흑연은 고어로 플럼바고(plumbago)라고 불리며, 원자들이 육각형 구조로 배열된 부드러운 결정질 탄소 형태입니다. 흑연은 천연 결정질 탄소 형태. 변성암과 화성암에서 발견되는 천연 원소 광물. 흑연은 극단의 광물입니다.
흑연은 지구 지각과 상부 맨틀에서 탄소가 열과 압력에 노출될 때 형성됩니다. 75,000 psi 압력 범위와 750°C 온도 범위가 흑연 생성에 필요. 이는 입자상 변성암 상대에 해당. 고압 고온에서 다이아몬드로 전환됩니다.
회색~검정, 불투명, 금속 광택, 유연하지만 탄성은 아님. 금속과 비금속 특성 모두 보여 많은 산업 용도에 적합. 금속적 특성: 열/전기 전도성. 비금속적 특성: 불활성, 높은 내열성, 윤활성.
흑연은 연필과 윤활제에 쓰입니다. 열과 전기의 양호한 전도체. 높은 전도성으로 전극, 배터리, 태양광 패널 같은 전자 제품에 유용.
관련: 금속과 비금속이란?
에드워드 G. 아체슨(Edward G. Acheson)이 카보런덤 고온 실험 중 우연히 흑연 첫 합성. 약 4,150°C(7,500°F)에서 카보런덤 내 실리콘 증발, 탄소가 흑연 형태로 남음 발견.
아체슨은 1896년 흑연 제조 특허 획득, 1897년 상업 생산 시작. 1918년부터 석유 코크스(유기 화합물로 둘러싸인 작고 불완전한 흑연 결정)가 99-99.5% 순수 흑연 생산 주원료.
흑연 색상은 회색~검정 범위, 불투명하고 금속적 외관. 탄소 원소로 구성되며 최고 등급 석탄으로 볼 수 있으나 연료로 쓰이진 않음.
흑연은 중간 회색. 색상명으로 '차콜(charcoal)'과 혼용. 나무 연필 '심'인 흑연계 안료와 점토 결합제 지칭.
회색 계열인 흑연은 기본적으로 무감정 색상. 냉정, 중립, 우유부단, 흰색과 검정 사이 과도기.
흑연은 넓게 이격된 수평 시트에 배열된 6개 탄소 원자 고리들로 된 층상 구조. 흑연은 육방정계 결정화, 같은 원소가 다이아몬드에서 팔면체/사면체계 결정화하는 것과 대조.
흑연은 6원자 육각 고리로 배열된 탄소 원자 층들로 구성. 이 고리들은 가장자리에서 서로 연결. 융합 고리 층들은 무한 융합 벤젠 고리 계열로 모델링 가능(수소 원자 없음).
이 고리 배열의 탄소 원자들은 sp² 혼성화 상태. sp² 분자 오비탈 모델에서 각 탄소 원자는 세 다른 종과 결합, 흑연 경우 세 탄소 원자. 이 결합 모드에서 인접 탄소 원자 간 결합 각도 120°.
이 '고리 배열'들이 탄소 원자 큰 층들로 배열, 개별 층을 그래핀 층이라 함. 층 평면 내 탄소-탄소 결합 길이 1.418Å. 흑연 층들은 흑연이 결정화하는 육방정계 4축계의 결정학적 'C' 축에 평행하게 쌓임. 흑연 구조 더 보려면 가이드 참조.
흑연은 원자력 발전소 감속봉 제작용 탄소 동소체. 특성:
흑연은 다이아몬드와 비슷한 높은 녹는점. 흑연 녹이려면 한 시트 다른 시트에서 떼는 것만으론 부족. 구조 전체 공유 결합 끊어야 함.
부드럽고 미끄러운 감촉으로 연필과 자물쇠 같은 것들 건식 윤활제로 쓰임. 트럼프 카드 한 벌 생각 – 각 카드 강하지만 서로 미끄러지거나 통째로 떨어질 수 있음. 연필 쓰면 시트들 문질러져 종이에 달라붙음.
또한 다이아몬드보다 낮은 밀도. 시트 사이 상대적으로 큰 '낭비' 공간 때문.
물과 유기 용매에 불용성 – 다이아몬드 불용성 같은 이유. 용매 분자와 탄소 원자 간 인력 결코 흑연 강한 공유 결합 극복 못 함.
