دليل الخواص الميكانيكية للجرافيت: كل ما تحتاج إلى معرفته

الخواص الميكانيكية للجرافيت هي خواص مختلفة تظهر تحت تأثير القوة. ويمكن استخلاص هذه الخواص بوضوح من الخصوصية التركيبية للجرافيت - حيث إن ذرات الكربون داخل كل طبقة لها رابطة تساهمية متينة ولكن الرابطة بين الطبقات ضعيفة.

الخواص الميكانيكية للجرافيت

قوة انضغاط الجرافيت

قوة انضغاط الجرافيت متباينة الخواص، والقوة الموازية للمستوى أعلى بكثير من تلك الموجودة في الاتجاه الرأسي. على سبيل المثال، تبلغ قوة انضغاط أقطاب الكربون في الاتجاه الموازي 21.6 ~ 49.0 ميجا باسكال، بينما تبلغ قوة انضغاط الأقطاب الكربونية في الاتجاه الرأسي 11.7 ~ 29.4 ميجا باسكال فقط. إلى جانب ذلك، يتم تحسين قوة انضغاط الجرافيت المتحلل بالحرارة بشكل كبير عند درجة حرارة عالية تصل إلى 137.3 ميجا باسكال.

قوة انثناء الجرافيت

قوة انثناء الجرافيت لها اختلافات في الاتجاه: 4.9 ~ 12.7 ميجا باسكال في الاتجاه الموازي و5.8 ~ 15.7 ميجا باسكال في الاتجاه الرأسي. تزداد قوة انثناء الجرافيت مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يشير إلى خصائص ميكانيكية ممتازة جدًا في درجات الحرارة العالية.

معامل مرونة الجرافيت الجرافيت

يعكس معامل مرونة الجرافيت العلاقة بين الإجهاد والإجهاد، والاتجاه المتوازي أكثر من الاتجاه الرأسي، ودرجة حرارة الغرفة حرجة بشكل خاص. مع ارتفاع درجة الحرارة، يكون تغير معامل المرونة مهمًا جدًا للتنبؤ بأداء الميكانيكا.

معامل التمدد الحراري للجرافيت

يتغير الجرافيت مع درجة الحرارة، ويكون اختلاف معامل التمدد الحراري واضحًا بين الاتجاهات المختلفة. التحلل الحراري الجرافيت بنية ممتازة وثبات أبعاد جيد في درجات الحرارة العالية.

قوة الخضوع للجرافيت

تعكس قوة الخضوع قدرة الجرافيت على التحول من تشوه مرن إلى تشوه بلاستيكي، ويتأثر حجمه كثيرًا بالاتجاه ودرجة الحرارة. تتحسن قوة الخضوع بشكل كبير في درجات الحرارة المرتفعة، وهو ما يتوافق مع بيئة درجات الحرارة المرتفعة.

صلابة الجرافيت

صلابة الجرافيت متباينة الخواص وتعتمد على طريقة الاختبار؛ ويمكن تحديدها عن طريق صلابة المسافة البادئة أو صلابة الارتداد. يتميز الجرافيت المتحلل حرارياً بصلابة عالية نسبياً وهو مناسب بشكل خاص للتطبيقات ذات الدقة العالية. تعتمد الصلابة على اتجاه وكيفية تطبيق الحمل.

تطبيق يعتمد على الخواص الميكانيكية للجرافيت

تطبيقات درجات الحرارة العالية

يشيع استخدامها في أجزاء الفرن, البوتقاتوقوالب لصب المعادن، يمكن للمادة الاحتفاظ بسلامتها الهيكلية ومقاومة التشوه في درجات الحرارة العالية للغاية. وبالإضافة إلى ذلك، يقلل معامل التمدد الحراري المنخفض من الإجهاد الحراري بشكل فعال ويظهر متانة ممتازة في التغيرات السريعة في درجات الحرارة.

الطيران والفضاء والدفاع

ونظرًا لخفة وزنه ونسبة قوته إلى وزنه العالية وخصائصه المقاومة للحرارة الشديدة، فإن له استخدامات واسعة في صناعة الصواريخ الفوهاتوأنظمة الحماية الحرارية والمكونات الهيكلية. وبفضل خصائصه الميكانيكية ذات درجات الحرارة العالية، يمكن للجرافيت أن يحقق ثباتًا جيدًا جدًا في البيئات القاسية. وعلاوة على ذلك، يمكن تحسين تباين خواصه عن طريق التصميم لتلبية متطلبات الأداء المختلفة للمكونات.

الصناعة النووية

تمكّن الخواص الميكانيكية الجيدة والاستقرار الكيميائي الجرافيت من العمل كمادة مهدئة وهيكلية في نووي المفاعلات. ويتمتع الجرافيت بمساحة مقطع عرضي منخفضة لامتصاص النيوترونات وقوة ضغط عالية، مما يمكّن هذه المادة من العمل بثبات لفترة طويلة جداً من الزمن في ظروف الإشعاع العالي وظروف درجات الحرارة العالية.

التزييت ومانع التسرب

يتميز الجرافيت بصلابة منخفضة وخصائص تشحيم ذاتي جيدة وقوة ضغط عالية. يمكن استخدامه على نطاق واسع في المحاملوحشيات وموانع تسرب المعدات الصناعية. إن معامل الاحتكاك المنخفض ومقاومته الممتازة للتآكل مناسب بشكل خاص لاحتياجات الختم في بيئات الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية والتآكل الكيميائي.

التأثير على الخواص الميكانيكية للجرافيت

التركيب البلوري للجرافيت

تمثل الحدود الحبيبية لعيوب Stone-Wales تأثيرًا كبيرًا على قوة الشد وسلوك الكسر. كما يمكن أن يكون للمناطق التي تكون فيها العيوب ذات بنية عالية الكثافة قوة ميكانيكية أقل، حيث قد يتركز الإجهاد الموضعي.

طريقة إنتاج الجرافيت

وعادةً ما يتضمن الجرافيت متعدد الكريستالات المُصنَّع بواسطة CVD حدودًا حبيبية مما يوفر قوة شد أقل. ومع ذلك، يتمتع الجرافيت أحادي البلورة بخصائص ميكانيكية أفضل لمجرد وجود عيوب أقل.

حجم حبيبات الجرافيت واتجاهها

ويرجع ذلك إلى أن الحبيبات الأكبر حجمًا قد توفر مسارًا أكثر استمرارية لتوزيع الإجهاد، وبالتالي زيادة القوة. ومع ذلك، فإن الحبيبات الأصغر حجمًا قد تؤدي إلى زيادة الهشاشة وزيادة انخفاض القوة الكلية بسبب زيادة حدود الحبيبات.

تعديل سطح الجرافيت وتوظيفه

يسمح تعديل السطح والتوظيف الوظيفي بتحسين التفاعلات على السطح وتوزيع أكثر تجانسًا للضغوط، مما يقلل من الأعطال بسبب العيوب. على سبيل المثال، قد تكون الأسطح الوظيفية أكثر صلابة ومقاومة لنمو الشقوق.

الخاتمة

وباعتباره مادة غير معدنية، فإن بنية الجرافيت ومورفولوجية الجرافيت تحدد عادةً خواصه الميكانيكية. كما تستخدم الخصائص الميكانيكية الممتازة للجرافيت على نطاق واسع في العديد من المجالات الصناعية. في المستقبل ، سيكون تطبيق الخواص الميكانيكية للجرافيت أكثر شمولاً وعمقًا مع التقدم المستمر وتحسين العلوم والتكنولوجيا. سيوفر هذا اتجاهًا جديدًا لتطوير الصناعة والعلوم والتكنولوجيا.