نبذة عن الجرافيت المحلّل حراريًا

الجرافيت الحراري هو جرافيت متعدد البلورات مصنوع من تحلل غاز هيدروكربوني. يشبه هذا المركب الذي يصنعه الإنسان الجرافيت. ومع ذلك، فإن لها العديد من الخصائص الفريدة. ونتيجة لذلك، يستخدمه الأفراد في مختلف الصناعات لتطبيقات متنوعة. يزودك هذا المنشور بمعلومات كاملة عن الجرافيت الحراري وخصائصه وتطبيقاته. دعونا نبدأ.

نظرة عامة على مركب الجرافيت الانحلالي الحراري

الجرافيت المتحلل حرارياً هو شكل من أشكال الجرافيت ينتج عن تحلل غاز هيدروكربوني.

عندما تصل درجة حرارة الغاز الهيدروكربوني إلى مرحلة التحلل في جو مفرغ من الهواء، فإنه يشكل طبقات جرافيت عالية التوجه.

ما يجعله مختلفًا عن الجرافيت العادي هو بنيته البلورية. فعلى عكس الجرافيت الطبيعي، يحتوي على ذرات كربون منظمة. وعلاوة على ذلك، فهو متباين الخواص.

دعونا نتعرف على خصائصه.

خصائص/خصائص الجرافيت المحلّل حراريًا

يتميز الجرافيت المتحلل حرارياً بمجموعة متنوعة من الخصائص. ونظراً للخصائص التالية، فإن هذا الجرافيت له تطبيقات في العديد من الصناعات.

موصلية حرارية عالية

يشتهر الجرافيت الحراري بالتحلل الحراري بتوصيله الحراري العالي في المستوى، وذلك بفضل ترابطه التساهمي القوي.

في درجة حرارة الغرفة، يمكن أن تصل إلى 2000 واط/م-ك. هذه الجودة تجعل هذه المادة مثالية لمنتجات مثل موزعات الحرارة والمشتتات الحرارية.

موصلية كهربائية عالية

الجرافيت المتباين الخواص الحرارية متباين الخواص ويتميز ببنية متعددة الطبقات. ونتيجة لذلك، فإنه يدعم تدفقًا ممتازًا للكهرباء. تتحرك إلكترونات هذا الجرافيت بسهولة على طول ذرات الكربون المترابطة.

مقاومة درجات الحرارة العالية

يمكن أن يتحمل الجرافيت المتحلل حراريًا درجات حرارة عالية للغاية. وهو كربون مستقر ديناميكيًا حراريًا. ونتيجة لذلك، يحتفظ بتركيبته الكيميائية في درجات الحرارة العالية. يعمل المركب بشكل جيد حتى عند درجة حرارة 3500 درجة مئوية في جو غير مؤكسد.

الاستقرار الكيميائي

الجرافيت المتحلل حرارياً خامل كيميائياً. لا يتفاعل مع معظم الأحماض والقلويات والمذيبات في درجة حرارة الغرفة. ويمكنه مقاومة مجموعة واسعة من الهجمات الكيميائية. ونتيجة لذلك، يستخدمه المهندسون النوويون في المفاعلات النووية.

القوة الميكانيكية

على الرغم من أن الجرافيت الحراري خفيف الوزن، إلا أنه يتمتع بقوة ميكانيكية جيدة. وتتراوح قوة الشد في المستوى بين 20 إلى 40 ميجا باسكال.

معامل الاحتكاك

يتميز الجرافيت المتحلل حراريًا بمعامل احتكاك ضئيل، خاصةً في الظروف غير المشحمة. وبالتالي، يستخدمه الأفراد في التطبيقات التي يكون فيها تقليل الاحتكاك أمرًا بالغ الأهمية.

يمكنك أن تلاحظ استخدامه في الختم، والمحامل، والمكونات المنزلقة المختلفة.

كيف يُصنع الجرافيت الانحلالي الحراري؟

يُصنع الجرافيت المتحلل حرارياً من خلال عملية ترسيب بخار كيميائي. حيث يقوم المهندسون بترسيب ذرات الكربون على ركيزة عند درجات حرارة قصوى في طبقات رقيقة.

دعنا نتعلم العملية الكاملة خطوة بخطوة.

اختيار المصدر الهيدروكربوني

أولاً، تختار الشركات المصنعة غازًا يحتوي على الكربون لصنع الجرافيت المتحلل حراريًا. يمكن أن يكون هذا الغاز الميثان والأسيتيلين والبروبان. وهو يعمل كمصدر كربون لإنشاء هياكل الجرافيت.

تشكيل الركيزة

بمجرد اختيار الغاز، يحين الوقت للعثور على ركيزة مناسبة. بشكل عام، يفضل المصنعون الجرافيت للركيزة. ففي النهاية، يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية. تسمح الركيزة لذرات الكربون بالاستقرار في بنية جرافيتية.

