Графит: Көміртектің кристалдық түрі және оның қасиеттері

Графит – кристалл көміртегі, қарындаштарда, майлау материалдарында қолданылады. Табиғатта кездеседі, жоғары қысымда алмазға айналады. Қазақстанда да бар.

22 мин оқу

100%

Дереккөз: Graphite — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Көміртектің аллотропы, минерал, зат.

Графит (/ɡræfaɪt/) – көміртек элементінің кристалдық түрі. Ол графин қабаттарының үйіліп жатқан қабаттарынан тұрады. Графит табиғатта кездеседі және қалыпты жағдайларда көміртек ең тұрақты түрі болып табылады. Синтетикалық және табиғи графит кең көлемде (2022 жылы жылына 1,3 миллион метрикалық тонна) қарындаштар, майлау материалдары және электродтар жасау үшін қолданылады. Жоғары қысым мен температурада ол алмазға айналады. Ол жылуды және электр тогын жақсы (бірақ өте жақсы емес) өткізеді.

Синтетикалық графит

Синтетикалық графит (немесе жасанды графит) – графит емес көміртектің графиттелуі, көмірсутектерден химиялық бумен шөктіру арқылы жоғары температурада, термиялық тұрақсыз карбидтердің ыдырауы немесе көміртектің қаныққан металл балқымаларынан кристалдану арқылы алынған графиттік көміртектен тұратын материал.

Биографит

Biographite – литий, темір, фосфат (LEP) аккумуляторларының көміртегі іздерін азайтуға бағытталған коммерциялық өнім ұсынысы. Ол Жаңа Зеландиядағы компанияда орман шаруашылығы қалдықтары және ұқсас қосалқы өнімдерден термокаталитикалық графиттеу деп аталатын жаңа процестің көмегімен өндіріледі. Бұл жобаға Финляндиядағы орман шаруашылығы компаниясы және Гонконгтағы аккумулятор өндіруші сияқты мүдделі тараптардан гранттар түседі.

Пайда болуы

Графит метаморфикалық тау жыныстарында метаморфизм кезінде шөгінді көміртек қосылыстарының тотығуын азайту нәтижесінде кездеседі. Ол магмалық тау жыныстары мен метеориттерде де табылады. Метеориттерде графит троилит және силикат минералдарымен бірге кездеседі. Бұл минералдар Күн жүйесінің пайда болуына дейін қалыптасқан, сондай-ақ молекулалық бұлттарда да анықталған, белгілі 12 минералдың бірі. Бұл минералдар суперновалар жарылғанда немесе орташа өлшемдегі жұлдыздар өмірінің соңында сыртқы қабықтарын шығарып тастағанда пайда болған. Графит ғаламдағы екінші немесе үшінші ең көне минерал болуы мүмкін.

Құрылымы

Графит тригональды жазық көміртек қабаттарынан тұрады. Жеке қабаттары графен деп аталады. Әрбір қабатта көміртек атомдары 0,142 нм байланыс ұзындығы бар бал ұясы тәрізді торға орналасқан, ал қабаттар арасындағы қашықтық 0,335 нм құрайды. Қабаттар арасындағы байланыс салыстырмалы түрде әлсіз ван дер Ваальс байланыстары болып табылады және көбінесе газдармен толтырылған, бұл графенге ұқсас қабаттарды оңай бөлуге және бір-бірінің үстінен сығуға мүмкіндік береді. Сондықтан қабаттарға перпендикуляр электр өткізгіштігі шамамен 1000 есе төмен. Альфа (гексагональды) және бета (ромбоэдрлі) деп аталатын екі аллотроптық түрі бар, олар графен қабаттарының жиналуымен ерекшеленеді: альфа графиттегі жиналу ABA, ал энергетикалық тұрғыдан азырақ тұрақты бета графитте ABC жиналуына қарамастан. Ромбоэдрлі графит таза күйде кездеспейді, және бұл интенсивті ұнтақталу нәтижесі болуы мүмкін. Альфа түрін серпілу күштері арқылы бета түріне айналдыруға болады, ал бета түрі төрт сағат бойы 1300 °C-қа дейін қыздырылғанда альфа түріне қайта оралады.

Термодинамика

Графит пен алмаз арасындағы ауысудың тепе-теңдік қысымы мен температурасы теориялық және тәжірибелік тұрғыдан жақсы орнатылған. Қысым 0-де 1,7 және 5000-де 12 арасында сызықты түрде өзгереді (алмаз/графит/сұйық үштік нүкте). Дегенмен, фазалардың осы сызық бойында бірге өмір сүре алатын кең аймағы бар. Қалыпты температура мен қысымда көміртегінің тұрақты фазасы графит, ал алмаз метастабильді және графитке айналу жылдамдығы өте төмен. Бірақ, 4500 градустан жоғары температурада алмаз тез графитке айналады. Графитті алмазға жылдам түрлендіру үшін тепе-теңдік сызығынан жоғары қысым қажет: 2000 градуста 35 қысым талап етіледі. Графит электр өткізгіш, сондықтан доғалы шамдардың электродтары сияқты қолдануларда пайдалы. Ол көміртегі қабаттарындағы кең электрондық де локализация (ароматтылық деп аталатын құбылыс) арқасында электр тогын өткізе алады. Бұл валентті электрондар еркін қозғалады, сондықтан электр тогын өткізеді. Алайда, электр тогы негізінен қабаттардың жазықтығында өткізіледі. Ұнтақталған графиттің өткізгіштік қасиеттері оны көміртек микрофондарында қысым сенсоры ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Графит және графит ұнтағы өнеркәсіптік қолдануларда өздігінен майлау және құрғақ майлау қасиеттері үшін бағалы. Графиттің майлау қасиеттері құрылымдағы қабаттар арасындағы бос байланысқа ғана байланысты деген кең пікір бар. Алайда, вакуумдық ортада (мысалы, ғарыш технологияларында) графит гипоксиялық жағдайларға байланысты майлаушы ретінде бұзылады. Бұл байқау майлау қабаттар арасында ауа мен су сияқты қоршаған ортадан сіңірілген сұйықтықтардың болуына байланысты деген гипотезаға әкелді. Бұл гипотеза ауа мен судың сіңірілмейтінін көрсететін зерттеулермен жоққа шығарылды. Жақындағы зерттеулер графиттің майлау қасиеттерін супермайлаушылық деп аталатын әсер де түсіндіре алады. Графиттің қолданылуы кейбір тот баспайтын болаттарда шұғыл коррозияны жеңілдетуімен және әртүрлі металдар арасында гальвандық коррозияны ынталандыруымен (электр өткізгіштігіне байланысты) шектеледі. Ол сондай-ақ ылғалдың болуы кезінде алюминийге де коррозиялық әсер етеді. Осы себепті АҚШ Әуе күштері алюминий ұшақтарында майлау ретінде пайдалануға тыйым салды және алюминийі бар автоматты қаруларда оның қолданылуын ұсынбады. Алюминий бөлшектеріндегі графит қаламшалары да коррозияны жеңілдетуі мүмкін. Тағы бір жоғары температуралы майлаушы зат – гексагональды бор нитриді – графиттің молекулалық құрылымымен бірдей. Ол кейде ұқсас қасиеттері үшін ақ графит деп аталады. Егер көптеген кристаллографиялық ақаулар осы жазықтықтарды біріктірсе, графит майлау қасиеттерін жоғалтады және пиролиттік графит болады. Ол сондай-ақ өте анизотропты және диамагниттік, сондықтан ол күшті магниттің үстінде ауада жүзіп тұрады. (Егер ол 1000–1300 °C температурада сұйық қабатта жасалса, онда ол изотропты турбостратикалық болады және механикалық жүрек клапандары сияқты қанмен байланысатын құрылғыларда қолданылады және пиролиттік көміртек деп аталады, және диамагниттік емес.) Пиролиттік графит пен пиролиттік көміртек көбінесе шатастырылады, бірақ олар өте әртүрлі материалдар. Табиғи және кристалдық графиттер олардың қиылыс жазықтығы, сынуға бейімділігі және тұрақсыз механикалық қасиеттеріне байланысты құрылымдық материалдар ретінде таза түрде жиі қолданылмайды.

