La fabrication du graphite artificiel

L’histoire de Mersen débute par une série d’innovations liées à la fabrication du graphite synthétique. Le présent article explique comment Mersen fabrique ce matériau unique et comment les propriétés exceptionnelles de ce dernier trouvent de multiples applications dans les industries d’aujourd’hui et de demain et contribuant ainsi à la croissance du Groupe.

Le graphite, un matériau aux propriétés remarquables
Les multiples utilisations du graphite découlent directement des propriétés physiques exceptionnelles de ce matériau. Le graphite se caractérise en effet par sa résistance aux très hautes températures ou à la corrosion, sa conductivité thermique et électrique, sa résistance mécanique, ses propriétés auto-lubrifiantes, sa haute capacité à être usiné, ou encore sa durée de vie.
L’ensemble de ces qualités en fait un matériau indispensable pour de multiples applications industrielles.

Avant de les découvrir, petit retour sur l’histoire et les secrets de fabrication du
graphite synthétique.

Un peu d’histoire
On rencontre les carbones et graphites sous différentes formes. Si le graphite naturel est extrait des mines, le graphite artificiel résulte de la graphitation du carbone amorphe, procédé découvert et breveté en 1893 par Charles Street, ingénieur chez Le Carbone, l’ancêtre du Groupe, qui constituera d’ailleurs, sa première innovation majeure.

Secrets de fabrication
Matières premières
Au départ, trois ingrédients de base :

• les cokes, obtenus par la carbonisation (à plus de 1000°C) des goudrons, produits par distillation du pétrole et de la houille,
• le graphite artificiel, qui provient du recyclage de matériaux graphites,
• le noir de carbone, ou graphite naturel, et des ingrédients complémentaires : un dérivé du pétrole et du charbon, qui sera utilisé comme liant pour  agglomérer les particules entre elles.

Fabrication (cf. figure 1)
Après avoir été contrôlés pour en vérifier la qualité, les ingrédients principaux sont d’abord broyés. Coke, graphite et liant solide sont ensuite chargés dans un mélangeur chauffant. La hausse de la température va faire fondre le liant et provoquer à terme, le mouillage des grains avant que la baisse progressive de la température permette d’accroître la viscosité du mélange jusqu’à sa solidification.

Après une nouvelle opération de broyage, le mélange est introduit dans un moule en caoutchouc pour être compressé ou filé, ou il peut être extrudé dans une filière. Il passe ensuite par une étape de cuisson destinée à éliminer les matières  volatiles.

Cette phase extrêmement longue (1 à 2 mois) s’effectue à une température de 800°C à 1000°C.

S’ensuit la phase de graphitation, qui consiste à traiter les blocs, dans un four électrique à 3000°C pendant une à trois semaines. A très haute température, les atomes de carbone se réorganisent en structures cristallines hexagonales, constituant ainsi du graphite artificiel. Les propriétés de la matière changent. Le matériau devient un bon conducteur. Sa résistance à l'oxydation s'améliore.
Les blocs sont ensuite sciés aux dimensions finales puis font l’objet d’une série de tests (densité, résistivité, résistance à la flexion, dureté, coefficient de dilatation….) pour en garantir la qualité.

La durée totale de cette première phase est d’environ 4 mois.

Différents traitements complémentaires de purification et d’imprégnation vont ensuite permettre d’exacerber les qualités du graphite et lui conférer des atouts indispensables dans de nombreux procédés industriels.

Des propriétés remarquables au service d’environnements industriels particulièrement exigeants
En fonction de ses propriétés induites par les modes de fabrication et les étapes de production, le graphite (cf. encadré) pourra être utilisé dans différentes applications comme :

• la fabrication du silicium indispensable à la fabrication des panneaux solaires,
• la fabrication des LEDs et semi-conducteurs,
• l’utilisation dans des environnements très corrosifs, ce qui va lui permettre de servir l’industrie de la chimie fine et de la pharmacie,
• l’utilisation dans des environnements extrêmement chauds (revêtements de fours, verrerie….),
• la construction mécanique : pièces de frottement, joints d’étanchéité, produits lubrifiants,
• les applications électriques avec notamment les balais de moteurs,
• l’industrie ferroviaire avec les bandes de captage.

Différents types de graphite artificiel
Il existe différents types de graphite artificiel dont les propriétés diverses
permettent une multitude d’applications industrielles : 

• Le graphite isostatique de haute qualité (compressé dans une presse isostatique) servira les applications solaires, et les LEDs et semi-conducteurs, l’électroérosion, l’industrie du verre, la chimie… Mersen est co-leader mondial du graphite isostatique.
• Le graphite extrudé sera utilisé sous forme d’électrodes dans des fours de production d’acier recyclé.
• Le graphite extrudé de spécialité sera utilisé dans les équipements de fours, les échangeurs, les moules, les creusets, les nacelles….
• Le graphite moulé sera utilisé pour la fabrication d’électrodes pour l’électroérosion, les moules pour la coulée continue ou le frittage…

Prochain numéro Focus Mersen
Nous découvrirons dans un prochain numéro de Mersen Focus comment la pureté extrême du graphite isostatique de Mersen et les innovations technologiques du groupe permettant de produire des pièces de tailles record sur le marché, apportent des réponses aux nouveaux enjeux des filières solaire et électronique.

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