Structures ordonnées

Le graphite est la forme stable du carbone à température et à pression ordinaires. Sa structure est constituée de feuillets hexagonaux non compacts, nommés graphènes (plans graphitiques).
Le graphène sert de motif élémentaire qui, une fois répété dans l’espace, peut former le graphite hexagonal ou le graphite rhomboédrique.
La variété thermodynamiquement stable du graphite est la structure hexagonale. Ainsi, la phase rhomboédrique, qui n’est jamais isolée mais toujours mélangée avec la phase hexagonale, se transforme en structure hexagonale par traitement thermique vers 2 000°C.
Les couches de graphènes sont empilées selon des séquences particulières qui permettent de différencier le graphite hexagonal (empilement ABAB), le graphite rhomboédrique (ABCABC) et le graphite turbostratique (empilement aléatoire). Ce dernier type de graphite a été identifié dans le noir de carbone et conduit à un graphite hexagonal par simple traitement thermique.
Ces trois types de graphite sont des structures ordonnées.

Structures désordonnées

Les graphites désordonnés sont issus de la pyrolyse de composés organiques à des températures inférieures à 1 000°C. Lors de ce traitement thermique, une première étape de carbonisation se déroule autour de 500°C pour former des graphènes plus ou moins ordonnés. Après l’étape de traitement thermique à plus haute température (3 000°C), deux catégories sont identifiées :
- les matériaux carbonés, dont la structure cristallographique évolue vers un empilement de type graphite hexagonal, sont dits carbones graphitables ou carbones tendres (exemples : vitrinite du charbon, anthracène, résidus de pyrolyse de composés aromatiques),
- les matériaux carbonés, dont la structure reste éloignée du graphite hexagonal, sont appelés carbones non graphitables ou carbones durs (exemples : carbonisats du sucre, du bois, de polymères et de cellulose).

Propriétés

Le graphite naturel est noir ou gris noir, relativement tendre (dureté de 1 à 2 sur l’échelle de Mohs qui compte 10 niveaux), luisant, d’apparence légèrement graisseuse, infusible, insoluble dans les acides, inodore et insipide. Le graphite est non toxique et pratiquement inerte chimiquement. Il laisse un trait noir sur la porcelaine vitrifiée.
Sous forme de paillettes, il est opaque, relativement flexible et sécable. Il présente un clivage parallèle à certaines faces cristallographiques : il est donc facile à travailler ou à usiner sous forme massive. Il s’allie difficilement avec les métaux, sauf l’acier.

Sa densité est de 2,26 g.cm^-3. Son point de fusion est à 3 500°C.

Le graphite possède des caractéristiques de métal et de non-métal. Ainsi parmi ses propriétés métalliques, on peut citer la conductivité électrique et thermique et parmi les propriétés de non-métal, on peut noter une résistance thermique élevée, une nature inerte et son pouvoir lubrifiant à sec (car il est gras).

Il est hydrophobe, chargé négativement et très diamagnétique. Il possède une faible sensibilité photoélectrique et absorbe le rayonnement infrarouge. En ce qui concerne sa résistance aux environnements chimiques et électrochimiques, le graphite supporte particulièrement bien les attaques chimiques, à conditions d’être à l’abri de l’oxygène, du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau.

Le graphite naturel comprend certaines impuretés telles que le mica, l’oxyde de fer, le granite et la silice libre. La plupart des impuretés métalliques sont des catalyseurs d’oxydation et sont indésirables lors des applications anti-corrosion. De plus, utilisé pour la fabrication de piles sèches, le graphite doit être exempt de cobalt, cuivre, antimoine et arsenic.

Lorsque le graphite est employé pour la confection ou revêtement de creusets, becs de coulée ou moules destinés à contenir un métal fondu, le métal ne doit pas mouiller le graphite. Cette faible mouillabilité signifie que le métal en fusion ne s’étale pas sur le solide mais qu’il glisse dessus.

Ce minéral possède une bonne conductivité thermique mais qui décroît avec la température. Sa combustion est lente. Il possède une bonne résistance mécanique sur une large gamme de températures et est donc incorporé dans les matériaux réfractaires (creusets, briques, matériaux de coulée continue, bouchons de poche d’acier).

Le graphite a une résistivité électrique qui varie peu avec la température. Il peut servir à conduire l’électricité (et aussi la chaleur) dans les milieux où son emploi s’impose (température pouvant atteindre 3 000°C, atmosphère non oxydante), mais il peut aussi constituer la matière de résistances chauffantes.

La connaissance du coefficient de dilatation est importante chaque fois que le graphite doit être soumis à des chocs thermiques ou à des cycles répétés. Ce paramètre joue un rôle primordial pour la tenue des revêtements (métaux, céramiques).

Le graphite synthétique ou artificiel a un taux de cristallinité inférieur à celui du graphite naturel mais est plus pur que celui-ci.

Les graphites synthétisés possèdent de meilleures propriétés mécaniques que le graphite naturel car les particules de graphite sont liées entre elles par une phase vitreuse.