The equilibrium pressure and temperature conditions for a transition between graphite and diamond is well established theoretically and experimentally. The pressure changes linearly between 1.7 at 0 and 12 at 5000 (the diamond/graphite/liquid triple point). However, the phases have a wide region about this line where they can coexist. At normal temperature and pressure, and , the stable phase of carbon is graphite, but diamond is metastable and its rate of conversion to graphite is negligible. However, at temperatures above about 4500, diamond rapidly converts to graphite. Rapid conversion of graphite to diamond requires pressures well above the equilibrium line: at 2000, a pressure of 35 is needed. Graphite is an electrical conductor, hence useful in such applications as arc lamp electrodes. It can conduct electricity due to the vast electron delocalization within the carbon layers (a phenomenon called aromaticity). These valence electrons are free to move, so are able to conduct electricity. However, the electricity is primarily conducted within the plane of the layers. The conductive properties of powdered graphite allow its use as pressure sensor in carbon microphones. Graphite and graphite powder are valued in industrial applications for their self lubricating and dry lubricating properties. There is a common belief that graphite's lubricating properties are solely due to the loose interlamellar coupling between sheets in the structure. However, it has been shown that in a vacuum environment (such as in technologies for use in space), graphite degrades as a lubricant, due to the hypoxic conditions. This observation led to the hypothesis that the lubrication is due to the presence of fluids between the layers, such as air and water, which are naturally adsorbed from the environment. This hypothesis has been refuted by studies showing that air and water are not absorbed. Recent studies suggest that an effect called superlubricity can also account for graphite's lubricating properties. The use of graphite is limited by its tendency to facilitate pitting corrosion in some stainless steel, and to promote galvanic corrosion between dissimilar metals (due to its electrical conductivity). It is also corrosive to aluminium in the presence of moisture. For this reason, the US Air Force banned its use as a lubricant in aluminium aircraft, and discouraged its use in aluminium containing automatic weapons. Even graphite pencil marks on aluminium parts may facilitate corrosion. Another high temperature lubricant, hexagonal boron nitride, has the same molecular structure as graphite. It is sometimes called white graphite, due to its similar properties. When a large number of crystallographic defects bind these planes together, graphite loses its lubrication properties and becomes what is known as pyrolytic graphite. It is also highly anisotropic, and diamagnetic, thus it will float in mid air above a strong magnet. ([However] If it is made in a fluidized bed at 1000–1300 °C then it is isotropic turbostratic, and is used in blood contacting devices like mechanical heart valves and is called pyrolytic carbon, and is not diamagnetic. Pyrolytic graphite and pyrolytic carbon are often confused but are very different materials.) Natural and crystalline graphites are not often used in pure form as structural materials, due to their shear planes, brittleness, and inconsistent mechanical properties.

Табиғи графитті пайдалану тарихы

Біздің заманымыздан бұрынғы 4 мыңжылдықта, Оңтүстік-Шығыс Еуропадағы неолит дәуірінде Марица мәдениеті қыш ыдыстарды безендіру үшін графитті керамикалық бояуды пайдаланған. 1565 жылға дейін (кейбір дереккөздер 1500 жыл деседі) Англияның Камбрия графтығындағы Борроудейл ауданындағы Сеатхвейт ауылынан Грей-Кноттсқа қарай жолда үлкен графит кені табылды. Жергілікті тұрғындар оны қойларды белгілеу үшін пайдалы деп тапты. Елизавета I (1558–1603) тұсында Бороудейл графиті зеңбірек доптарының қалыптарын қаптауға қолданылатын отқа төзімді материал ретінде пайдаланылды, нәтижесінде дөңгелек және тегіс доптар алысқа атылатын болды, бұл ағылшын теңіз күшінің артуына септі. Бұл графит кені өте таза және жұмсақ болғандықтан, оны оңайша таяқтарға кесіп алуға болатын. Әскери маңызы жоғары болғандықтан, бұл ерекше кен орны мен оның өндірісі Корольдік билік тарапынан қатаң бақылауда болды. 19 ғасырда графиттің қолданылуы кеңейіп, пешті жылтырату, майлау, бояу, тигельдер, құйма қалыптар және қарындаштарды қамтыды, бұл халыққа білім берудің алғашқы өркендеу кезеңінде білім беру құралдарының кеңеюіне үлкен үлес қосты. Британ империясы әлемдік өндірістің көп бөлігін (әсіресе Цейлоннан) бақылады, бірақ ғасырдың ортасына қарай Австрия, Германия және Америка кен орындарынан өндіріс көбейді. Мысалы, 1845 жылы Джозеф Диксон мен Орест Кливленд құрған «Диксон Круцибл» компаниясы (Нью-Джерси штаты, Джерси-Сити) Нью-Йорктің Тикондерога көліндегі кендерде шахталар ашып, онда өңдеу орнатын және Нью-Джерсиде қарындаштар, тигельдер және басқа да өнімдерді өндіру зауытын салды. Бұл туралы «Инженерлік және тау-кен журналы» 1878 жылғы 21 желтоқсанда жариялады. «Диксон» қарындаштары әлі де өндірісте. Графит өндірісімен байланысты революциялық көбікті флотация процесінің бастауы осы кезде болды. «Диксон Круцибл» компаниясы туралы «E&MJ» мақаласында графитті өндірудің көне процесінде қолданылатын «көбікті резервуарлардың» суреті келтірілген. Графит өте жеңіл болғандықтан, графит пен қалдықтардың қоспасы су резервуарларының соңғы сериясынан өтті, онда таза графит «көтеріліп», қалдықтар төмен түсті. 1877 жылғы патентте Германияның Дрезден қаласындағы Бессель ағайындылары (Адольф және Август) бұл «көтерілу» процесін бір қадам алға жылжытып, резервуарларға аздаған мөлшерде май қосып, қоспаны қайнатып, графитті жинау үшін қопару немесе көбік пайдаету кезеңін енгізді – болашақ флотация процесінің алғашқы қадамдары. Адольф Бессел неміс кенінен графиттің қалпына келтірілуін 90%-ға дейін арттырған патенттелген процесі үшін Волер медалін алды. 1977 жылы Германияның тау-кен инженерлері мен металлургтары қоғамы олардың жаңалығына арналған арнайы симпозиум ұйымдастырды, сонымен қатар флотацияның 100 жылдығын атап өтті. АҚШ-та 1885 жылы Филадельфиялық Хизекия Брэдфорд осыған ұқсас процесті патенттеді, бірақ оның процесі 1890 жылдары ірі өндіруші болған Пенсильвания штатының Честер округіндегі жақын маңдағы графит кен орындарында табысты қолданылғаны белгісіз. Бессель процесінің қолданылуы шектеулі болды, себебі әлемнің түкпір-түкпірінен табылған тазалаушы кен орындарының көптігі, олардан таза графитті жинау үшін тек қолмен сұрыптау ғана қажет болды. 1900 жыл шамасындағы жағдай Канаданың Тау-кен департаментінің графит кендері мен тау-кен өнеркәсібі туралы баяндамасында сипатталған, осы кезде Канада кен орындары графиттің маңызды өндірушілеріне айнала бастады.