عملية ترسيب البخار الكيميائي (CVD)

يتم إطلاق غاز الهيدروكربون في فرن. وتتراوح درجة حرارة الفرن بين 200 و300 درجة مئوية.

وتحلل درجة الحرارة القصوى هذه الغاز إلى مكونات الكربون والهيدروجين. وينطلق الهيدروجين كناتج، بينما تتراكم ذرات الكربون على سطح الركيزة.

الإيداع

يحدث ترسب ذرات الكربون في طبقة رقيقة بسبب الضغط المتحكم فيه. تُنشئ طبقات ذرات الكربون هذه بنية مرتبة من الجرافيت الحراري.

ونظرًا لأن الذرات تكون مصطفة جيدًا في طبقات، يصبح الجرافيت الحراري متباين الخواص.

التبريد

يتبع ترسيب ذرات الكربون طبقة بعد طبقة عملية تبريد.

يمكن للمصنعين الآن استخراج الجرافيت من الفرن لإعطائه الشكل المطلوب

.

تخضع عملية التصنيع بأكملها لرقابة صارمة على الجودة. وهي تضمن أن الجرافيت المتحلل حرارياً يتمتع بالخصائص الكهربائية والحرارية اللازمة.

التطبيقات 

المفاعلات النووية

تستخدم شركات توليد الطاقة وشركات الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم الجرافيت الحراري كمادة مهدئة في تصميمات المفاعلات النووية.

إن AGR ومفاعلات ماغنوكس المبردة بالغاز في المملكة المتحدة خير مثال على ذلك.

ونظراً لأن الجرافيت الحراري هو شكل من أشكال الكربون متباين الخواص فإنه يُستخدم في مفاعلات HTGR (المفاعلات المبردة بالغاز عالية الحرارة) والمفاعلات السريعة. إن مقاومة الجرافيت ضد الصدمات الحرارية والمواد الكيميائية تجعله مناسباً للصناعة النووية.

وباعتباره مهدئًا، يبطئ الجرافيت النيوترونات أثناء تفاعلات الانشطار، مما يساعد المفاعل على العمل بشكل مثالي.

ويستخدم المهندسون النوويون أيضًا الجرافيت الحراري لصنع مادة هيكلية. وهو يغلف جزيئات الوقود النووي.

وفي المفاعلات المبرَّدة بالغاز، يتم تغليف الوقود في جسيمات ثلاثية الخواص متباينة البنية. ويحمي طلاء هذا الجرافيت الوقود.

كما أنه يعمل كحاجز ويحمي المفاعلات من المواد المشعة. لا يفقد هذا الجرافيت سلامته الهيكلية حتى في درجات حرارة تتجاوز 1,000 درجة مئوية.

البطاريات

يستخدم مصنعو البطاريات الجرافيت الحراري بطرق متعددة. وله دور كبير في تقنيات البطاريات الحديثة. 

تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم هذا الجرافيت أيضًا بسبب توصيله الكهربائي الممتاز واستقراره الحراري.

تستخدم هذه البطاريات هذا الجرافيت كمضيف لأيونات الليثيوم أثناء دورات الشحن والتفريغ.

علاوة على ذلك، يستخدم المصنعون هذا الجرافيت كقطب سالب في بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن.

يسمح التركيب الطبقي للجرافيت الحراري بتراكم أيونات الليثيوم بين طبقاته. ونتيجة لذلك، فإنه يخلق آلية عكسية لتخزين الطاقة.

على عكس مواد الأنود الأخرى، يمكن لهذا الشكل من الجرافيت تحمل درجات الحرارة العالية والتفاعلات الكيميائية. وهو يساعد البطارية على العمل في الظروف القاسية. وهذه البطاريات شائعة في السيارات الكهربائية والفضاء.

تقنية خلايا الوقود

وقد لعبت دوراً حاسماً في تكنولوجيا خلايا الوقود. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك صفائح الجرافيت المحللة حرارياً.

تحافظ هذه الصفائح في خلية الوقود على درجة الحرارة وتبدد الحرارة المهدرة. تعتمد خلايا وقود الأكسيد الصلب ذات درجات الحرارة العالية على هذا الجرافيت لإدارة الحرارة.

ترانزستورات الجرافين

ترانزستور الجرافين هو جهاز نانوي يستخدم في أجهزة الاتصالات اللاسلكية والمنسوجات الإلكترونية وأنظمة الرادار والهواتف الذكية القابلة للطي.

يستخدم الترانزستور الجرافين كمادة شبه موصلة. يلعب الجرافيت المتحلل حراريًا دورًا مهمًا في صناعة الجرافين. فهو بمثابة مادة أولية لإنتاج الجرافين.

يضمن الجرافيت أيضاً إدارة الحرارة بكفاءة في ترانزستورات الجرافين.

فوهة الصاروخ

يستخدم علماء الصواريخ الجرافيت الحراري في فوهات الصواريخ بسبب سلامته الهيكلية الممتازة وخصائصه الحرارية.