흑연은 전기 전도. 비편재 전자 시트 통해 자유 이동 가능. 흑연 조각 회로 연결 시 전자 한 끝서 떨어져 나가 다른 끝서 새 전자로 대체.
흑연의 화학적 특성
| 색상 | 철검정~강철회색; 투과광서 진한 파랑 |
| 화학적 분류 | 자연 원소 |
| 조흔 | 검정 |
| 광택 | 금속성, 때론 흙빛 |
| 투명도 | 불투명 |
| 벽개 | 한 방향서 완전 |
| 모스 경도 | 1~2 |
| 비중 | 2.1~2.3 |
| 진단 특성 | 색상, 조흔, 미끄러운 감촉, 비중 |
| 화학 조성 | C |
| 결정계 | 육방정계 |
흑연의 다양한 종류:
천연 흑연은 흑연 탄소 광물 형태. 결정도 상당히 다양. 대부분 상업 흑연은 채광되며 보통 다른 광물 포함. 채광 후 보통 부유 선별 등 상당한 광물 처리 필요해 흑연 농축.
천연 흑연은 넓은 온도 범위서 안정적인 우수한 열/전기 전도체, 고강도 재료, 높은 녹는점 3,650°C. 주로 내열재, 배터리, 제강, 팽창 흑연, 브레이크 라이닝, 주물 표면재, 윤활제로 쓰임.
천연 흑연은 자연 산출 흑연 재료 가공 세 형태로 제공. 세 형태 각각 고유 특성으로 특정 용도에 적합.
결정질 정맥 또는 덩어리 흑연이 가장 희귀, 가장 가치, 최고 품질 천연 흑연이라 알려짐. 지하 고온 유체(원유 등)에서 고체 흑연 탄소 직접 퇴적, 시간/온도/압력으로 흑연 전환돼 형성.
스리랑카가 현재 결정질 정맥 흑연 생산 유일한 관할권. 결정질 정맥 흑연 성형 쉬워 결합제 첨가 없이 고체 형태로 성형 가능, 저품질 원료 대비 상당한 비용 절감.
결정질 정맥 흑연 균열 두께 보통 1cm~1m, 순도 보통 90% 이상 Cg. 정제 없이 95-99% 탄소 순도. 플레이크 흑연 많은 용도에 적합하며 시장 가격과 윤활제, 배터리, 연마 숫돌, 분말 야금 같은 제품 응용에서 뚜렷한 경쟁 우위.
비정질 흑연은 무연탄 층과 변성 작용제 사이 접촉 변성으로 흔히 형성. 결과 미정질 흑연, 통상 비정질 흑연. 비정질 흑연은 천연 흑연 중 가장 제한적. 지질 환경 따라 흑연 함량 25-85% 변동.
석탄, 점판암, 슬레이트 같은 준변성암 층에서 극소 결정 입자로 발견. 비교적 낮은 탄소 순도 정제 후 70-85% 탄소. 확대경 없인 안 보임.
연필, 윤활제, 내열재, 페인트 제조, 야금, 코팅, 브레이크 패드, 고무 첨가제 등 저품질 흑연 제품용. 가장 저렴한 흑연 형태. 중국, 멕시코, 미국에 대량 비정질 흑연 매장.
천연 플레이크 흑연은 탄소 물질 고압 고온 노출 시 형성. 탄소 원료는 유기/무기 모두 가능하나 대부분 상업 플레이크 흑연 유기 퇴적물 유래. 필요 압력 보통 1 GPa 초과, 온도 보통 750°C 초과.
플레이크 흑연은 광체 전체 고루 분포하거나 렌즈형 포켓에 농축된 변성암서 발견. 탄소 농도 범위 5-40%. 플레이크 흑연은 석회암, 편마암, 편암 같은 특정 변성암에서 층상/플레이크 형태로 발견.
폼 부유선별로 플레이크 흑연 추출. '부유' 흑연 흑연 함량 80-90%. 98% 이상 층은 흑연 화학적 제조 공정으로 만듦. 플레이크 흑연 전 세계 많은 곳서 발견.
합성 흑연은 코크스와 피치에서 생성 가능. 이 흑연은 천연 흑연만큼 결정적이지 않음. 고도로 정렬된 파이로라이트 흑연(HOPG)은 흑연 시트 간 각도 분산 1° 미만 흑연 지칭.