In the 4th millennium BCE, during the Neolithic Age in southeastern Europe, the Marița culture used graphite in a ceramic paint for decorating pottery. Sometime before 1565 (some sources say as early as 1500), an enormous deposit of graphite was discovered on the approach to Grey Knotts from the hamlet of Seathwaite in Borrowdale parish, Cumbria, England, which the locals found useful for marking sheep. During the reign of Elizabeth I (1558–1603), Borrowdale graphite was used as a refractory material to line molds for cannonballs, resulting in rounder, smoother balls that could be fired farther, contributing to the strength of the English navy. This particular deposit of graphite was extremely pure and soft, and could easily be cut into sticks. Because of its military importance, this unique mine and its production were strictly controlled by the Crown. During the 19th century, graphite's uses greatly expanded to include stove polish, lubricants, paints, crucibles, foundry facings, and pencils, a major factor in the expansion of educational tools during the first great rise of education for the masses. The British Empire controlled most of the world's production (especially from Ceylon), but production from Austrian, German, and American deposits expanded by mid century. For example, the Dixon Crucible Company of Jersey City, New Jersey, founded by Joseph Dixon and partner Orestes Cleveland in 1845, opened mines in the Lake Ticonderoga district of New York, built a processing plant there, and a factory to manufacture pencils, crucibles and other products in New Jersey, described in the Engineering & Mining Journal 21 December 1878. The Dixon pencil is still in production. The beginnings of the revolutionary froth flotation process are associated with graphite mining. Included in the E&MJ article on the Dixon Crucible Company is a sketch of the "floating tanks" used in the age old process of extracting graphite. Because graphite is so light, the mix of graphite and waste was sent through a final series of water tanks where a cleaner graphite "floated" off, which left waste to drop out. In an 1877 patent, the two brothers Bessel (Adolph and August) of Dresden, Germany, took this "floating" process a step further and added a small amount of oil to the tanks and boiled the mix – an agitation or frothing step – to collect the graphite, the first steps toward the future flotation process. Adolph Bessel received the Wohler Medal for the patented process that upgraded the recovery of graphite to 90% from the German deposit. In 1977, the German Society of Mining Engineers and Metallurgists organized a special symposium dedicated to their discovery and, thus, the 100th anniversary of flotation. In the United States, in 1885, Hezekiah Bradford of Philadelphia patented a similar process, but it is uncertain if his process was used successfully in the nearby graphite deposits of Chester County, Pennsylvania, a major producer by the 1890s. The Bessel process was limited in use, primarily because of the abundant cleaner deposits found around the globe, which needed not much more than hand sorting to gather the pure graphite. The state of the art, c. 1900, is described in the Canadian Department of Mines report on graphite mines and mining when Canadian deposits began to become important producers of graphite.

Басқа атаулары

Тарихи тұрғыдан графит қара қорғасын немесе пломбаго деп аталған. Плумбаго көбінесе оның массивті минералды түрінде қолданылған. Бұл екі атаудың да себебі, сыртқы түрі ұқсас қорғасын кендерімен, әсіресе галенамен шатасу болды. Латын тіліндегі қорғасынды білдіретін "plumbum" сөзі, осы сұр, металл жылтырлы минералға, тіпті осы түсті гүлдері бар plumbago (қорғасын гүлі) өсімдігіне ағылшын тіліндегі атауын берді. "Қара қорғасын" термині көбінесе ұнтақталған немесе өңделген графитке, матовый қара түсті графитке қатысты қолданылады. Абрахам Готтлоб Вернер 1789 жылы графитке ("жазу тасы") деген атау берді. Карл Вильгельм Шеле 1778 жылы молибден, пломбаго және қара қорғасын кем дегенде үш түрлі минерал екенін дәлелдегеннен кейін, Вернер осы шатасуды жоюға тырысты. Шеленің талдауы, молибден сульфиді (молибденит), қорғасын(II) сульфиді (галена) және графит – үш түрлі жұмсақ қара минерал екенін көрсетті.

