Graphit
Neben Diamant und Fullerenen ist Graphit die dritte natürlich vorkommende Modifikation des Kohlenstoffs und aus technischer Sicht zugleich die bedeutendste. Graphit ist in einkristalliner Form durch eine ausgeprägte Anisotropie gekennzeichnet, die von seinen chemischen Bindungsverhältnissen herrührt. Die Kohlenstoffatome sind im Graphit in einer hexagonalen Schichtstruktur angeordnet. Innerhalb dieser Basalebenen oder Graphenschichten herrscht zwischen den Atomen eine extrem starke kovalente Bindung. Die parallel angeordneten Schichten sind dagegen untereinander nur sehr schwach gebunden. Dies führt zu einer sehr starken Anisotropie der mechanischen Eigenschaften, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit oder der Wärmedehnung. Auch das vom Bleistift her bekannte Abscheren der Graphenschichten gegeneinander und die damit verbundenen guten Schmiereigenschaften von Graphit rühren daher. Die außergewöhnlichen Eigenschaften von Graphit sind allerdings nicht nur dieser Anisotropie geschuldet, sondern auch der Stärke der Bindung innerhalb der Basalebenen. So zersetzt sich Graphit erst bei einer Temperatur von ca. 3800 °C und ist damit eines der temperaturbeständigsten Materialien überhaupt. In Kombination mit der geringen thermischen Ausdehnung zeigt Graphit deshalb eine exzellente Thermoschockbeständigkeit. Zudem weist Graphit eine hohe chemische Resistenz gegen Säuren, Basen und Schmelzen auf und lässt sich in höchster Reinheit erzeugen.
Auf Grund dieser besonderen Eigenschaften ist die Palette an Anwendungen von Graphit und Graphitwerkstoffen extrem breit. Diese reichen von Gleitlagern und Dichtungsringen über Heiz-Element und Tiegel für die Solarzellen- und Halbleiterindustrie, Kohlebürsten für Elektromotoren vom Staubsauger über den Bohrhammer bis zur Bahn, Komponenten für die Medizin-, die Mess- und Analysetechnik bis hin zu Bauteilen für die Reaktortechnik, um nur einige zu nennen.
Für diese Anwendungen wird überwiegend künstlich hergestellter polykristalliner Graphit eingesetzt, der in seinen grundlegenden Eigenschaften dem einkristallinen Naturgraphit sehr nahe kommt, sich zum Teil aber auch erheblich unterscheidet. So liegt die Rohdichte von industriell gefertigten Graphiten mit ca. 1,5 bis 2,0 g/Cm³ meist deutlich unter dem theoretischen Wert von 2,26. Auch der Ordnungsgrad ist im polykristallinen Material im Allgemeinen deutlich geringer. Zudem kommt die im Einkristall sehr stark ausgeprägte Anisotropie makroskopisch weit weniger zum Tragen. So weisen technische Graphite eine nahezu homogene elektrische und thermische Leitfähigkeit und isotrope mechanische Eigenschaften auf.
Die Herstellung technischer Graphitwerkstoffe erfolgt in Anlehnung an die keramische Prozesstechnik. Als Rohstoffe kommen (Natur-)Graphit, Petrolkokse, Pechkokse und Ruße zum Einsatz. Diese werden gemeinsam mit Bindemitteln wie Pechen oder Kunstharzen aufbereitet bevor die Formgebung erfolgt. Unterschiedliche Zuschläge können dabei beigemischt werden, wodurch sich die Eigenschaften des resultierenden Graphitwerkstoffs gezielt beeinflussen lassen. Im Anschluss erfolgt eine ein- oder zweistufige Wärmebehandlung. Dabei wird im ersten Schritt die Binderphase verkokt, wobei die Ausbeute an festem Kohlenstoff je nach Binder bis zu 90 % betragen kann. Dieser Kohlenstoffgraphit kann für verschiedene Anwendungen wie z. B. im Bereich der Tribologie ohne weitere Temperaturbehandlung eingesetzt werden. Allerdings ist der graphitische Anteil in diesem Werkstoff noch gering, so dass meist ein zweiter Wärmebehandlungsschritt angeschlossen wird. Bei dieser Graphitierung, die bei Temperaturen oberhalb von 2100 °C stattfindet, bildet sich eine zunehmend stärker geordnete Graphitstruktur aus. Der Werkstoff erhält so die typischen graphitischen Eigenschaften. Je nach Graphitierungstemperatur und Glühdauer unterscheiden sich der Graphitierungsgrad und damit die Eigenschaften des Werkstoffs. So nimmt beispielsweise die Festigkeit mit zunehmendem Graphitierungsgrad ab, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit steigen.
