ما كثافة الجرافيت؟

الجرافيت مهم جدًا في الإنتاج الصناعي والحياة اليومية. الأنواع المختلفة من الجرافيت لها كثافات مختلفة، ومن المهم فهم العوامل المؤثرة في كثافة الجرافيت وطرق القياس وما إلى ذلك لأن لها أهمية كبيرة في الإنتاج الصناعي.

ما هي كثافة الأنواع المختلفة من الجرافيت؟

جرافيت طبيعي

- قشور الجرافيت: بشكل عام حوالي 2.09 - 2.23 جم/سم مكعب.

- الجرافيت الترابي (الجرافيت الجريزوفولفيني): بشكل عام حوالي 2.0 - 2.2 جم/سم مكعب.

الجرافيت الاصطناعي

– جرافيت الضغط المتساوي الضغط:: كثافة عالية تصل إلى حوالي 1.7 - 1.9 جم/سم مكعب. ونظراً لخصائصه المتساوية الخواص يمكن أن يحقق الجرافيت المتساوي الخواص مستوى عالٍ بعد معالجة خاصة تساعد على تحسين خصائصه مثل القوة والتوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري.

– جرافيت مصبوب: تتراوح عادةً بين 1.6 - 1.85 جم/سم مكعب. وتتأثر كثافته بعوامل مثل ضغط الصب والمواد الخام والمواد الخام والمواد اللاصقة، ويمكن أن تلبي الكثافات في هذا النطاق المتطلبات الأساسية لسيناريوهات الاستخدام المختلفة مثل الموانع الميكانيكية والأقطاب الكهربائية.

– جرافيت مقذوف:  حوالي 1.5 - 1.7 جم/سم مكعب. في عملية البثق، سيؤثر ترتيب الجسيمات ودرجة انضغاط المادة الخام على الكثافة النهائية. جرافيت مقذوف في نطاق الكثافة هذا أداءً جيدًا في تطبيقات مثل مواد الأقطاب الكهربائية والفرش.

العوامل التي تؤثر على الكثافة

1- المواد الخام:

يمكن أن تؤثر طبيعة المادة الخام من الجرافيت على كثافة المنتجات النهائية. على سبيل المثال، سيؤثر حجم الجسيمات وشكلها ونقاوتها وما إلى ذلك من المواد الخام على الكثافة الإجمالية للجرافيت وتبلوره.

2- طرق التشكيل:

سيكون لطرق التشكيل المختلفة، مثل التشكيل، والبثق، والضغط المتساوي الضغط، وما إلى ذلك، تأثير. على سبيل المثال، يمكن للقولبة بالضغط المتساوي الضغط أن تحقق كثافة أعلى لمنتجات الجرافيت لأن هذه الطريقة تسمح بتطبيق الضغط بالتساوي على مادة الجرافيت، وبالتالي تقليل المسامية الداخلية.

3- درجة حرارة التلبيد ووقت التلبيد:

أثناء عملية التلبيد، يكون للتحكم في درجة الحرارة والوقت تأثير مهم. يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة حرارة التلبيد ووقت التثبيت المناسب إلى تعزيز تبلور واندماج جزيئات الجرافيت، وتقليل المسامية، وبالتالي زيادة الكثافة.

4- المسامية:

تؤثر المسامية في الجرافيت تأثيرًا مباشرًا على كثافته. فكلما زادت المسامية، انخفضت الكثافة. قد يرتبط تكوين المسام بعوامل مثل خصائص المادة الخام، وتفريغ الغازات أثناء التحضير، والانكماش أثناء التلبيد.

5- محتوى الشوائب:

إذا احتوى الجرافيت على المزيد من الشوائب، فسيؤثر ذلك على سلامة وتماسك بنيته البلورية، مما يؤدي إلى انخفاض كثافته.

6- درجة الرسم البياني:

وكلما ارتفعت درجة الجرافيتية، كلما كانت البنية البلورية للجرافيت أكثر اكتمالاً، وتزداد الكثافة وفقًا لذلك.

