黒鉛

黒鉛
グラファイト試験片
一般的な
カテゴリ	天然鉱物
式 （繰り返し単位）	Ｃ
IMAシンボル	グレート[1]
シュトランツ分類	1.CB.05a
結晶系	六角形または菱面体
クリスタルクラス	2 六角両錐形 (6/mmm) ヘルマン・モーガン表記: (6/m 2/m 2/m)
空間群	P 6 3 mc (バックル) P 6 3 / mmc (フラット)
単位セル	a = 2.461、c = 6.708 [Å]; Z  = 4
識別
色	鉄黒から鋼灰色。透過光では濃い青。
クリスタル習慣	板状、六面体、葉状、粒状から圧縮された塊
姉妹都市	現在
胸の谷間	基礎 – {0001} で完璧
骨折	胸の谷間以外では、かさかさ、ざらざら感がある
粘り強さ	柔軟で非弾性、切断可能
モース 硬度	1–2
光沢	メタリック、アース
連勝	黒
透けて見える	不透明、非常に薄いフレーク状でのみ透明
比重	1.9～2.3
密度	2.09～2.23 g/ cm3
光学特性	一軸（−）
多色性	強い
溶解度	溶融ニッケル、温かいクロロ硫酸に可溶[2]
その他の特徴	異方性が強く、電気を通し、油っぽい感触で、跡がつきやすい
参考文献	[3] [4] [5]

グラファイト（/ ˈ ɡ r æ f aɪ t / ）は、炭素元素の結晶性同素体（形態）です。グラフェンが何層も積み重なってできており、通常は数百層を超えます。グラファイトは天然に存在し、標準条件下では最も安定した炭素形態です。合成グラファイトと天然グラファイトは、耐火物（50%）、リチウムイオン電池（18%）、鋳造所（10%）、潤滑剤（5%）、その他（17%）など、多くの重要な産業で大規模に消費されています（2022年には年間130万トン）。 ^{[6]非常に高い圧力と非常に高い温度の下では、}ダイヤモンドに変換されます。グラファイトの低コスト、熱的および化学的不活性、および熱と電気の特徴的な伝導性は、高エネルギーおよび高温プロセスで多数の用途があります。^[7] 

グラファイトは、鉱石の形態、結晶度、粒径によって非晶質（微結晶）または結晶質（薄片または塊/チップ）の2つのカテゴリに分類できる鉱石に自然に発生します。^{[7]天然のグラファイト鉱床はすべて、}炭素質堆積岩の変成作用によって形成され、鉱石の種類は地質学的環境によって異なります。熱変成を受けた石炭は、非晶質グラファイトの典型的な供給源です。結晶性の薄片グラファイトは炭素質変成岩から採掘され、塊またはチップグラファイトは高品位変成地域で発生する鉱脈から採掘されます。^[7]グラファイトの採掘は、環境に深刻な悪影響を及ぼします。

合成グラファイトは、2,100 °Cを超える温度で炭化水素材料から熱黒鉛化によって生成される高純度のグラファイトであり、最も一般的にはアチソン法によって生成される。^{[7] [8]}高温は数週間維持され、前駆体炭素からグラファイトを形成するだけでなく、水素、窒素、硫黄、有機物、金属などの存在する可能性のある不純物を蒸発させる必要がある。 ^[7] このため、合成グラファイトは99.9% C純度を超える高純度であるが、通常、天然の同等物よりも密度、伝導性が低く、多孔性が高い。^[7] 合成グラファイトは、ほとんどすべての天然グラファイト源とは異なり、高純度を維持しながら非常に大きなフレーク（cm）に成形することもできる。^[7]合成グラファイトは、2,500 K（2,230 °C）を超える温度での炭化水素からの化学蒸着、熱的に不安定な炭化物の分解、または炭素で過飽和な金属溶融物からの結晶化など、他の方法でも形成されることが知られています。^[9]

バイオグラファイトは、リン酸鉄リチウム（LFP）電池の二酸化炭素排出量を削減するための商用製品提案です。ニュージーランドの企業が、熱触媒黒鉛化と呼ばれる新しいプロセスを使用して、森林廃棄物や同様の副産物から生産しており、このプロジェクトは、フィンランドの林業会社や香港の電池メーカーを含む関係者からの助成金によってサポートされています^{[10] [11]}

グラファイトは、変成作用中に堆積性炭素化合物が還元された結果として変成岩中に存在します。また、火成岩や隕石にも存在します。^[5]グラファイトに関連する鉱物には、石英、方解石、雲母、電気石などがあります。採掘されたグラファイトの主な輸出元は、トン数順に、中国、メキシコ、カナダ、ブラジル、マダガスカルです。^[12]コロンビアのコルディリェラ・セントラルにも、グラファイトを含む片岩の形で、未開発のグラファイト資源が大量に存在します。^[13]

隕石では、グラファイトはトロイライトやケイ酸塩鉱物とともに存在します。^[5]隕石鉄 に含まれる小さなグラファイト結晶はクリフトナイトと呼ばれます。^[14]一部の微細粒子は特徴的な同位体組成を持ち、太陽系以前に形成されたことを示しています。^{[15]これらは太陽系より古い約12種類の鉱物のうちの1つであり、}分子雲でも検出されています。これらの鉱物は、超新星が爆発したとき、または低〜中サイズの星が寿命の終わりに外層を放出したときに噴出物で形成されました。グラファイトは宇宙で2番目または3番目に古い鉱物である可能性があります。^{[16] [17]}