Табиғи графиттің қолданылуы

Табиғи графит көбінесе отқа төзімді материалдар, аккумуляторлар, болат өндірісі, кеңейтілген графит, тежегіш қаптамалары, құйма қалыптары және майлау материалдары үшін қолданылады. Графиттің жоғары жылу өткізгіштігі пештің түбі мен ошағының тиісті салқындатылуын қамтамасыз ету үшін өте маңызды. Жоғары тазалықтағы монолиттер көбінесе көміртекті магнезит кірпіштерінің орнына үздіксіз пеш қаптамасы ретінде қолданылады. АҚШ және Еуропаның отқа төзімді материалдар индустриясы 2000–2003 жылдары дағдарысқа ұшырады, болат нарығының әлсіздігі және болаттың әр тоннасына отқа төзімді материалдардың азаюы фирмаларды сатып алулар мен көптеген зауыттардың жабылуына әкелді. Көптеген зауыттардың жабылуына RHI AG компаниясының Harbison Walker Refractories компаниясын сатып алуы себеп болды, ал кейбір зауыттардың жабдықтары аукционға сатылды. Жоғалған қуаттың көп бөлігі көміртекті магнезит кірпіштеріне қатысты болғандықтан, отқа төзімді материалдар саласындағы графит тұтынуы алюминий-графит нысандары мен монолиттерге қарай, кірпіштен алысқа жылды. Қазіргі уақытта көміртекті магнезит кірпіштерінің негізгі көзі – Қытай. Жоғарыда аталған отқа төзімді материалдардың басым бөлігі болат өндірісінде қолданылады және отқа төзімді материалдар тұтынуының 75% құрайды, ал қалғаны цемент сияқты түрлі салаларда қолданылады. USGS мәліметтері бойынша, 2010 жылы АҚШ-та отқа төзімді материалдарда қолданылған табиғи графит 12 500 тоннаны құрады. 1980-ші жылдардың соңы мен 1990-шы жылдардың басында никель-металл гидридті және литий-ионды аккумуляторларға деген сұраныс графитке деген сұраныстың өсуіне себеп болды, бұл өсімді портативті электроника, мысалы, портативті CD плеерлер мен электр құралдары итермеледі. Ноутбуктер, ұялы телефондар, планшеттер және смартфондар аккумуляторларға деген сұранысты арттырды. Электрлік көліктерге арналған аккумуляторлар графитке деген сұранысты одан әрі арттыруы күтілуде. Мысалы, толыққанды электрлік Nissan Leaf көлігінің литий-ионды аккумуляторында шамамен 40 кг графит бар. Ядролық реакторлардан алынған радиоактивті графит аз қуатты қолданулар үшін электр энергиясының көзі ретінде зерттелді. Бұл қалдықтар көміртек-14-ке бай, ол бета-ыдырау арқылы электрондарды шығарады, сондықтан оны бета-вольтты құрылғының негізі ретінде пайдалануға болады. Бұл тұжырымдама "алмаз аккумулятор" деп белгілі.

Natural graphite is mostly used for refractories, batteries, steelmaking, expanded graphite, brake linings, foundry facings, and lubricants. where the high thermal conductivity of the graphite is critical to ensuring adequate cooling of the bottom and hearth of the furnace. High purity monolithics are often used as a continuous furnace lining instead of carbon magnesite bricks. The US and European refractories industry had a crisis in 2000–2003, with an indifferent market for steel and a declining refractory consumption per tonne of steel underlying firm buyouts and many plant closures. Many of the plant closures resulted from the acquisition of Harbison Walker Refractories by RHI AG and some plants had their equipment auctioned off. Since much of the lost capacity was for carbon magnesite brick, graphite consumption within the refractories area moved towards alumina graphite shapes and Monolithics, and away from the brick. The major source of carbon magnesite brick is now China. Almost all of the above refractories are used to make steel and account for 75% of refractory consumption; the rest is used by a variety of industries, such as cement. According to the USGS, US natural graphite consumption in refractories comprised 12,500 tonnes in 2010. The demand for batteries, primarily nickel–metal hydride and lithium ion batteries, caused a growth in demand for graphite in the late 1980s and early 1990s – a growth driven by portable electronics, such as portable CD players and power tools. Laptops, mobile phones, tablets, and smartphone products have increased the demand for batteries. Electric vehicle batteries are anticipated to increase graphite demand. As an example, a lithium ion battery in a fully electric Nissan Leaf contains nearly 40 kg of graphite. Radioactive graphite removed from nuclear reactors has been investigated as a source of electricity for low power applications. This waste is rich in carbon 14, which emits electrons through beta decay, so it could potentially be used as the basis for a betavoltaic device. This concept is known as the diamond battery.

Графиттік анод материалдары

Графит – бүгінгі күні литий-ионды аккумуляторларда қолданылатын басты анодтық материал. Электромобильдердің аккумуляторлары төрт негізгі компоненттен тұрады: анод, катод, электролит және сепаратор. Катод материалдарына – литий, никель, кобальт, марганец сияқты элементтерге көп назар аударылса да, барлық дерлік электромобиль аккумуляторларында басты анодтық материал ретінде графит қолданылады.

Болат жасау

Болат өндірісінде табиғи графит көбінесе балқытылған болаттағы көміртегінің мөлшерін арттыру үшін қолданылады; сонымен қатар, ол ыстық болатты сығуға арналған қалыптарды майлауға да пайдаланылуы мүмкін. Көміртегін арттырушы заттар синтетикалық графит ұнтағы, мұнай коксы және көміртегінің басқа түрлері сияқты баламалармен бәсекелестік бағаға тап болады. Болаттың көміртегі мазмұнын белгілі бір деңгейге жеткізу үшін көміртегін арттырушы қосылады. USGS графит тұтыну статистикасына сүйенсек, 2005 жылы АҚШ-тағы болат өндірушілер осы мақсатта 10 500 тонна графит қолданған.

Қарындаштар

Графиттің қағаз және басқа да заттарға із қалдыру қабілеті оған 1789 жылы неміс минералогі Абрахам Готтлоб Вернер есім қойды. Ол ежелгі грек тілінде «жазу» немесе «сурет салу» деген мағына беретін γράφειν ("graphein") сөзінен туындайды. 16 ғасырдан бастап барлық қарындаштар ағылшын табиғи графитінен жасалған, бірақ қазіргі қарындаштардың құрамында көбінесе ұнтақталған графит пен саз қоспасы болады; оны 1795 жылы Николя Жак Конте ойлап тапты. Ол химиялық тұрғыдан металл қорғасынмен байланысты емес, оның кендері сыртқы түрі жағынан ұқсас болғандықтан, есімдемесі сақталған. Плумбаго – сурет салуға қолданылатын табиғи графиттің тағы бір ескі атауы, әдетте ағаш қаптамасы жоқ минералдың кесегі түрінде қолданылады. «Плумбаго суреті» термині көбінесе 17 және 18 ғасырлардағы туындылармен, әсіресе портреттермен шектеледі. Бүгінде қарындаштар табиғи графит үшін шағын, бірақ маңызды нарық болып табылады. 2011 жылы өндірілген 1,1 миллион тонна графиттің шамамен 7% қарындаш жасауға жұмсалды. Ол үшін негізінен Қытайдан алынатын төмен сапалы аморфты графит пайдаланылады. Графиттің әртүрлі қаттылығы мен жұмсақтығы көркемдік құрал ретінде қолданғанда әртүрлі сапа мен түстерді қамтамасыз етеді.

Қамыс ағашы дербиі

Графит, мүмкін, пиневуд дербилерінде ең көп қолданылатын майлау материалы болар.

