J	Sợi SGL Sigraflex (rayon)	Tấm gioăng thông dụng
Carbon	99,5%	99,8%	98 đến 99%
Lưu huỳnh tổng	tối đa 450 ppm	dưới 200 ppm	không nêu
Clo / halogen	clo rửa trôi dưới 10 ppm	halogen tổng dưới 100 ppm	không nêu
Tro	không nêu	0,1%	không nêu
Tỷ trọng	vòng 90 lb/ft³; ruy-băng 70 lb/ft³	1,43 đến 1,46 g/cm³	lớp 1,0 g/cm³; 1,2 g/cm³ (RGS 4)
Nhiệt độ	-240 đến 524 °C	không nêu	450 °C không khí; 650 °C hơi nước
Đặc tả	GE D50YP12 Rev. 2	GE D50YP12, NEDC-31735P, MIL-P-24583B	không nêu

ASTM F2168 quy định các loại và cấp của graphite giãn nở cho gioăng. Giới hạn clo và lưu huỳnh ở bảng là của hai hãng, không phải của tiêu chuẩn.

Chọn graphite: khi nào hợp, khi nào không

Graphite giãn nở dùng được trong dải pH từ 0 đến 14, trừ chất oxy hóa mạnh như axit nitric đặc. Hợp với hơi nước nóng, dầu truyền nhiệt và khí nóng không oxy hóa mạnh. Mặt bích cần chống thổi bật thì chọn cốt inox đục gai.

• Không hợp: nhiệt độ trong không khí vượt 450 °C mà hãng không cho phép; loại ức chế oxy hóa 500 đến 550 °C phải hỏi lại hãng.
• Nhầm thường gặp: graphite có lá inox 316 không chịu 800 °C; số hãng cho loại này là 450 °C trong không khí và 700 °C trong khí trơ.
• Độ dày: tiêu chuẩn mặt bích không ấn định độ dày gioăng phẳng, nên chọn theo độ dày bán sẵn và mặt bích thực tế.
• Hàng đi kèm: gioăng chì thường dùng chung với phớt và dây chèn, xem bài seal là gì.

Số liệu trong bài theo tài liệu kỹ thuật của Curtiss-Wright và Hatch về graphite dẻo, cùng catalogue gioăng graphite của nhà sản xuất.

Câu hỏi thường gặp về graphite là gì