طرق قياس كثافة الجرافيت

1. مبدأ أرشميدس (طريقة الصرف).

وفقًا لمبدأ أرشميدس، فإن قوة الطفو التي يتعرض لها جسم ما في سائل تساوي الوزن الذي يزيحه من السائل. بقياس وزن الجرافيت في الهواء ووزنه في الماء (الطفو)، يمكن حساب حجم الجرافيت. ثم بدمج كتلته مع كتلته، يتم اشتقاق النتيجة.

2. طريقة البايكنومتر

من خلال قياس كتلة حجم معلوم من البايكنومتر عند ملئه بسائل (مثل الماء) والكتلة المتبقية بعد أن يفيض السائل بعد ملء السائل، يمكن حساب حجم عينة الجرافيت، وبالتالي يمكن حساب الكثافة.

3. طريقة القياس المباشر (لعينات الجرافيت المنتظمة الشكل)

بالنسبة إلى عينات الجرافيت ذات الأشكال المنتظمة (مثل المكعبات والمكعبات والأسطوانات وغيرها)، يمكن قياس الحجم مباشرةً، ويمكن حساب الحجم. ثم يمكن حساب الكثافة مع الكتلة.

مقارنة بين كثافة الجرافيت مع نفس النوع من مادة الكربون

الفحم النشط مقابل الجرافيت

الكربون المنشط هو مادة الكربون بهيكل مسامي للغاية. ونظرًا للعدد الكبير من الهياكل المسامية، تكون كثافة الكربون المنشط منخفضة نسبيًا، حيث تتراوح عمومًا بين 0.5 و0.9 جم/سم مكعب. وفي المقابل، يكون الجرافيت أكثر كثافة من الكربون المنشط.

الماس مقابل الجرافيت

عند درجة حرارة الغرفة والضغط، تبلغ كثافة الماس حوالي 3.5 - 3.53 جم/سم مكعب. ولذلك، فإن كثافة الماس أكبر من كثافة الجرافيت.

ألياف الكربون مقابل الجرافيت

تتراوح كثافة الألياف الكربونية عادةً بين 1.7 و2.2 جم/سم مكعب، ولكن كثافتها تختلف حسب نوع الألياف وعملية التحضير. لذلك، يتداخل الجرافيت جزئيًا مع ألياف الكربون في نطاق الكثافة.

الأنابيب النانوية الكربونية مقابل الجرافيت

الأنابيب النانوية الكربونية هي مادة كربونية أنبوبية، وتعتمد كثافتها على عوامل مثل قطر الأنبوب وسُمك جدار الأنبوب وما إلى ذلك. تبلغ كثافة الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار حوالي 1.3 - 1.4 جم/سم مكعب. الجرافيت أكثر كثافة من الأنابيب النانوية الكربونية.

أهمية كثافة الجرافيت في الإنتاج الصناعي

تقييم الأداء: ترتبط كثافة الجرافيت ارتباطًا وثيقًا بخصائصه الفيزيائية. فالكثافة الأعلى تعني عادةً قوة ميكانيكية أفضل ومقاومة للتآكل, كهربائية الموصلية، إلخ. من خلال قياس كثافة الجرافيت، يمكن تقييم أدائه في تطبيق معين بشكل مبدئي، مما يوفر أساسًا لاختيار مادة الجرافيت المناسبة.

مراقبة الجودة: في عملية إنتاج منتجات الجرافيت، تُعد الكثافة مؤشرًا مهمًا للجودة. ومن خلال التحكم في معلمات عملية الإنتاج لضمان وصول منتج الجرافيت إلى نطاق الكثافة المتوقع، يمكن ضمان استقرار جودة المنتج واتساقه. قد تؤثر المنتجات ذات الكثافة غير المرضية على أدائها وطول عمرها في الخدمة.

الخاتمة

وخلاصة القول، تُعد كثافة الجرافيت محددًا حاسمًا لخصائصه الميكانيكية، وبالتالي تطبيقاته الصناعية. ومع توسع تطبيقاته المحتملة في مختلف القطاعات، يستمر بروزه في المشهد الصناعي في الارتفاع.