Басқа қолданыстар

Табиғи графит мырыш-көміртек батареяларында, электр моторларының щеткаларында және түрлі арнайы қолданыстарда пайдаланылады. Теміржолдар көбінесе ұнтақталған графитті қалдық май немесе зығыр майымен араластырып, бу локомотиві қазандығының ашық жатқан бөліктеріне, мысалы, түтін камерасына немесе оттық камерасының төменгі жағына, жылуға төзімді қорғау жабыны жасаған. "Скоп" лездемесі графит ұшын жылыту элементі ретінде қолданады.

Кеңейтілген графит

Кеңейтілген графит табиғи қабатты графитті хромо қышқылына батырып, содан кейін шоғырланған күкірт қышқылына салу арқылы жасалады, бұл кристалл торлардың қабаттарын бөліп, графитті кеңейтеді. Кеңейтілген графиттен графит фольга жасауға болады немесе оны "қыздыру төбесі" ретінде балқыған металды қорғауға, ыстық шойын құймаларын жылу шығысынан сақтауға тікелей қолдануға болады, сондай-ақ өрт есігінің айналасына орнатылатын немесе пластик құбырларды қоршаған металл жағалауларына салынатын өрт тоқтату құрылғысы ретінде де қолданылады (өрт кезінде графит кеңейіп, көмірленеді, өрттің таралуын тоқтатады), немесе жоғары температурада қолдануға арналған жоғары өнімді тығын материалдарын жасауға қолданылады. Графит фольга жасалғаннан кейін, фольга өңделіп, отын жасушаларындағы биполярлық пластиналарға жиналады. Фольга ноутбуктерді салқындатып, салмақты азайтатын жылу таратушыларға айналады, сондай-ақ клапанды тығындарда немесе тығындарда қолдануға болатын фольга ламинатына айналады. Ескі үлгідегі тығындар қазір осы топтың шағын бөлігін құрайды: жылуға төзімділік қажеттіліктері үшін майлар мен майлардағы ұсақ қабатты графит. GAN бағалауынша, АҚШ-тың осы мақсаттағы қазіргі табиғи графит тұтынуы 7500 тоннаны құрайды. Графиттің литий иондарын ісінудің айтарлықтай зақымдануынсыз араластыру қабілеті оны литий-ионды аккумуляторлардағы басты анод материалы етеді.

Синтетикалық графит өндіру процесінің ашылуы

1893 жылы Ле Карбоннан Чарльз Стрит жасанды графит жасау процесін ашты. 1890-жылдардың ортасында Эдвард Гудрих Ачесон (1856–1931) карборунды (силиций карбиді деп те аталады) синтездегеннен кейін синтетикалық графит өндірудің тағы бір жолын кездейсоқ түрде ойлап тапты. Ол карборунды ыстыққа шалдыққанда, таза көміртекке қарағанда, дерлік таза графит түзілетінін анықтады. Карборунды жоғары температураның әсерін зерттегенде, кремний шамамен 0,7 °C-та буланып, көміртек графиттік көміртек түрінде қалады екенін байқады. Бұл графит майлау материал ретінде бағалы болды және 1897 жылы оны коммерциялық түрде өндіруге кірісті.

Ғылыми зерттеулер

Жоғары бағдарланған пиролитті графит (HOPG) – графиттің ең жоғары сапалы синтетикалық түрі. Ол ғылыми зерттеулерде, әсіресе сканерлік зондтық микроскоптарды калибрлеу үшін ұзындық стандарты ретінде қолданылады.

Электродтар

Графит электроды металл қалдықтары мен болатты, кейде тікелей қалпына келтірілген темірді (DRI) электр доғалы пештерде қыздыруға қажетті электр тогын жеткізеді. Бұл пештер болат өндірісінің басым бөлігін құрайды. Олар мұнай коксы мен көмір шайырының қоспасынан жасалады. Содан кейін оларға форма беріліп, байланыстырушы затты (шайыры) карбондау үшін қыздырылады. Нәтижесінде, көміртек атомдары графит құрылымын қалыптастыру үшін жоғары температураға дейін қыздырылады. Электродтардың ұзындығы мен диаметрі әртүрлі болуы мүмкін. Бүкіл әлемде өндірілетін болаттың үлесі электр доғалы пештерде өндірілуде, ал электр доғалы пештердің тиімділігі артып, электродтың бір тоннасына көбірек болат өндіруге мүмкіндік береді. USGS деректеріне сүйенсек, 2005 жылы графит электродтарының тұтыну көлемі құрады.

Ұнтақ және қалдықтар

Ұнтақ мұнай коксын графиттену температурасынан жоғары қыздыру арқылы жасалады, кейде шағын өзгерістермен. Графит қалдықтары пайдаланылмайтын электрод материалынан (өндіріс кезеңінде немесе қолданылғаннан кейін) және токарлық кескіштерден, әдетте ұсатылғаннан және өлшемделгеннен кейін алынады. Синтетикалық графит ұнтағының көп бөлігі болаттағы көміртектің мөлшерін арттыруға (табиғи графитпен бәсекелеседі) жұмсалады, ал қалғаны батареялар мен тежегіш қаптамаларында қолданылады. АҚШ Геологиялық қызметінің мәліметтері бойынша, 2001 жылы (соңғы деректер) АҚШ-та синтетикалық графит ұнтағы және қалдықтары өндірілді. Сондай-ақ, олар ядролық реакторларда матрица және нейтрондық тежегіш ретінде қолданылады. Оның төмен нейтрондық қимасы оны жоспарланған термоядролық реакторларда қолдануға да ыңғайлы. Реакторлық сападағы графитте борон сияқты, коммерциялық графит шоғырландыру жүйелерінде тұқымдық электрод ретінде кеңінен қолданылатын нейтрондарды сіңіретін материалдардың болмауына көз жеткізу керек. Осы себепті екінші дүниежүзілік соғыста немістердің графит негізіндегі ядролық реакторлары сәтсіздікке ұшырады. Олар қиындықты анықтай алмағандықтан, әлдеқайда қымбат ауыр су тежегіштерін пайдалануға мәжбүр болды. Ядролық реакторларда қолданылатын графитке көбінесе ядролық графит деп аталады. Берклиде білім алған Герберт Г. Макферсон, Union Carbide компаниясының National Carbon бөлімшесінің физигі, Лео Силардтың боронның тіпті "таза" графиттегі қоспалары U-235 тізбекті реакциясын бұзатын графиттегі нейтронды сіңіру қимасына жауапты деген болжамын растауда маңызды рөл атқарды. Макферсон графиттегі қоспалардың бар екенін білген, себебі Техниколорды кинематографияда пайдаланғанда, кинопроекторлардағы графит электродтарының спектрі экранда терінің жылы түстерін көрсету үшін қызыл аймақтағы жарық шығаруды күшейту үшін қоспаларды қажет етті. Осылайша, егер түсті фильмдер болмаса, алғашқы тұрақты табиғи U тізбекті реакциясы ауыр сумен тежелген реакторды қажет еткен болар еді.