グラファイトは三方平面炭素のシートで構成されています。^{[18] [19]}個々の層はグラフェンと呼ばれます。各層では、各炭素原子が3つの他の原子と結合して、sp ²結合した炭素六角形の連続層を形成しています。これは、結合長が0.142 nmのハニカム格子に似ており、面間の距離は0.335 nmです。^[20]層間の結合は比較的弱いファンデルワールス結合であり、これによりグラフェンのような層は簡単に分離し、互いに滑ります。^[21]そのため、層に垂直な電気伝導率は約1000倍低くなります。^[22]

グラフェンにはアルファ（六方晶）とベータ（菱面体晶）と呼ばれる2つの同素体があり、グラフェン層の積み重ね方が異なります。アルファグラファイトの積み重ねはABAですが、エネルギー的に安定性の低いベータグラファイトの積み重ねはABCです。菱面体晶グラファイトは純粋な形では存在しません。^[23]天然グラファイト、または市販の天然グラファイトには5〜15％の菱面体晶グラファイトが含まれており^[24]、これは強力な粉砕によるものと考えられます。^[25]アルファ形態はせん断力によってベータ形態に変換され、ベータ形態は1300℃で4時間加熱するとアルファ形態に戻ります。^{[24] [23]}

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  グラファイト表面の走査型トンネル顕微鏡画像
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  ABA レイヤースタッキングの側面図
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  レイヤーの積み重ねの平面図
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  アルファグラファイトの単位格子

グラファイトとダイヤモンド間の遷移における平衡圧力と温度条件は理論的にも実験的にも確立されている。圧力は、1.7  GPaで0 Kと12GPaで5000 K（ダイヤモンド/グラファイト/液体の三重点）^{[26] [27]} しかし、この線の周りには、相が共存できる広い領域があります。常温常圧、20 °C（293 K）および1標準気圧（0.10 MPa）では、炭素の安定相はグラファイトですが、ダイヤモンドは準安定であり、グラファイトへの変換率はごくわずかです。^[28]しかし、約5000 K以上の温度では、4500 Kでは、ダイヤモンドは急速にグラファイトに変化します。グラファイトからダイヤモンドへの急速な変化には、平衡線よりはるかに高い圧力が必要です。2000 K、圧力35GPaが必要である。^[26]

グラファイトの音響特性と熱特性は高度に異方性であり、これはフォノンが密に結合した面に沿って速く伝播するが、ある面から別の面へ移動する速度が遅いためである。グラファイトは熱安定性と電気伝導性、熱伝導性が高いため、高温材料処理用途の電極や耐火物として広く使用されている。しかし、酸素を含む雰囲気では、グラファイトは700℃以上の温度で容易に酸化されて二酸化炭素を形成する。 ^[29]

グラファイトは電気伝導体であるため、アークランプの 電極などの用途に有用である。グラファイトは炭素層内の電子の 非局在化が大きいため（芳香族性と呼ばれる現象）、電気を伝導することができる。これらの価電子は自由に移動できるため、電気を伝導することができる。しかし、電気は主に層の平面内で伝導される。粉末グラファイトの導電性^{[30]により}、カーボンマイクロフォンの圧力センサーとして使用することができる。

グラファイトとグラファイト粉末は、自己潤滑性と乾式潤滑性のため、工業用途で重宝されています。しかし、一部のステンレス鋼で孔食腐食を促進する傾向があることと、 （導電^{性のため）異種金属間の}ガルバニック腐食を促進する傾向があることから、グラファイトの使用は制限されています。また、湿気があるとアルミニウムを腐食させます。このため、米国空軍はアルミニウム製航空機での潤滑剤としてのグラファイトの使用を禁止し、^[33]アルミニウムを含む自動小銃での使用を推奨していません。^{[34]アルミニウム部品に}鉛筆でグラファイトをつけただけでも腐食が促進される可能性があります。^[35]別の高温潤滑剤である六方晶窒化ホウ素は、グラファイトと同じ分子構造を持っています。似た特性のため、 ホワイトグラファイトと呼ばれることもあります。

多数の結晶欠陥がこれらの面を互いに結合させると、グラファイトは潤滑特性を失い、熱分解グラファイトと呼ばれるものになります。これはまた、高度に異方性で反磁性であるため、強力な磁石の上空で浮遊します。（1000～1300℃の流動床で生成された場合は等方性乱層であり、機械心臓弁などの血液接触装置に使用され、熱分解炭素と呼ばれ、反磁性ではありません。熱分解グラファイトと熱分解炭素はよく混同されますが、非常に異なる材料です。^[36]）

長い間、グラファイトは疎水性であると考えられてきました。しかし、高度に秩序化された熱分解グラファイトを使用した最近の研究では、新鮮なグラファイトは親水性（接触角約70°）であり、大気中に存在する空気汚染物質（炭化水素）により疎水性（接触角約95°）になることが示されています。^{[37] [38]これらの汚染物質は、}ケルビンプローブフォース顕微鏡で測定すると最大200 mVの電位差を持つドメインを作成することにより、グラファイトの電気等電位面も変化させます。^[37]このような汚染物質は、グラファイトの温度を約50 °C以上に上げることで脱着できます。^[37]

天然および結晶性のグラファイトは、せん断面、脆さ、および一貫性のない機械的特性のため、構造材料として純粋な形ではあまり使用されません。

紀元前4千年紀、新石器時代の南東ヨーロッパでは、マリツァ文化において陶器の装飾用の塗料としてグラファイトが使用されていました。^[39]