기본적으로 합성 흑연 두 종류. 하나는 전기 흑연, 석탄 타르 피치와 소성 석유 코크스 전기로 생산 순수 탄소. 두 번째는 소성 석유 피치 2,800°C 가열로 만든 합성 흑연.
기본적으로 합성 흑연은 전기 저항과 기공률 높고 밀도 낮음. 향상된 기공률로 내열 용도 부적합.
합성 흑연은 주로 흑연화, 비흑연 탄소 열처리, 2,100K 이상 온도서 탄화수소 화학 기상 증착으로 얻은 흑연 탄소 주성분.
합성 흑연 응용: 항공우주, 탄소 브러시, 흑연 전극, 배터리, 원자로 감속봉. 합성 흑연 높은 기공률로 내열 응용 부적합.
흑연은 고대부터 사용. 현대 세계에도 광범위 응용.
흑연 흔한 용도들:
'그래파이트' 단어는 '쓰다' 뜻 그리스어 유래. 그래서 흑연 가장 흔한 용도 연필심 제조. 이 심은 점토와 흑연(비정질 형태) 혼합물.
흑연은 그리스 같은 윤활제 주성분 중 하나. 이 광물 대기 중 수증기 반응해 도포 표면 위 얇은 막/층 형성해 마찰 감소. 흑연은 자동차 브레이크와 클러치에도 사용.
덩어리 흑연 분말 형태 페인트에도 사용. 왜? 흑연 본성상 발수성. 그래서 나무 등 표면 보호 코팅 제공.
높은 내열성과 불변성으로 흑연 널리 쓰이는 내열 재료. 제조 산업서 쓰이며 유리, 강철 생산 및 철 가공 돕음.
흑연 고속 중성자 흡수. 결과적으로 원자로 핵반응 안정화용으로 사용.
관련: 원자로란?
결정질 플레이크 흑연 건전지 및 전기 산업 필요 탄소 전극, 브러시, 플레이트 제조용. 흥미롭게도 천연 흑연 합성 흑연으로 가공되기도. 이 유형 리튬이온 배터리 유용.
흑연으로 그래핀 시트 제작 가능. 이 시트들 강철보다 100배 강하고 10배 가볍다 알려짐. 이 흑연 유도체 경량 강도 스포츠 장비 제작에 추가 사용. 의료, 항공우주 분야 미래 응용 고려 중.
함께 읽기
참고:
흑연 재료: usgs.gov
흑연은 고어로 플럼바고라 불리며, 원자들이 육각형 구조로 배열된 부드러운 결정질 탄소 형태. 흑연은 천연 결정질 탄소 형태. 변성암과 화성암에서 발견되는 천연 원소 광물. 흑연은 극단의 광물.
천연 흑연: 세 형태 비정질 흑연, 플레이크 흑연, 결정질 정맥 흑연, 각기 고유 특성으로 특정 용도에 적합.
에드워드 G. 아체슨이 카보런덤 고온 실험 중 우연히 첫 합성. 약 4,150°C(7,500°F)에서 카보런덤 내 실리콘 증발, 탄소 흑연 형태로 남음 발견.
흑연은 연필, 강철 제조, 스마트폰 같은 전자기기에도 사용. 아마도 가장 중요한 용도 리튬이온 배터리, 흑연이 리튬보다 핵심 성분으로 더 중요. 리튬이온 배터리에 리튬보다 흑연 10-30배 더 많음.
흑연은 순수 탄소. 탄소 원자들 다양한 구조 생성 결합 가능. 다이아몬드와 흑연 탄소 가장 잘 알려진 두 형태(동소체).
금속과 비금속 양쪽 특성 가져 독특: 유연하지만 탄성 아님, 높은 열/전기 전도성, 높은 내열성, 화학적 불활성. 흑연 X선/중성자 저흡착으로 원자력 응용 특히 유용.
흑연 주로 대리석, 편암, 편마암 같은 변성암에서 플레이크나 결정층으로 발견. 유기물 풍부 혈암, 탄층에서도 발견. 이 경우 흑연 자체 아마 죽은 동식물 물질 변성 결과.