Басқа қолданыстар

Графит (көміртек) талшықтары мен көміртек нанотұбырлары көміртек талшығымен нығайтылған пластмассаларда және көміртекті көміртекті (RCC) сияқты жылуға төзімді композиттерде де қолданылады. Көміртекті графит композиттерінен жасалған коммерциялық өнімдерге балық аулауға арналған қамыстар, гольф клубының саптары, велосипед рамалары, спорттық автомобильдердің корпусының панельдері, Boeing 787 Dreamliner ұшағының фюзеляжы және бильярд таяқшалары жатады, сондай-ақ темірбетон конструкцияларында да сәтті қолданылған. Көміртек талшығымен нығайтылған пластикалық композиттердің және сұр құйма темірдің механикалық қасиеттері графиттің осы материалдардағы атқаратын рөліне күшті байланысты. Осы ретте, "(100%) графит" термині көбінесе көміртекті нығайту және шайырдың таза қоспасын білдіреді, ал "композит" термині қосымша құрауыштармен жабдықталған композиттік материалдар үшін қолданылады. Қазіргі заманғы түтінсіз ұнтақ графитпен қапталып, статикалық зарядтың жиналуын болдырмайды. Графит кем дегенде үш радарды сіңіретін материалдың құрамында қолданылған. Ол Sumpf және Schornsteinfeger құрамындағы резеңкемен араластырылып, U қайықтарының шнорхельдерінде радарлық көрінуін азайту үшін пайдаланылған. Сонымен қатар, ол F 117 Nighthawk стелс шабуылдық истребительдерінің алғашқы плиткаларында қолданылған. Графиттік композиттер жоғары энергиялы бөлшектерді сіңіруге қолданылады, мысалы, Ұлы адрондық коллайдердегі сәуле тоқтату құрылымында. Графит таяқшалары пішінделген кезде, ыстық балқытылған шыныны өңдеу үшін шыны өңдеуде құрал ретінде қолданылады.

Графитті өндіру, өңдеу және ұнтақтау

Графит ашық және жер асты әдістерімен өндіріледі. Графитке көбінесе байыту қажет. Бұл жұмыс қолмен тастарды (гангіні) іріктеп, өнімді қолмен сүзіп немесе тасты ұнтақтап, графитті бөліп алу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Флотaция арқылы байыту графиттің өте жұмсақ болғандықтан және гангі бөлшектерін "белгілеп" (жабыстырып) қою қиындығына байланысты күрделі. Бұл "белгіленген" гангі бөлшектері графитпен бірге флотaцияланып, таза емес концентрат береді. Саудалық концентрат немесе өнім алудың екі жолы бар: концентратты тазарту үшін қайталап ұсақтау және флотaциялау (жеті ретке дейін) немесе гангіні гидрофтор қышқылымен (силикатты гангі үшін) немесе тұз қышқылымен (карбонатты гангі үшін) қышқылмен еріту. Ұнтақтау кезінде келіп түскен графит өнімдері мен концентраттары жіктеуден (өлшемдеуден немесе сүзуден) бұрын ұнтақталады, ірі ұсақталған фракциялар (8 тордан төмен, 8–20 тор, 20–50 тор) мұқият сақталады, содан кейін көміртек мазмұны анықталады. Әртүрлі фракциялардан белгілі бір ұсақталған өлшемге және көміртек мазмұнына ие стандартты қоспалар дайындалуы мүмкін. Белгілі бір ұсақталған өлшемге және көміртек мазмұнына қатысты талаптары бар жеке клиенттер үшін арнайы қоспалар да жасауға болады. Егер ұсақталған өлшемі маңызды болмаса, концентратты еркін ұнтақтауға болады. Типтік соңғы өнімдерге мұнай бұрғылауда және қорыту қалыптарына жабылатын материал ретінде қолданылатын ұсақ ұнтақ, болат өнеркәсібінде көміртекті көтеруші (синтетикалық графит ұнтағы және ұнтақталған мұнай кокссы да көміртекті көтеруші ретінде қолданылуы мүмкін) жатады. Графит өңдеу заводтарының қоршаған ортаға тигізетін әсеріне ауаның ластануы (жұмыскерлердің ұсақ бөлшектерге ұшырауы), сондай-ақ ұнтақ төгілуінен топырақтың ластануы және ауыр металдардың топыраққа сіңуі жатады. АҚШ Геологиялық қызметінің (USGS) мәліметтері бойынша, 2016 жылы табиғи графиттің әлемдік өндірісі 1,2 миллион тоннаны құрады, оның ішінде негізгі экспорттаушылар: Қытай (780 000 тонна), Үндістан (170 000 тонна), Бразилия (80 000 тонна), Түркия (32 000 тонна) және Солтүстік Корея (6 000 тонна). Қазіргі уақытта АҚШ-та графит өндірілмейді, бірақ Алабама, Монтана және Нью-Йорк штатының Адирондак тауларында көптеген тарихи кен орындары бар. Westwater Resources компаниясы Алабама штатының Силакога қаласына жақын орналасқан Coosa графит кеніші үшін пилоттық зауыт құру жұмыстарын жүргізуде. 2010 жылы АҚШ-та синтетикалық графит өндірісі 134 000 тоннаны құрады, оның құны 1,07 миллиард долларды құрады.

Graphite is mined by both open pit and underground methods. Graphite usually needs beneficiation. This may be carried out by hand picking the pieces of gangue (rock) and hand screening the product or by crushing the rock and floating out the graphite. Beneficiation by flotation encounters the difficulty that graphite is very soft and "marks" (coats) the particles of gangue. This makes the "marked" gangue particles float off with the graphite, yielding impure concentrate. There are two ways of obtaining a commercial concentrate or product: repeated regrinding and floating (up to seven times) to purify the concentrate, or by acid leaching (dissolving) the gangue with hydrofluoric acid (for a silicate gangue) or hydrochloric acid (for a carbonate gangue). In milling, the incoming graphite products and concentrates can be ground before being classified (sized or screened), with the coarser flake size fractions (below 8 mesh, 8–20 mesh, 20–50 mesh) carefully preserved, and then the carbon contents are determined. Some standard blends can be prepared from the different fractions, each with a certain flake size distribution and carbon content. Custom blends can also be made for individual customers who want a certain flake size distribution and carbon content. If flake size is unimportant, the concentrate can be ground more freely. Typical end products include a fine powder for use as a slurry in oil drilling and coatings for foundry molds, carbon raiser in the steel industry (Synthetic graphite powder and powdered petroleum coke can also be used as carbon raiser). Environmental impacts from graphite mills consist of air pollution including fine particulate exposure of workers and also soil contamination from powder spillages leading to heavy metal contamination of soil. According to the United States Geological Survey (USGS), world production of natural graphite in 2016 was 1,200,000 tonnes, of which the following major exporters are: China (780,000 t), India (170,000 t), Brazil (80,000 t), Turkey (32,000 t) and North Korea (6,000 t). Graphite is not currently mined in the United States, but there are many historical mine sites including ones in Alabama, Montana, and in the Adirondacks of NY. Westwater Resources is in the development stages of creating a pilot plant for their Coosa Graphite Mine near Sylacauga, Alabama. U. S. production of synthetic graphite in 2010 was 134,000 t valued at $1.07 billion.