1565年より前（1500年という説もある）、イングランド、カンブリア州ボローデール教区のシースウェイト村からグレイ・ノッツに向かう道で、巨大な黒鉛鉱床が発見された。地元の人々は、この鉱床を羊の目印に便利だと考えていた。^{[40] [41]}エリザベス1世（1558年 - 1603年）の治世中、ボローデールの黒鉛は砲弾の鋳型の内張りとなる耐火物として使用され、より丸く滑らかな砲弾が作られ、より遠くまで発射できるため、イングランド海軍の強さに貢献した。この黒鉛鉱床は非常に純粋で柔らかく、簡単に棒状に切ることができた。軍事上の重要性から、このユニークな鉱山とその生産は国王によって厳しく管理されていた。^[42]

19世紀には、グラファイトの用途は大きく広がり、ストーブの磨き剤、潤滑剤、塗料、るつぼ、鋳物の表面仕上げ、鉛筆などにも使われ、大衆教育が初めて盛んになった時期に教育用具が拡大した大きな要因となった。大英帝国は世界の生産量の大部分（特にセイロン産）を支配していたが、19世紀半ばまでにオーストリア、ドイツ、アメリカの鉱床からの生産も拡大した。例えば、ニュージャージー州ジャージーシティのディクソン・クルーシブル・カンパニーは、ジョセフ・ディクソンとパートナーのオレステス・クリーブランドによって1845年に設立され、ニューヨーク州レイク・タイコンデロガ地区に鉱山を開き、そこに加工工場を建設したほか、ニュージャージー州に鉛筆、るつぼ、その他の製品を製造する工場を建設したと、 1878年12月21日付のエンジニアリング＆マイニング・ジャーナルに記されている。ディクソン鉛筆は現在も生産されている。^[43]

革命的なフロス浮選法の始まりは、グラファイトの採掘と関連しています。ディクソン クルーシブル カンパニーに関するE&MJ の記事には、昔からグラファイトを採掘するプロセスで使用されていた「浮選タンク」のスケッチが掲載されています。グラファイトは非常に軽いため、グラファイトと廃棄物の混合物は、最終的に一連の水槽に送られ、そこでよりきれいなグラファイトが「浮上」し、廃棄物だけが残ります。1877 年の特許では、ドイツのドレスデンに住む 2 人のベッセル兄弟 (アドルフとオーガスト) がこの「浮選」プロセスをさらに進め、タンクに少量の油を加えて混合物を沸騰させ (攪拌または泡立てるステップ)、グラファイトを収集しました。これは、将来の浮選プロセスへの第一歩でした。アドルフ ベッセルは、ドイツの鉱床からのグラファイトの回収率を 90% に向上させた特許取得プロセスで、ヴェーラー メダルを受賞しました。 1977年、ドイツ鉱山技術者・冶金学会は、浮遊鉱の発見と浮遊鉱の100周年を記念した特別シンポジウムを開催した。^[44]

アメリカ合衆国では、1885年にフィラデルフィアのヒゼキア・ブラッドフォードが同様の製法の特許を取得したが、1890年代までに主要産出地となったペンシルベニア州チェスター郡の近くの黒鉛鉱床で彼の製法がうまく使用されたかどうかは定かではない。ベッセル法は、主に世界中に豊富でよりきれいな鉱床があり、純粋な黒鉛を集めるのに手作業で選別する以上のことは必要としなかったため、使用が制限されていた。 1900年頃の最先端の技術は、カナダの鉱床が黒鉛の重要な産出地になり始めた頃のカナダ鉱山省の黒鉛鉱山と採鉱に関する報告書に記載されている。^{[44] [45]}

歴史的に、黒鉛は黒鉛またはプルンバゴと呼ばれていました。^{[14] [46]}プルンバゴは塊状の鉱物としてよく使われていました。これらの名前はどちらも、見た目が似ている鉛鉱石、特に方鉛鉱との混同から生まれました。鉛を意味するラテン語のplumbumは、この灰色の金属光沢のある鉱物の英語の用語にその名前を与え、この色に似た花を咲かせる植物である鉛草またはプルンバゴにもその名前を与えました。

黒鉛という用語は通常、粉末状または加工された、マットな黒色の黒鉛を指します。

アブラハム・ゴットロープ・ヴェルナーは1789年にグラファイト（「筆記石」）という名前を作った。彼は、1778年にカール・ヴィルヘルム・シェーレがこれらが少なくとも3つの異なる鉱物であることを証明した後、モリブデナ、鉛、黒鉛の混乱を解消しようとした。シェーレの分析により、硫化モリブデン（モリブデン輝水鉛鉱）、硫化鉛（方鉛鉱）、グラファイトの化合物は、3つの異なる柔らかい黒色鉱物であることが示された。^{[47] [48] [49]}

天然黒鉛は主に耐火物、電池、製鋼、膨張黒鉛、ブレーキライニング、鋳物表面仕上げ、潤滑剤などに使用されます。^[50]

耐火物（耐熱性）材料としてのグラファイトの使用は、1900 年以前に溶融金属を入れるグラファイトるつぼで始まりました。これは現在、耐火物の一部にすぎません。1980 年代半ばには、炭素マグネサイトれんがが重要になり、その少し後にはアルミナグラファイト形材が重要になりました。2017 年現在、^{[アップデート]}重要度の順位は、アルミナグラファイト形材、炭素マグネサイトれんが、モノリシック（ガンニングおよびラミング ミックス）、そしてるつぼです。

