Graphite – Tableau des matériaux – Applications – Prix

À propos du graphite

Le graphite est une forme cristalline de l’élément carbone avec ses atomes disposés dans une structure hexagonale. Sa combinaison inhabituelle de propriétés est due à la structure cristalline du graphite. Les atomes de carbone sont disposés de manière hexagonale dans un système cyclique planaire condensé. Les couches sont empilées parallèlement les unes aux autres. Les atomes à l’intérieur des anneaux sont liés de manière covalente, tandis que les couches sont liées de manière lâche par les forces de van der Waals. Il se produit naturellement sous cette forme et est la forme de carbone la plus stable dans des conditions standard. Bien que le graphite soit flexible, il n’est pas élastique et possède une conductivité électrique et thermique élevée. Il est également chimiquement inerte et hautement réfractaire. Étant donné que le graphite présente une faible adsorption des rayons X et des neutrons, il est très précieux dans les applications nucléaires. 

Résumé

Nom	Graphite
Phase à STP	solide
Densité	2260kg/m3
Résistance à la traction ultime	14 MPa
Limite d’élasticité	N / A
Module d’élasticité de Young	11,5 GPa
Dureté Brinell	5 BHN
Point de fusion	3600°C
Conductivité thermique	200W/mK
Capacité thermique	720 J/g·K
Prix	3 $/kg

Composition du graphite

Sa combinaison inhabituelle de propriétés est due à la structure cristalline du graphite. Les atomes de carbone sont disposés de manière hexagonale dans un système cyclique planaire condensé. Les couches sont empilées parallèlement les unes aux autres. Les atomes à l’intérieur des anneaux sont liés de manière covalente, tandis que les couches sont liées de manière lâche par les forces de van der Waals. Il se produit naturellement sous cette forme et est la forme de carbone la plus stable dans des conditions standard. 

Applications du graphite

Les propriétés du graphite déterminent la variété des domaines de ses applications dans l’industrie, les transports, l’énergétique, la défense, la médecine, la science, le sport. En raison de sa stabilité à haute température et de son inertie chimique, le graphite est le candidat idéal pour les matériaux réfractaires. Selon l’USGS, la consommation américaine de graphite naturel dans les réfractaires était de 12 500 tonnes en 2010. Les balais de charbon pour moteurs électriques sont fabriqués à partir de graphite synthétique de haute pureté. Le graphite de haute pureté est également utilisé dans les réacteurs nucléaires comme modérateur de neutrons. Cela est dû à sa très faible section d’absorption. Le graphite naturel dans la fabrication de l’acier sert principalement à augmenter la teneur en carbone de l’acier en fusion. 

Propriétés mécaniques du graphite

Force du graphite

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine.

La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique. Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. En cas de contrainte de traction d’une barre uniforme (courbe contrainte-déformation), la  loi de Hooke décrit le comportement d’une barre dans la région élastique. Le module d’élasticité de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction.

Voir aussi : Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime du graphite

La résistance à la traction ultime du graphite est de 14 MPa.

Limite d’élasticité du graphite

La limite d’élasticité du graphite  est N/A.

Module d’élasticité du graphite

Le module d’élasticité de Young du graphite est de 11,5 MPa.

Dureté du graphite

En science des matériaux, la  dureté  est la capacité à résister à  l’indentation de surface  ( déformation plastique localisée ) et  aux rayures . Le test de dureté Brinell  est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un  pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

L’  indice de dureté Brinell  (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation :

La dureté Brinell du graphite est d’environ 5 BHN (converti).

Voir aussi : Dureté des matériaux

Propriétés thermiques du graphite

Graphite – Point de fusion

Le point de fusion du graphite est de 3600 °C .

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la  fusion  est un  changement de phase  d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le  point de fusion  d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le  point de fusion  définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Graphite – Conductivité thermique

La conductivité thermique du graphite  est  de 200 W/(m·K) .

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la  conductivité thermique , k (ou λ), mesurée en  W/mK . C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par  conduction . Notez que  la loi de Fourier  s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La  conductivité thermique  de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire  k = k (T) . Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Graphite – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique du graphite est de 720 J/g K .

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique,  est une propriété liée à l’énergie interne  très importante en thermodynamique. Les  propriétés intensives  c _v  et  c _p  sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’  énergie interne  u(T, v)  et de  l’ enthalpie  h(T, p) , respectivement : 

où les indices  v  et  p  désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés  c _v  et  c _p  sont appelées  chaleurs spécifiques  (ou  capacités calorifiques ) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont  J/kg K  ou  J/mol K .

Propriétés et prix des autres matériaux

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