Америка Құрама Штаттары

Жұмыс қауіпсіздігі және денсаулық сақтау басқармасы (OSHA) жұмыс орнындағы графитке қатысты заңмен белгіленген шектің (рұқсат етілген әсер ету шегі) 8 сағаттық жұмыс күнінде кубикалық футқа 15 миллион бөлшек (1,5 мг/м3) уақыт бойынша орташа мәнін (TWA) құрайтынын белгіледі. Ұлттық еңбек қауіпсіздігі және денсаулық сақтау институты (NIOSH) 8 сағаттық жұмыс күнінде 2,5 мг/м3 TWA тыныс алуға арналған шаңның ұсынылатын шекті мөлшерін белгіледі. Графит концентрациясы 1250 мг/м3 деңгейіне жеткенде, ол адам өмірі мен денсаулығы үшін дереу қауіпті болып табылады.

Графитті қайта өңдеу

Графитті қайта өңдеудің ең көп таралған тәсілі синтетикалық графит электродтарын өндіру кезінде бөліктер кесілгенде немесе токарлық айналымдар қайта пайдалану үшін тасталғанда, немесе электродтың (немесе басқа материалдардың) электрод ұстағышына дейін толық қолданылуы кезінде жүзеге асады. Жаңа электрод ескісінің орнына қойылады, бірақ ескі электродтың маңызды бөлігі қалады. Бұл ұсатылып, өлшемге келтіріледі, ал нәтижеде алынған графит ұнтағы көбінесе балқытылған болаттың көміртегі мазмұнын арттыру үшін қолданылады. Графиттен тұратын отқа төзімді материалдар кейде қайта өңделеді, бірақ көбінесе олардың графит мазмұны төмен болғандықтан қайта өңделмейді: көміртек-магнезит кірпіштері сияқты ең үлкен көлемдегі заттар, құрамында бар болғаны 15–25% графит болатын, әдетте қайта өңдеуге тұрарлық емес. Дегенмен, кейбір қайта өңделген көміртек-магнезит кірпіштері пешті жөндеу материалдарының негізі ретінде қолданылады, ал ұсақталған көміртек-магнезит кірпіштері шлак түзетушілерде пайдаланылады. Тигельдердің графит мазмұны жоғары болғанымен, пайдаланылған және қайта өңделген тигельдердің көлемі өте шағын. Болат өндірісінде алынатын киштен табиғи графитке ұқсас жоғары сапалы қабықты графит өнімін жасауға болады. Киш – негізгі оттегі пешіне жіберілетін балқытылған темірден алынатын, көбінесе балқытылған қалдық, ол графиттен (қандай да бір дәрежеде қаныққан темірден шөгіндірген), әкке бай шлактан және аздаған темірден тұрады. Темір осы орында қайта өңделеді, нәтижесінде графит пен шлақтың қоспасы қалады. Ең тиімді қалпына келтіру процесі гидравликалық жіктеуді (су ағынын пайдаланып минералдарды меншікті салмағы бойынша бөлу, графит жеңіл және соңғы кезекте шөгеді) қолданады, бұл 70% графиттен тұратын шикі концентрат алуға мүмкіндік береді. Бұл концентратты тұз қышқылымен өңдеу арқылы 10 торлы (2 мм) өлшемге дейін ұсатылған 95% графит өнімі алынады.