るつぼには非常に大きなフレーク状黒鉛が使用され始めましたが、炭素マグネサイト煉瓦にはそれほど大きくないフレーク状黒鉛が必要でした。これらの煉瓦やその他の煉瓦では、必要なフレークのサイズに現在でははるかに柔軟性があり、非晶質黒鉛はもはや低価格の耐火物に限定されていません。アルミナ黒鉛の形状は、溶鋼を取鍋から鋳型に運ぶためのノズルやトラフなどの連続鋳造器具として使用され、炭素マグネサイト煉瓦は極度の温度に耐えるために鋼転炉や電気アーク炉の内張りとして使用されます。黒鉛ブロックは高炉の内張りの一部にも使用されます^[51]。高炉では、黒鉛の高い熱伝導性が炉の底部と炉床の適切な冷却を確実にするために重要です。^[52]連続炉の内張りには、炭素マグネサイト煉瓦の代わりに高純度モノリスがよく使用されます。

米国とヨーロッパの耐火物産業は2000年から2003年にかけて危機に陥り、鉄鋼市場の低迷と鉄鋼1トン当たりの耐火物消費量の減少により企業買収や多くの工場閉鎖が続いた。 ^[要出典]工場閉鎖の多くはRHI AGによるHarbison-Walker Refractoriesの買収に起因し、いくつかの工場では設備が競売にかけられた。失われた生産能力の多くは炭素マグネサイト煉瓦用であったため、耐火物分野での黒鉛消費は煉瓦からアルミナ黒鉛形材やモノリシックへと移行した。炭素マグネサイト煉瓦の主な供給源は現在中国である。上記の耐火物のほとんどは鉄鋼の製造に使用され、耐火物消費量の75%を占めている。残りはセメントなどさまざまな産業で使用されている。

USGSによると、2010年の米国の耐火物における天然黒鉛の消費量は12,500トンであった。^[50]

1970年代以降、バッテリーにおけるグラファイトの使用が増加しています。天然および合成グラファイトは、主要なバッテリー技術の電極を構成するアノード材料として使用されています。 ^[53]

1980 年代後半から 1990 年代前半にかけて、主にニッケル水素電池とリチウムイオン電池の需要によりグラファイトの需要が増加しました。この増加は、ポータブルCD プレーヤーや電動工具などのポータブル電子機器によって牽引されました。ノートパソコン、携帯電話、タブレット、スマートフォン製品により、電池の需要が増加しました。電気自動車の電池により、グラファイトの需要が増加すると予想されています。たとえば、完全電気自動車の日産リーフのリチウムイオン電池には、約 40 kg のグラファイトが含まれています。^[要出典]

原子炉から除去された放射性黒鉛は、低電力用途の電力源として研究されてきました。この廃棄物は、ベータ崩壊によって電子を放出する炭素 14 を豊富に含んでいるため、ベータボルタック装置の基礎として使用できる可能性があります。この概念は、ダイヤモンド電池として知られています。

グラファイトは「現在リチウムイオン電池に使用されている主なアノード材料」です。^[54] EVバッテリーは、アノード、カソード、電解質、セパレーターの4つの基本コンポーネントで構成されています。リチウム、ニッケル、コバルト、マンガンなどのカソード材料に多くの注目が集まっていますが、事実上すべてのEVバッテリーに使用されている主なアノード材料はグラファイトです。^[55]

製鉄業における天然黒鉛は、主に溶融鋼の炭素含有量を高めるために使用され、また、高温の鋼を押し出す際に使用する金型の潤滑剤としても使用される。炭素添加物は、合成黒鉛粉末、石油コークス、その他の炭素形態などの代替品と価格面で競合している。炭素添加物は、鋼の炭素含有量を特定のレベルまで高めるために添加される。USGSの黒鉛消費統計に基づく推定では、米国の製鉄業者は2005 年にこの方法で 10,500 トンを使用した。^[50]

天然の非晶質グラファイトと微細フレークグラファイトは、大型車両（非自動車用）のブレーキライニングやブレーキシューに使用されており、アスベストの代替品として重要になってきた。この用途は以前から重要であったが、非アスベスト有機（ NAO）組成によりグラファイトの市場シェアが減少し始めている。ブレーキライニング業界の淘汰と工場の閉鎖は有益ではなく、自動車市場も無関心であった。USGSによると、2005年の米国のブレーキライニング用天然グラファイトの消費量は6,510トンであった。 ^[50]

鋳型洗浄剤は、非晶質または微細なフレーク状グラファイトの水性塗料です。鋳型の内側に塗って乾燥させると、微細なグラファイトコーティングが残り、熱い金属が冷えた後に鋳造物の分離が容易になります。グラファイト潤滑剤は、鍛造金型潤滑剤、固着防止剤、採掘機械のギア潤滑剤、およびロックの潤滑剤として、非常に高温または非常に低温で使用するための特殊品です。低粒度のグラファイト、またはさらに良いことに無粒度のグラファイト（超高純度）が、非常に望ましいです。乾燥粉末、水または油、またはコロイドグラファイト（液体中の永久懸濁液）として使用できます。USGSグラファイト消費統計に基づく推定では、2005年にこの方法で2,200トンが使用されました。^[50] また、金属をグラファイトに含浸させて、高温または低温にさらされる機械のベアリングなど、極端な条件下での用途向けの自己潤滑合金を作成することもできます。^[56]

