Graphit verbinden wir gewöhnlich mit einem Bleistift und gestehen dem schwarzen Material keine größere Bedeutung zu. Es spielt jedoch eine wichtige Rolle in der Technik.
Modifikation von Kohlenstoff
Graphit und Diamant sind die beiden natürlich vorkommenden Modifikationen des Kohlenstoffs, jede mit ihrer typischen kristallinen Struktur. Dabei ist Graphit die unter Normalbedingungen stabile Modifikation. Werkstofftechnisch wird Graphit zu der kleinen Gruppe der elementaren keramischen Werkstoffe (neben Diamant und Bor) gezählt.
Naturgraphit (Abb. 1a) ist ein bereits im Altertum bekanntes Mineral. Technische Bedeutung erlangte dieser Werkstoff erst, als es vor über 100 Jahren gelang, ihn synthetisch in größeren Formkörpern herzustellen.
Graphit kristallisiert in einem hexagonalen Schichtgitter. Innerhalb einer Schicht ist jedes Kohlenstoffatom durch starke kovalente Bindungen mit seinen drei Nachbarn verbunden, während zwischen den Schichten nur schwache Van-der-Waals-Kräfte herrschen. Die Schichten sind parallel zueinander angeordnet und definiert ausgerichtet. Diesen schichtartigen Aufbau von Graphit kann man auch bei einer Bleistiftmine (Abb. 1b) erkennen.
Abb. 1 Erscheinungsformen von Graphit a) Mineral, b) Bleistiftmine (vergrößert), b) Brandreste (vergrößert)
Darüber hinaus existiert ein rhomboedrischer Graphit, welcher eine leicht abgeänderte, jedoch ebenso definierte Ausrichtung der Schichten aufweist.
Eigenschaften von Graphit
Einige Eigenschaften von Graphit sind in Tab. 1 aufgelistet. Da Graphit auf makroskopischer Ebene keine ideale Kristallstruktur aufweist, ist in Tab. 1 neben der idealen Dichte auch die gemessene Dichte in Klammern angegeben. Diese hängt von der Herkunft bzw. der Herstellungsmethode und dem Zerkleinerungsgrad des Graphits ab.
Tab. 1 Eigenschaften von Graphit
Dichte | 2,266 (1,5 - 2,2) g/cm3 |
Mohs-Härte | 1 (parallel); 4,5 (senkrecht) |
E-Modul | 18,8 10-5 N/cm2 (parallel); 5,2 10-5 N/cm2 (senkrecht) |
Spez. Widerstand | 0,4 10-4 Ωcm (parallel); 0,2 - 1,0 Ωcm (senkrecht) |
Bedingt durch seine schichtartige Struktur weist Graphit stark anisotrope Eigenschaften auf. Die schwachen Van-der-Waals-Kräfte ermöglichen eine leichte Verschiebung der Schichten gegeneinander. Dagegen führen die stärkeren Atombindungen innerhalb der Schichten zu ihrer höheren Stabilität. Das äußert sich unter anderem in mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Härte. Entsprechend sind in Tab. 1 der E-Modul und die Härte einmal parallel und einmal senkrecht zu den Schichten angegeben. Ebenso sind die elektrischen Eigenschaften anisotrop. Die an den Atombindungen unbeteiligten Valenzelektronen sind mobil und bilden ein Elektronengas innerhalb der jeweiligen Schicht. Der Sprung der Elektronen in benachbarte Schichten ist energieaufwendiger und dadurch seltener. So ist Graphit parallel zu den Schichten ein guter elektrischer Leiter, dagegen senkrecht zu ihnen eher ein Isolator. Dieser Unterschied ist deutlich an seinem spezifischen Widerstand erkennbar (vgl. Tab. 1).
Materialien mit graphitischer Strukur
Neben der klassischen Erscheinungsform von Graphit als Vollmaterial, existiert eine Reihe weiterer Materialien mit graphitischer Struktur. Dazu gehören u.a. Ruß, Kohlenstofffasern und sogenannter Glaskohlenstoff.
Ruß besteht aus kugelförmigen, etwa 20 bis 300 nm großen Partikeln, die lockere, traubenförmige Aggregate bilden. Diese Partikel bestehen wiederum aus 2 bis 3 nm großen graphitisch kristallisierten Bereichen, die dachziegelförmig gestapelt sind. Dadurch hat Ruß eine sehr große äußere Oberfläche und eine geringe Dichte von 1,85 g/cm³. Verkohlte Brandreste, wie es sie beispielsweise bei Kerzendochten (Abb. 1c) gibt, stellen auch eine Rußart dar.
Kohlenstofffasern bestehen aus graphitisch kristallisierten Bereichen, deren Schichten parallel zur Faserachse liegen und auch gekrümmt sein können. Diese Anordnung wird durch die spezielle Herstellung der Kohlenstofffasern bewirkt. Bedingt durch diese Struktur weisen Kohlenstofffasern herausragende mechanische Eigenschaften auf (s. dazu Faserwerkstoffe), die wie beim normalen Graphit anisotrop sind.
Glaskohlenstoff besteht aus graphitisch kristallisierten Bändern und Schichten, die ungeordnet miteinander verschlungen sind. Dadurch hat dieses Material isotrope Eigenschaften und ist chemisch und mechanisch sehr stabil.
Da Kohlenstoff unter Normaldruck nicht schmilzt, werden Teile, ähnlich wie Keramiken, aus formbaren Mischungen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen und Bindemitteln mit anschließenden Verkoken der Formlinge hergestellt. Die elektrische Leitfähigkeit solcher Werkstoffe ist vergleichsweise niedrig, reicht jedoch für viele Zwecke aus, so z.B. für Anoden in der Elektrolyse bei Aluminiumherstellung (s. dazu Gewinnung von Aluminium). Für Anwendungen, bei denen eine deutlich höhere Leitfähigkeit gefordert wird, muss das Kohlenstoffmaterial durch den Graphitisierungsprozess bei etwa 2800°C in einen feinkörnigen Elektrographit umgewandelt werden.
Anwendung von Graphit
Die technischen Anwendungen des Graphits sind vielfältig:
- Elektrodenwerkstoff für elektrothermische und elektrochemische Verfahren,
- Feuerfeste Ausmauerung von Hochöfen bei der Roheisenherstellung (s. dazu Eigenschaften von Eisen),
- Kontaktwerkstoff für elektrische oder mechanische Schleifkontakte,
- Kohlefasern in kohlefaserverstärkten Kunststoffen CFK,
- Moderatorwerkstoff in Kernreaktoren.
Nun werden Sie vielleicht Ihre Bleistifte mit Graphitminen in einem neuen Licht betrachten.<<