Графит технологияларында ғылыми-зерттеу және инновациялар

Әлем бойынша 2012 жылдан 2021 жылға дейін графит технологияларында 60 мыңнан астам патенттік отбасы тіркелді. Патенттерді 60-тан астам ел мен аймақтан келген өтініш берушілер берген. Дегенмен, графитке қатысты патенттік отбасылар негізінен бірнеше елден шыққан. Қытай 47 мыңнан астам патенттік отбасымен ең көп үлес қосты, соңғы он жылда әлемде тіркелген әрбір бес графит патенттік отбасының төртеуі осы елге тиесілі. Басқа дамыған елдердің қатарында Жапония, Корея Республикасы, АҚШ және Ресей Федерациясы бар. Бұл бес елдің барлығы графитке қатысты патенттік өнімнің 95 пайызын құрады. Графиттің әртүрлі түрлерінің ішінде, қабықты графитте ең көп патенттік отбасы тіркелді – 2012 жылдан 2021 жылға дейін бүкіл әлемде 5600-нан астам патент. Коммерциялық ұйымдар мен ғылыми-зерттеу институттарының белсенді зерттеулерінің нәтижесінде Қытай бұл графитті ең көп пайдаланатын ел және осы саладағы патенттік өтінімдердің 85 пайызын қамтамасыз етті. Сонымен қатар, жасанды графитті синтездеудің жаңа әдістерін және қолдануларын зерттеуге қатысты инновациялар әлемдік деңгейде қызығушылық тудырып, елдер осы қолдан жасалған материалдың артықшылықтарын пайдалануға және табиғи материалға тәуелділікті азайтуға тырысуда. Патенттеу қызметіне коммерциялық ұйымдар, әсіресе әлемдік аккумулятор өндірушілер мен анодтық материал жеткізушілер жетекшілік етеді, патенттік қызығушылық аккумулятор анодтарына бағытталған. 2012-2021 жылдар аралығында графит ішіндегі көміртек қабаттарын бөлуді қамтитын, ірі көлемдегі графиттің қабықтарын алу процесі жан-жақты зерттелді. Атап айтқанда, ультрадыбыстық және термиялық эксфолиация әлемде ең танымал екі тәсіл болды, тиісінше 4267 және 2579 патенттік отбасы тіркелді, бұл химиялық немесе электрохимиялық әдістерге қарағанда едәуір көп. Ультрадыбыстық эксфолиацияға қатысты патенттік белсенділік жылдар өте төмендеді, бұл төмен құнмен жасалатын бұл техниканың толыққанды дамығанын көрсетеді. Термиялық эксфолиация – салыстырмалы түрде жаңа процесс. Ультрадыбыстық эксфолиациямен салыстырғанда, бұл жылдам және еріткіш қолданбайтын термиялық әдіс коммерциялық қызығушылықты арттырды. Литий-ионды аккумуляторлар үшін ең көп қолданылатын анод материалы ретінде графит аккумуляторларда қолдану үшін бүкіл әлемде үлкен назар аударды. 2012 жылдан 2021 жылға дейін 8 мыңнан астам патенттік отбасы тіркелді, аккумуляторлардағы қолданылуы графитке қатысты жаһандық өнертабыстардың маңызды драйвері болды. Бұл саладағы инновацияларды аккумулятор өндірушілер немесе анод жеткізушілер жетекшілік етеді, олар графит анодының инновацияларына негізделген аккумулятордың өнімділігін жақсартуға бағытталған үлкен патенттік портфельдерді жинақтады. Өнеркәсіптік ойыншылардан басқа, академиялық және ғылыми-зерттеу мекемелері, әсіресе Қытай университеттері графит анод технологияларындағы инновациялардың маңызды көзі болды. 2012 жылдан 2021 жылға дейін полимерлерде қолдануға арналған графит инновациялардың ыстық тақырыбы болды, бүкіл әлемде 8 мыңнан астам патенттік отбасы тіркелді. Алайда, соңғы жылдары осы саладағы ең көп өтініш беруші елдерде, соның ішінде Қытай, Жапония және АҚШ-та патенттік өтініштер азайды. Керамика өндірісі үшін графит – тағы бір қарқынды зерттеу саласы, соңғы онжылдықта 6 мыңнан астам патенттік отбасы тіркелді. Атап айтқанда, отқа төзімді графит Қытайдағы керамикаға қатысты графит патенттік отбасыларының үштен бірінен астамын және әлемнің қалған бөлігінде бестен бірін құрады. Графиттің басқа да маңызды қолданылуларына электр және электроника, аэроғарыш және дәлдік инженерия, сондай-ақ әскери және ядролық қолданылу салалары үшін карбидтер сияқты жоғары құнды керамикалық материалдар жатады. Көміртекті щеткалар – графиттің ұзақ зерттелген қолданылу саласы. Соңғы онжылдықта бұл салада өнертабыстар азайып, 2012 жылдан 2021 жылға дейін 300-ден аз патенттік отбасы тіркелді, бұл 1992-2011 жылдар аралығындағы көрсеткіштен едәуір төмен. Биомедициналық, сенсорлық және өткізгіш сиялар – графиттің жаңадан пайда болатын қолданылу салалары, олар академиялық және коммерциялық ұйымдардың қызығушылығын тудырды, соның ішінде танымал университеттер мен көпұлтты корпорациялар. Жаңадан пайда болатын технологиялық салаға тәндей, байланысты патенттік отбасылар әртүрлі ұйымдармен тіркелді, бірақ ешбір ойыншы үстемдік танытпады. Нәтижесінде, ең көп өтініш берушілерде үлкен технологиялық жинақталмағандықтан және үлкен патенттік портфельдер болмағандықтан, өнертабыстардың саны аз. Бұл үш жаңадан пайда болатын саланың инновациялық бағыты жоғары шашыраңқы және тіпті бір өтініш беруші үшін де әртүрлі болуы мүмкін. Алайда, соңғы өнертабыстар графит наноматериалдарын, әсіресе графит нанокомпозиттерін және графенді пайдалануға бағытталған.

Globally, over 60,000 patent families in graphite technologies were filed from 2012 to 2021. Patents were filed by applicants from over 60 countries and regions. However, graphite related patent families originated predominantly from just a few countries. China was the top contributor with more than 47,000 patent families, accounting for four in every five graphite patent families filed worldwide in the last decade. Among other leading countries were Japan, the Republic of Korea, the United States and the Russian Federation. Together, these top five countries of applicant origin accounted for 95 percent of global patenting output related to graphite. Among the different graphite sources, flake graphite has the highest number of patent families, with more than 5,600 filed worldwide from 2012 to 2021. Supported by active research from its commercial entities and research institutions, China is the country most actively exploiting flake graphite and has contributed to 85 percent of global patent filings in this area. At the same time, innovations exploring new synthesis methods and uses for artificial graphite are gaining interest worldwide, as countries seek to exploit the superior material qualities associated with this man made substance and reduce reliance on the natural material. Patenting activity is strongly led by commercial entities, particularly world renowned battery manufacturers and anode material suppliers, with patenting interest focused on battery anode applications. The exfoliation process for bulk graphite, which involves separating the carbon layers within graphite, has been extensively studied between 2012 and 2021. Specifically, ultrasonic and thermal exfoliation have been the two most popular approaches worldwide, with 4,267 and 2,579 patent families, respectively, significantly more than for either the chemical or electrochemical alternatives. Global patenting activity relating to ultrasonic exfoliation has decreased over the years, indicating that this low cost technique has become well established. Thermal exfoliation is a more recent process. Compared to ultrasonic exfoliation, this fast and solvent free thermal approach has attracted greater commercial interest. As the most widespread anode material for lithium ion batteries, graphite has drawn significant attention worldwide for use in battery applications. With over 8,000 patent families filed from 2012 to 2021, battery applications were a key driver of global graphite related inventions. Innovations in this area are led by battery manufacturers or anode suppliers who have amassed sizable patent portfolios focused strongly on battery performance improvements based on graphite anode innovation. Besides industry players, academia and research institutions – Chinese universities, in particular – have been an essential source of innovation in graphite anode technologies. Graphite for polymer applications was an innovation hot topic from 2012 to 2021, with over 8,000 patent families recorded worldwide. However, in recent years, in the top countries of applicant origin in this area, including China, Japan and the United States of America (US), patent filings have decreased. Graphite for manufacturing ceramics represents another area of intensive research, with over 6,000 patent families registered in the last decade alone. Specifically, graphite for refractory accounted for over one third of ceramics related graphite patent families in China and about one fifth in the rest of the world. Other important graphite applications include high value ceramic materials such as carbides for specific industries, ranging from electrical and electronics, aerospace and precision engineering to military and nuclear applications. Carbon brushes represent a long explored graphite application area. There have been few inventions in this area over the last decade, with less than 300 patent families filed from 2012 to 2021, very significantly less than between 1992 and 2011. Biomedical, sensor, and conductive ink are emerging application areas for graphite that have attracted interest from both academia and commercial entities, including renowned universities and multinational corporations. Typically for an emerging technology area, related patent families were filed by various organizations without any players dominating. As a result, the top applicants have a small number of inventions, unlike in well explored areas, where they will have strong technology accumulation and large patent portfolios. The innovation focus of these three emerging areas is highly scattered and can be diverse, even for a single applicant. However, recent inventions are seen to leverage the development of graphite nanomaterials, particularly graphite nanocomposites and graphene.