紙や他の物体に跡を残す能力から、グラファイトは1789年にドイツの鉱物学者アブラハム・ゴットロープ・ヴェルナーによってその名が付けられました。これは古代ギリシャ語で「書く」または「描く」を意味するγράφειν（「graphein」）に由来しています。^{[14] [57]}

16世紀以降、すべての鉛筆は英国産の天然黒鉛の芯で作られていたが、現代の鉛筆の芯は粉末状の黒鉛と粘土の混合物であることが最も一般的で、これはニコラ・ジャック・コンテによって1795年に発明された。 ^{[58] [59]これは金属}鉛とは化学的に無関係であるが、その鉱石の外観は似ているため、名前が引き継がれている。プルンバゴは、描画に使用される天然黒鉛の別の古い用語であり、通常は木製のケースのない鉱物の塊として使用される。プルンバゴ描画という用語は通常、17世紀と18世紀の作品、主に肖像画に限定されている。

現在、鉛筆は天然黒鉛の小さいながらも重要な市場です。2011年に生産された110万トンのうち約7％が鉛筆の製造に使用されました。^[60]低品質のアモルファス黒鉛が使用され、主に中国から供給されています。^[50]

芸術において、グラファイトは、幅広い値（明暗）を実現できるため、詳細で精密な描画によく使用されます。また、より柔らかく繊細な線や陰影を作成するためにも使用できます。グラファイトは、コントロールしやすく、消しやすく、クリーンでプロフェッショナルな外観を生み出すため、アーティストの間で人気があります。また、比較的安価で、広く入手可能です。多くのアーティストが、木炭やインクなどの他の媒体と組み合わせてグラファイトを使用し、作品にさまざまな効果やテクスチャを作成します。^{[61]グラファイトの硬さや柔らかさは、}芸術媒体として使用した場合、さまざまな品質と色調をもたらします。^[62]

グラファイトはおそらくパインウッドダービーで最も多く使われている潤滑剤です。^[63]

天然グラファイトは、亜鉛炭素電池、電動モーターブラシ、その他さまざまな特殊用途に使用されています。鉄道では、蒸気機関車のボイラーの煙室や火室の下部などの露出部分に耐熱保護コーティングを施すために、粉末グラファイトを廃油や亜麻仁油と混ぜることがよくありました。^[64]スコープはんだごては、加熱要素としてグラファイトチップを使用しています。

膨張黒鉛は、天然の薄片状黒鉛をクロム酸の浴槽に浸し、次に濃硫酸に浸すことで作られます。これにより結晶格子面が押し広げられ、黒鉛が膨張します。膨張黒鉛は、黒鉛箔の製造に使用したり、取鍋や赤熱した鋼塊の溶融金属を断熱して熱損失を減らすための「ホットトップ」化合物として直接使用したり、防火扉の周囲やプラスチックパイプを囲む金属板のカラーに取り付けられた防火材として使用したり（火災時には、黒鉛が膨張して炭化し、火の浸透と広がりを防ぎます）、高温で使用するための高性能ガスケット材料の製造に使用したりできます。黒鉛箔にした後、箔は機械加工され、燃料電池のバイポーラプレートに組み立てられます。箔は、軽量化しながらノートパソコンを冷却するヒートシンクに使用され、また、バルブパッキンやガスケットに使用できる箔ラミネートに加工されます。旧式のパッキングは、現在このグループの中ではマイナーなメンバーです。耐熱性を必要とする用途の油やグリースに含まれる微細なフレーク状グラファイトです。GANの推定によると、この最終用途における米国の天然グラファイトの現在の消費量は7,500トンです。^[50]

グラファイトは、いくつかの金属や小分子と層間化合物を形成する。これらの化合物では、ホスト分子または原子がグラファイト層の間に「挟まれ」、化学量論が変化するタイプの化合物となる。層間化合物の代表的な例は、化学式 KC ₈で表されるカリウムグラファイトである。一部のグラファイト層間化合物は超伝導体である。最も高い転移温度 (2009 年 6 月時点) T _{c = 11.5 K は CaC 6}で達成され、加圧下ではさらに上昇する (8 GPa で 15.1 K)。^[65] 膨張による著しい損傷なしにリチウムイオンを挿入できるグラファイトの能力により、グラファイトはリチウムイオン電池の主要なアノード材料となっている。

1893年、ル・カルボンのチャールズ・ストリートは人造黒鉛の製造方法を発見した。1890年代半ば、エドワード・グッドリッチ・アチソン（1856-1931）は、カーボランダム（シリコンカーバイドとも呼ばれる）を合成した後、偶然にも合成黒鉛を製造する別の方法を発明した。彼は、純粋な炭素とは対照的に、カーボランダムを過熱すると、ほぼ純粋な黒鉛が生成されることを発見した。高温がカーボランダムに与える影響を研究しているときに、彼はシリコンが約4,150°C（7,500°F）で蒸発し、黒鉛状炭素に炭素が残ることを発見した。この黒鉛は潤滑剤として貴重となった。^[14]

アチソンのシリコンカーバイドとグラファイトを製造する技術は、アチソン法と呼ばれています。1896年、アチソンはグラファイト合成法の特許を取得し、^[66] 1897年に商業生産を開始しました。^[14]アチソングラファイト社は1899年に設立されました。

合成グラファイトはポリイミドから製造され、商品化されることもある。^{[67] [68]}

高配向熱分解グラファイト（HOPG）は最高品質の合成グラファイトであり、特に走査プローブ顕微鏡の校正用の長さ標準として科学研究に使用されています。^{[69] [70]}