Über die Temperaturführung besteht somit eine Möglichkeit, die Eigenschaften von Graphitwerkstoffen gezielt und optimal einzustellen. Darüber hinaus können durch Imprägnierung mit Metallen, Salzen, Harzen oder anderen organischen Medien die Grenzen der Eigenschaften der Graphitwerkstoffe sehr weit verschoben werden. Neben der Gasdichtigkeit und den mechanischen Eigenschaften können so die elektrische und thermische Leitfähigkeit, das tribologische Verhalten oder die Funkentstörung optimiert werden, um nur einige der wichtigsten Möglichkeiten zu nennen. Durch Gasphaseninfiltration mit pyrolitischem Kohlenstoff bzw. Graphit können Dichte, und Korrosionsbeständigkeit erhöht werden.
Auf Grund dieser besonderen Eigenschaften ist die Palette an Anwendungen von Graphit und Graphitwerkstoffen extrem breit. Diese reichen von Gleitlagern und Dichtungsringen über Heiz-Element und Tiegel für die Solarzellen- und Halbleiterindustrie, Kohlebürsten für Elektromotoren vom Staubsauger über den Bohrhammer bis zur Bahn, Komponenten für die Medizin-, die Mess- und Analysetechnik bis hin zu Bauteilen für die Reaktortechnik, um nur einige zu nennen.
Für diese Anwendungen wird überwiegend künstlich hergestellter polykristalliner Graphit eingesetzt, der in seinen grundlegenden Eigenschaften dem einkristallinen Naturgraphit sehr nahe kommt, sich zum Teil aber auch erheblich unterscheidet. So liegt die Rohdichte von industriell gefertigten Graphiten mit ca. 1,5 bis 2,0 g/Cm³ meist deutlich unter dem theoretischen Wert von 2,26. Auch der Ordnungsgrad ist im polykristallinen Material im Allgemeinen deutlich geringer. Zudem kommt die im Einkristall sehr stark ausgeprägte Anisotropie makroskopisch weit weniger zum Tragen. So weisen technische Graphite eine nahezu homogene elektrische und thermische Leitfähigkeit und isotrope mechanische Eigenschaften auf.
Die Herstellung technischer Graphitwerkstoffe erfolgt in Anlehnung an die keramische Prozesstechnik. Als Rohstoffe kommen (Natur-)Graphit, Petrolkokse, Pechkokse und Ruße zum Einsatz. Diese werden gemeinsam mit Bindemitteln wie Pechen oder Kunstharzen aufbereitet bevor die Formgebung erfolgt. Unterschiedliche Zuschläge können dabei beigemischt werden, wodurch sich die Eigenschaften des resultierenden Graphitwerkstoffs gezielt beeinflussen lassen. Im Anschluss erfolgt eine ein- oder zweistufige Wärmebehandlung. Dabei wird im ersten Schritt die Binderphase verkokt, wobei die Ausbeute an festem Kohlenstoff je nach Binder bis zu 90 % betragen kann. Dieser Kohlenstoffgraphit kann für verschiedene Anwendungen wie z. B. im Bereich der Tribologie ohne weitere Temperaturbehandlung eingesetzt werden. Allerdings ist der graphitische Anteil in diesem Werkstoff noch gering, so dass meist ein zweiter Wärmebehandlungsschritt angeschlossen wird. Bei dieser Graphitierung, die bei Temperaturen oberhalb von 2100 °C stattfindet, bildet sich eine zunehmend stärker geordnete Graphitstruktur aus. Der Werkstoff erhält so die typischen graphitischen Eigenschaften. Je nach Graphitierungstemperatur und Glühdauer unterscheiden sich der Graphitierungsgrad und damit die Eigenschaften des Werkstoffs. So nimmt beispielsweise die Festigkeit mit zunehmendem Graphitierungsgrad ab, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit steigen.
Über die Temperaturführung besteht somit eine Möglichkeit, die Eigenschaften von Graphitwerkstoffen gezielt und optimal einzustellen. Darüber hinaus können durch Imprägnierung mit Metallen, Salzen, Harzen oder anderen organischen Medien die Grenzen der Eigenschaften der Graphitwerkstoffe sehr weit verschoben werden. Neben der Gasdichtigkeit und den mechanischen Eigenschaften können so die elektrische und thermische Leitfähigkeit, das tribologische Verhalten oder die Funkentstörung optimiert werden, um nur einige der wichtigsten Möglichkeiten zu nennen. Durch Gasphaseninfiltration mit pyrolitischem Kohlenstoff bzw. Graphit können Dichte, und Korrosionsbeständigkeit erhöht werden.