يمكن لحلق وغرف الصاروخ المغطاة بالجرافيت البيروليتي المغلفة بالغرافيت أن تتحمل درجات حرارة تتجاوز 3000 درجة مئوية. وعلاوة على ذلك، لا يتآكل هذا الجرافيت بفعل الغازات الساخنة المنبعثة من الفوهة.

استخدم مختبر الدفع الصاروخي التابع للقوات الجوية أيضًا إدخالات الحلق المغطاة بالجرافيت البيروليتي في صاروخهم في عام 1974.

أدوات التشخيص الطبي

يمكنك أيضًا ملاحظة استخدام الجرافيت الحراري في العديد من معدات التشخيص.

يقلل من مجال عدم التجانس في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. ولذلك، فإنه يحسن بطبيعة الحال من وضوح وتفاصيل المجالات المغناطيسية.

ونظراً لتوافقه الحيوي، يستخدم مركب الجرافيت أيضاً في مكونات أجهزة تنظيم ضربات القلب.

لا يتفاعل الجرافيت الحراري مع أنسجة الجسم والسوائل. وبالتالي، لا داعي للقلق بشأن المضاعفات.

تساعد المستشعرات الكهروكيميائية في فحص الكوليسترول والجلوكوز. هل تعلم أن هذه المستشعرات تستخدم أيضًا الجرافيت الحراري؟

يتميز هذا الشكل من الجرافيت بسطح عالي التوصيل. ولذلك، فإنه يضمن نقل الإلكترونات بكفاءة ويعطي قراءة موثوقة في كل مرة.

بالإضافة إلى ذلك، تساعد قدرتها على مقاومة التآكل أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية على تحمل البيئات البيولوجية المختلفة.

الكهروكيميائية

يجعل الثبات الكيميائي المتميز والتوصيل الكهربائي الجرافيت الحراري مناسبًا لمختلف التطبيقات الكهروكيميائية. ويُستخدم كمادة قطب كهربائي في مختلف الخلايا الكهروكيميائية، مثل المكثفات والبطاريات.

يدعم هذا الجرافيت النقل السريع للإلكترونات بين القطب الكهربائي والمحلل. ونتيجة لذلك، يساعد في الكشف عن الناقلات العصبية.

أنابيب الأشعة السينية

لأنبوب الأشعة السينية استخدامات في الفحص الصناعي والتصوير الطبي. وتستخدم هذه الأنابيب الجرافيت الحراري كمادة دعم الأنود المستهدف. ويهدف الأنود إلى تحويل الطاقة الحركية للإلكترونات المتسارعة إلى أشعة سينية.

وخلال هذه العملية، قد ترتفع درجة حرارة الأنود. لحسن الحظ، تعمل الموصلية الحرارية العالية للجرافيت الحراري على تشتيت الحرارة المتولدة أثناء إنتاج الأشعة السينية. ولذلك، فإنه يزيد من عمر الأنبوب.

ضوء الليزر

تستخدم العديد من الشركات الجرافيت الحراري في أنظمة ضوء الليزر. ويتميز هذا المركب بخصائص بصرية وحرارية مميزة تسمح له بتحمل شعاع الليزر المكثف.

في 2012أثبتت مجموعة بحثية في اليابان أن الجرافيت الحراري يستجيب لضوء الليزر. وتحققوا أيضًا من أن المركب يستجيب لأشعة الشمس الطبيعية من خلال التحرك في اتجاه تدرج المجال.

تستخدم مكبات أشعة الليزر هذا الجرافيت لامتصاص طاقة الليزر وتبديد الحرارة بسرعة. يستخدم الجهاز لامتصاص الطاقة الزائدة من أشعة الليزر.

وتستخدم أنظمة النقش بالليزر أيضًا الجرافيت الحراري كركيزة. ونظرًا لأن هذا الجرافيت مقاوم للاستئصال بالليزر، فإنه يضمن دقة النقش والقطع بالليزر.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكنك أيضًا ملاحظة استخدام مرايا الجرافيت البيروليتية في أجهزة الليزر القوية. تعكس هذه المرايا أشعة الليزر دون أن تتأثر بدرجات الحرارة العالية.

الخاتمة

هذا دليل متعمق عن الجرافيت الحراري. بالنظر إلى كل شيء معًا، يمكننا القول إن هذا الشكل من الجرافيت مادة متعددة الاستخدامات. فخصائصه الكهربائية المتباينة الخواص والتوصيل الحراري ومقاومته للحرارة العالية تجعله مثاليًا لمجموعة واسعة من التطبيقات. 

تستخدمه الصناعات المختلفة بشكل مختلف. وقد نشهد في السنوات القادمة استخدامها في مختلف التقنيات والابتكارات الحديثة الأخرى

نأمل أن يزودك هذا الدليل الشامل بمعلومات كافية عن الجرافيت المتحلل حراريًا.