グラファイト電極は、製鉄炉の大部分を占める電気炉で、スクラップ鉄や鋼、場合によっては直接還元鉄(DRI) を溶かす電気を運びます。これらは石油コークスをコールタールピッチと混合して作られています。押し出して成形し、焼成してバインダー (ピッチ) を炭化します。これは最終的に、炭素原子がグラファイトに配列する 3,000 °C (5,430 °F) 近くの温度に加熱してグラファイト化されます。サイズは、長さ 3.5 m (11 フィート)、直径 75 cm (30 インチ) までさまざまです。世界の鉄鋼生産のうち、電気アーク炉で製造される割合は^{[現在? ]}増加しており、電気アーク炉自体の効率も向上し、電極 1 トンあたりの鉄鋼生産量が増加しています。USGSのデータに基づく推定では、2005年のグラファイト電極の消費量は197,000トン（217,000ショートトン）であった。^[50]

アルミニウムの電解製錬でも黒鉛炭素電極が使用される。はるかに小規模ではあるが、合成黒鉛電極は放電加工（EDM）に使用され、一般的にはプラスチックの射出成形金型の製造に用いられる。^[71]

粉末は、石油コークスの粉末を黒鉛化温度以上に加熱して作られ、場合によっては若干の調整が行われる。黒鉛スクラップは、使用できない電極材料（製造段階または使用後）の破片と旋盤の削りくずから得られ、通常は粉砕およびサイズ分けされた後である。合成黒鉛粉末のほとんどは、鉄鋼の炭素増加（天然黒鉛と競合）に使用され、一部はバッテリーやブレーキライニングに使用される。米国地理調査所によると、米国の合成黒鉛粉末およびスクラップの生産量は、2001年（最新データ）に95,000トン（93,000ロングトン、105,000ショートトン）であった。^[50]

^{ギルソカーボン[72] [73]}などの特殊グレードの合成グラファイトも、原子炉内のマトリックスおよび中性子減速材として使用されています。中性子断面積が低いため、提案されている核融合炉での使用にも適しています。原子炉グレードのグラファイトには、市販のグラファイト堆積システムのシード電極として広く使用されているホウ素などの中性子吸収材料が含まれていないことに注意する必要があります。このことが、第二次世界大戦中のドイツのグラファイトベースの原子炉の失敗の原因でした。ドイツは問題を切り分けることができなかったため、はるかに高価な重水減速材を使用せざるを得ませんでした。原子炉に使用されるグラファイトは、しばしば原子炉グラファイトと呼ばれます。ユニオン・カーバイドの部門であるナショナル・カーボンに勤めるバークレー出身の物理学者ハーバート・G・マクファーソンは、レオ・シラードの推測を裏付ける上で重要な役割を果たした。その推測とは、「純粋な」グラファイトであってもホウ素不純物があると、グラファイトの中性子吸収断面積が大きくなり、U-235連鎖反応が損なわれるというものである。マクファーソンはグラファイトに不純物が存在することを認識していた。なぜなら、テクニカラーが映画撮影に使われていたため、映写機で使われるグラファイト電極アークのスペクトルでは、赤色領域の光の放出を強めてスクリーンに暖色系の肌色を表示するために不純物が必要だったからである。したがって、カラー映画がなかったら、最初の持続的な天然U連鎖反応には重水減速炉が必要だった可能性が高い。^[74]

グラファイト（炭素）繊維とカーボンナノチューブは、炭素繊維強化プラスチックや、強化炭素炭素（RCC）などの耐熱複合材料にも使用されています。炭素繊維グラファイト複合材料で作られた商業用構造物には、釣り竿、ゴルフクラブシャフト、自転車のフレーム、スポーツカーのボディパネル、ボーイング787ドリームライナーの胴体、ビリヤードの キュースティックなどがあり、鉄筋コンクリートにも効果的に使用されています。炭素繊維グラファイト強化プラスチック複合材料とねずみ鋳鉄の機械的特性は、これらの材料におけるグラファイトの役割に大きく影響されます。この文脈では、「（100％）グラファイト」という用語は、炭素強化材と樹脂の純粋な混合物を指すために緩く使用されることが多く、「複合材料」という用語は、追加の成分を含む複合材料に使用されます。^[75]

現代の無煙火薬は静電気の蓄積を防ぐためにグラファイトでコーティングされています。

グラファイトは、少なくとも 3 種類のレーダー吸収材に使用されています。Sumpf 社と Schornsteinfeger 社では、グラファイトをゴムと混合して、 U ボートの シュノーケルに使用し、レーダー断面積を縮小しました。また、初期のF-117 ナイトホークステルス攻撃戦闘機 のタイルにも使用されました。

グラファイト複合材料は、例えば大型ハドロン衝突型加速器のビームダンプなどの高エネルギー粒子の吸収材として使用されています。^[76]

グラファイト棒は形を整えて、ガラス細工の道具として、熱い溶融ガラスを扱うのに使われます。^[77]

グラファイトは、露天掘りと地下採掘の両方の方法で採掘されます。グラファイトは通常、選鉱が必要です。これは、鉱石 (岩石) の破片を手で拾い、製品を手でふるいにかけるか、岩石を粉砕してグラファイトを浮上させることによって行われます。浮上による選鉱では、グラファイトが非常に柔らかく、鉱石の粒子に「マーク」 (コーティング) が付くという問題に直面します。これにより、「マーク」された鉱石の粒子がグラファイトとともに浮上し、不純な濃縮物が生成されます。商業用の濃縮物または製品を得るには、濃縮物を精製するために再粉砕と浮上 (最大 7 回) を繰り返すか、鉱石をフッ化水素酸(ケイ酸塩鉱石の場合) または塩酸(炭酸塩鉱石の場合) で酸浸出 (溶解) する方法の 2 つの方法があります。