흑연은 만성 피부 질환, 가죽 같고 갈라진 피부 환자 동종요법용. 건선 증상 도움 일화적 증거만 있음.
흑연 수년간 윤활제 사용 [164]. 흑연 윤활 메커니즘 기계적 본질로 한 흑연 입자 다른 흑연 입자 위 미끄러짐 결과로 생각. 흑연 건식 윤활제 또는 윤활유 분산 가능.
전자레인지 내 유리병 석탄 분말서 스파크 발생. 구리박, 유리 용기, 일반 가정용 전자레인지로 와이오밍대 연구진 분쇄 석탄 분말 고부가가치 나노흑연 전환 입증.
단일 층 탄소 원자 그래핀은 존재 확인된 가장 강한 소재로 강철 200배 강하고 종이보다 가볍고 놀라운 기계적/전기적 특성.
흑연은 탄소 동소체. 탄소 원자들로 구성된 부드럽고 회흑색 불투명 물질.
흑연 실제 정상 압력서 녹지 않음. 이산화탄소처럼 고체서 기체로 직접 감. 그래서 약 100기압 전까지 흑연 녹는점 없음.
중국 세계 최대 흑연 생산국이나 매장량 세계 2위. 최대 흑연 매장량 국가는 터키. 2020년 약 9천만 톤 천연 흑연 매장량 보유.
스리랑카. 스리랑카 흑연 채광 네덜란드 점령기부터. 정맥 흑연(덩어리 흑연) 상업적 양산하는 세계 유일 국가, 현재 세계 흑연 생산 1% 미만 차지.
흑연 필름 전자기기 전자파(EM) 차폐 가능하나 현재 제조법 수시간 소요, 3,000°C 가공 온도 필요.
과다 노출 영향 수년간 천연 흑연 반복 흡입 시 폐 흉터 유발, 흉부 답답, 숨참, 기침, 검은 가래, 통증 증상.
흑연 반데르발스 힘으로 연결된 층상 구조. 층 사이 쉽게 쪼개져 매우 부드럽고 미끄러움. 이 이유로 연필과 고온 작동 기계 윤활제 사용.
탄소 원자들 시트서 강결합. 시트 간 결합 약해 마찰력 하 낮은 전단 강도. 따라서 고체 윤활제로 쓰이며 전통적 1차 고체 윤활 재료 중 하나.
부드러움과 비휘발성으로 고속 기계 부품 윤활제. 고온 작동 기계 부품 윤활용. 다이아몬드 극도로 단단해 윤활제 불가.
흑연과 다이아몬드 가장 흥미로운 두 광물. 화학 동일 – 둘 다 탄소(C) 구성 – 물리적으로 매우 다름. … 흑연 매우 부드러워 이 척도 경도 1-2. 다이아몬드 가장 단단한 천연 물질 경도 10.
금속
단조(Forging)란 무엇인가? 단조는 해머, 프레스, 롤링 등으로 금속에 압축력을 가해 형상을 만드는 제조 공정입니다. 이 압축력은 해머나 다이(Die)를 통해 전달됩니다. 가공 온도에 따라 냉간 단조, 온간 단조, 열간 단조로 나뉩니다. 탄소강, 합금강, 스테인리스강 등 다양한 금속이 단조 가능하며, 알루미늄, 황동, 구리 같은 연질 금속도 단조할 수 있습니다. 단조는 최소한의 소재 손실로 우수한 기계적 물성(높은 피로 강도, 강도)을 가진 부품을 생산하며, 양산성과 특정 물성 구현에 경제적입니다. 대장장이들이 수천 년간 주방
선삭(Turning)이란? 선삭은 회전하는 공작물에 대해 (주로 비회전) 절삭 공구가 직선적으로 이동하며 나선형 공구 경로를 그리는 가공 공정입니다. 일반적으로 선삭은 이 절삭 작용으로 외부 면을 생성하는 경우를 말하며, 같은 절삭 작용을 내부 면에 적용하면 보링(boring)이라 부릅니다. 따라서 선삭과 보링은 선반 가공(lathing)이라 불리는 큰 공정군을 이룹니다. 공작물 단면 절삭(선삭/보링 공구 모두)은 페이싱(facing)이라 하며, 어느 범주에든 포함될 수 있습니다. 선삭은 수동(기존 선반, 작업자 지속 감독 필요)