粉砕では、入ってくるグラファイト製品と濃縮物は、分類（サイズ分けまたはふるい分け）される前に粉砕され、粗いフレークサイズのフラクション（8メッシュ未満、8〜20メッシュ、20〜50メッシュ）は慎重に保存され、その後炭素含有量が測定されます。いくつかの標準ブレンドは、それぞれ特定のフレークサイズ分布と炭素含有量を持つさまざまなフラクションから準備できます。特定のフレークサイズ分布と炭素含有量を希望する個々の顧客向けにカスタムブレンドを作成することもできます。フレークサイズが重要でない場合は、濃縮物はより自由に粉砕できます。一般的な最終製品には、石油掘削のスラリーや鋳型のコーティングに使用される微粉末、鉄鋼業界の炭素ライザー（合成グラファイト粉末と粉末石油コークスも炭素ライザーとして使用できます）などがあります。グラファイトミルによる環境への影響には、作業員の微粒子への曝露を含む大気汚染、および土壌の重金属汚染につながる粉末流出による土壌汚染があります。

米国地質調査所（USGS）によると、 2016年の世界の天然黒鉛生産量は120万トンで、そのうち主な輸出国は中国（78万トン）、インド（17万トン）、ブラジル（8万トン）、トルコ（3万2千トン）、北朝鮮（6千トン）となっている。^{[78]現在、}米国では黒鉛の採掘は行われていないが、アラバマ州、モンタナ州、ニューヨーク州アディロンダック山脈など、歴史的な鉱山跡が数多くある。 ^[79] ウエストウォーター・リソーシズは、アラバマ州シラコーガ近郊のクーサ黒鉛鉱山のパイロットプラントの開発段階にある。^[80] 2010年の米国の合成黒鉛生産量は13万4千トンで、その価値は10億7千万ドルであった。^[50]

潜在的な健康への影響としては、以下のものが挙げられます。

• 吸入: 製造および出荷状態では吸入の危険性はありません。材料から発生する粉塵や煙は、吸入により体内に入る可能性があります。高濃度の粉塵や煙は、喉や呼吸器系を刺激し、咳を引き起こす可能性があります。長期間にわたって煙や粉塵を頻繁に吸入すると、肺疾患を発症するリスクが高まります。粉塵に長時間繰り返し過度にさらされると、塵肺症を引き起こす可能性があります。肺気腫などの既存の肺疾患は、高濃度のグラファイト粉塵に長時間さらされると悪化する可能性があります。
• 目に入った場合: 目に入った粉塵は刺激を引き起こします。暴露すると、目が涙目になったり、赤くなったり、不快感を覚えたりすることがあります。
• 皮膚への接触: 通常の使用条件下では、この物質は健康に危険を及ぼすことはありません。粉塵は皮膚を刺激する可能性があります。
• 摂取: 製造および出荷時の製品の形状により関係ありません。ただし、作業中に発生した粉塵を摂取すると、吐き気や嘔吐を引き起こす可能性があります。
• 潜在的な物理的/化学的影響: バルク材料は不燃性です。この材料は粉塵を形成し、静電気を蓄積して電気火花(発火源)を引き起こす可能性があります。粉塵レベルが高いと爆発の危険性があります。

労働安全衛生局（ OSHA ）は、職場でのグラファイト暴露の法的限度（許容暴露限度）を、 8時間労働で 1立方フィートあたり1500万粒子（1.5 mg/m ^{3 ）の時間加重平均（TWA）と定めている。}国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は、8時間労働でTWA 2.5 mg/m ^{3の呼吸性粉塵の}推奨暴露限度（REL）を定めている。1250 mg/m ³のレベルでは、グラファイトは直ちに生命と健康に危険を及ぼす。^[81]

グラファイトのリサイクルの最も一般的な方法は、合成グラファイト電極を製造してその一部を切り取るか、旋盤の削りくずを再利用のために廃棄するか、電極（またはその他の材料）を電極ホルダーまですべて使用することです。新しい電極が古い電極と交換されますが、古い電極のかなり大きな部分が残ります。これは粉砕され、サイズ調整され、結果として生じるグラファイト粉末は主に溶融鋼の炭素含有量を高めるために使用されます。

グラファイト含有耐火物もリサイクルされることがあります。しかし、グラファイト含有量が少ないため、リサイクルされないことも多いです。グラファイト含有量が 15～25% しかないカーボンマグネサイトレンガなどの最も量の多いアイテムは、通常、リサイクルする価値がないほどグラファイト含有量が少ないのです。しかし、リサイクルされたカーボンマグネサイトレンガの一部は、炉の修理材料のベースとして使用され、また、粉砕されたカーボンマグネサイトレンガは、スラグ調整装置に使用されます。

るつぼには高濃度のグラファイトが含まれていますが、使用後にリサイクルされるるつぼの量はごくわずかです。

天然のフレークグラファイトによく似た高品質のフレークグラファイト製品は、製鋼キッシュから作ることができます。キッシュは、酸素炉に供給される溶融鉄からすくい取られる大量のほぼ溶融状態の廃棄物で、グラファイト（過飽和鉄から沈殿）、石灰を多く含むスラグ、およびいくらかの鉄の混合物で構成されています。鉄は現場でリサイクルされ、グラファイトとスラグの混合物が残ります。最良の回収プロセスは、水流を利用して鉱物を比重で分離する水圧分級（グラファイトは軽く、最後に沈殿する）を使用して、70% のグラファイト粗濃縮物を得る方法です。この濃縮物を塩酸で浸出すると、 10メッシュ（2 mm）以下のフレークサイズの 95% グラファイト製品が得られます。

2012年から2021年にかけて、グラファイト技術に関する特許ファミリーは全世界で6万件以上出願された。特許は60を超える国と地域の出願人によって出願された。しかし、グラファイト関連の特許ファミリーは、主に数カ国に由来している。中国は4万7000件以上の特許ファミリーで最大の出願国であり、過去10年間に世界中で出願されたグラファイト特許ファミリーの5分​​の4を占めている。その他の主要国としては、日本、韓国、米国、ロシア連邦が挙げられた。出願人出身国上位5カ国を合わせると、グラファイト関連の世界特許出願数の95％を占めている。^[82]

さまざまなグラファイト源の中で、鱗片状黒鉛は特許ファミリーの数が最も多く、2012年から2021年にかけて世界中で5,600件以上が出願されています。中国は商業団体や研究機関による積極的な研究に支えられ、鱗片状黒鉛を最も積極的に活用している国であり、この分野での世界の特許出願の85パーセントを占めています。

同時に、人工黒鉛の新しい合成方法や用途を模索するイノベーションは世界中で注目を集めており、各国はこの人工物質に関連する優れた材料特性を活用し、天然素材への依存を減らそうとしている。特許取得活動は商業団体、特に世界的に有名なバッテリーメーカーやアノード材料サプライヤーによって強く主導されており、特許取得の関心はバッテリーアノード用途に集中している。^[82]

グラファイト内の炭素層を分離するバルクグラファイトの剥離プロセスは、2012年から2021年にかけて広範囲に研究されてきました。具体的には、超音波剥離と熱剥離が世界中で最も人気のある2つのアプローチであり、それぞれ4,267件と2,579件の特許ファミリーがあり、化学的または電気化学的代替方法よりも大幅に多くなっています。

超音波剥離に関する世界的な特許取得活動は年々減少しており、この低コスト技術が定着していることを示している。熱剥離はより最近のプロセスである。超音波剥離と比較して、この高速で溶剤を使わない熱アプローチはより大きな商業的関心を集めている。^[82]

リチウムイオン電池の最も普及しているアノード材料として、グラファイトは電池用途で世界中で大きな注目を集めています。2012年から2021年にかけて8,000件を超える特許ファミリーが申請されており、電池用途は世界的なグラファイト関連の発明の主な原動力となっています。この分野でのイノベーションは、グラファイトアノードのイノベーションに基づく電池性能の向上に重点を置いた大規模な特許ポートフォリオを蓄積してきた電池メーカーやアノードサプライヤーによって主導されています。業界関係者に加えて、学界や研究機関もグラファイトアノード技術におけるイノベーションの重要な源となっています。

ポリマー用途のグラファイトは2012年から2021年にかけてイノベーションのホットトピックであり、世界中で8,000を超える特許ファミリーが記録されています。しかし、近年、中国、日本、アメリカ合衆国（US）など、この分野の出願人出身国上位国では、特許出願件数が減少しています。^[82]

セラミック製造用のグラファイトも集中的に研究されている分野であり、過去 10 年間だけで 6,000 件を超える特許ファミリーが登録されています。特に、耐火物用のグラファイトは、中国ではセラミック関連のグラファイト特許ファミリーの 3 分の 1 以上を占め、世界のその他の地域では約 5 分の 1 を占めています。その他の重要なグラファイトの用途には、電気・電子、航空宇宙、精密工学から軍事・原子力用途まで、特定の産業向けの炭化物などの高価値セラミック材料があります。

カーボンブラシは、長年研究されてきたグラファイトの応用分野です。この分野では過去 10 年間に発明がほとんどなく、2012 年から 2021 年にかけて出願された特許ファミリーは 300 件未満で、1992 年から 2011 年の間と比べて大幅に減少しています。

バイオメディカル、センサー、導電性インクは、著名な大学や多国籍企業を含む学界と商業団体の両方から関心を集めているグラファイトの新興応用分野です。新興技術分野では通常、関連する特許ファミリーは、特定のプレーヤーが独占することなく、さまざまな組織によって申請されています。その結果、上位の申請者は、強力な技術蓄積と大規模な特許ポートフォリオを持つ十分に探索された分野とは異なり、発明の数が少なくなります。これら3つの新興分野のイノベーションの焦点は非常に分散しており、申請者が1人であっても多様になる可能性があります。ただし、最近の発明は、グラファイトナノマテリアル、特にグラファイトナノ複合材料とグラフェンの開発を活用していると見られています。^[82]

 この記事には、フリーコンテンツ作品からのテキストが組み込まれています。CC-BY ライセンス。テキストは、WIPO の Patent Landscape Report - Graphite and its applications​ から引用しました。

• Lipson, H.; Stokes, AR (1942). 「炭素の新しい構造」. Nature . 149 (3777): 328. Bibcode :1942Natur.149Q.328L. doi : 10.1038/149328a0 . S2CID  36502694.
• C.Michael Hogan、Marc Papineau、他 (1989 年 12 月 18 日)。フェーズ I 環境サイト評価、Asbury Graphite Mill、2426-2500 Kirkham Street、オークランド、カリフォルニア州、Earth Metrics レポート 10292.001 (レポート)。
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