مواد الكربون: دليل شامل

المواد الكربونية مصطلح عام للمواد الصلبة القائمة على الكربون. وتتكون عادةً من بلورات الجرافيت الدقيقة. هناك أنواع عديدة من المواد الكربونية ذات الأداء الممتاز وآفاق التطبيق الواسعة.

I. خصائص المواد الكربونية

الخصائص الفيزيائية

تتميز مواد الكربون بخصائص فيزيائية مثل إضاءة عالية النفاذية، والتوصيل الكهربائي العالي، والتوصيل الحراري العالي، والمقاومة العالية للتآكل. يمكن أن يكون نفاذية الضوء جيدة مثل الزجاج، ويمكن أن تكون الموصلية الكهربائية والحرارية جيدة مثل النحاس والألومنيوم.

الخواص الكيميائية

مادة الكربون هي مادة مقاومة للتآكل مع ثبات كيميائي عالٍ ومقاومة جيدة للتآكل لمعظم الأحماض والقلويات والأملاح.

II.. شرح مفصل للأنواع الرئيسية

الجرافيت

الجرافيت عبارة عن بنية طبقية من ذرات الكربون، تتكون من مستويات شبكية سداسية الشكل. تحتوي كل ذرة كربون على أربعة إلكترونات حرة. يتميز الجرافيت بتوصيل كهربائي وحراري جيد، وهو مناسب لصنع أقطاب كهربائيةوالمبادلات الحرارية وغيرها من المجالات. يمكن تقسيم الجرافيت إلى جرافيت طبيعي وجرافيت اصطناعي، وكلاهما له هياكل متشابهة، لذا فإن خصائصهما الفيزيائية والكيميائية متشابهة، لكنهما مختلفان تمامًا في التطبيق.

الكربون المنشط

الكربون المنشط هو نوع من الكربون المعالج خصيصًا، مع بنية مسام متطورة ومساحة سطح كبيرة. وبسبب قدرته القوية على الامتزاز، ومساحة السطح المحددة الكبيرة، وبنية المسام الداخلية المتطورة، والكثافة السائبة المنخفضة وغيرها من الخصائص، فإنه يستخدم على نطاق واسع في تنقية المياه، وإزالة الكبريت، ونزع الكبريت، ونزع النتروجين، ومذيب الاسترداد، والامتزاز في حالات الطوارئ، وإزالة الزئبق والعديد من المجالات الأخرى. وفي الوقت نفسه، غالبًا ما يُستخدم الكربون المنشط كمحفز أو حامل محفز في التفاعلات الكيميائية مثل تحضير الغاز وإصلاحه.

أنابيب الكربون النانوية

الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن مواد نانوية أحادية البعد ذات خصائص ممتازة من القوة العالية والتوصيل الكهربائي والحراري العالي. وتغطي التطبيقات النهائية لها بشكل رئيسي صناعة مركبات الطاقة الجديدة، والصناعة الرقمية 3C، وصناعة أشباه الموصلات، والبنية التحتية للطاقة وغيرها من المجالات. ويأتي الطلب على التطبيقات التجارية واسعة النطاق لأنابيب الكربون النانوية النانوية بشكل رئيسي من مجال بطاريات الليثيوم واللدائن الموصلة للكهرباء، حيث يأتي أكثر من 801 تيرابايت من الطلب من بطاريات الليثيوم.

الجرافين

الجرافين هي مادة كربونية ثنائية الأبعاد تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في نمط قرص العسل. وهو العنصر الهيكلي الأساسي للعديد من الأشكال غير المتجانسة الأخرى من الكربون، مثل الجرافيت والماس والكربون وأنابيب الكربون النانوية والفوليرين. وبفضل ميزاته البصرية والميكانيكية والكهربائية الممتازة، فإن مقدمة تطبيقاته في معالجة النانو الدقيقة وعلوم المواد والطاقة وتوصيل الأدوية والطب الحيوي أكثر من حيوية، ويعتبر مادة واعدة في العقود القادمة.

ألياف الكربون

ألياف الكربون هي مادة من الألياف عالية القوة وعالية المعامل بمحتوى كربون يزيد عن 90%. يتم تشكيلها عن طريق التكسير و الكربنة من الألياف العضوية مثل البولي أكريلونيتريل (أو الأسفلت والفسكوز) في بيئة عالية الحرارة. وتتميز بخصائص الوزن الخفيف والقوة العالية والمعامل العالي والمقاومة لدرجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل. وهذا ما يجعل ألياف الكربون مادة استراتيجية جديدة في مجال التكنولوجيا الحديثة ذات التقنية العالية وتُعرف باسم "ملك المواد الجديدة". يمكن تصنيف ألياف الكربون بطرق مختلفة، ويمكن تقسيمها إلى ألياف الكربون القائمة على البولي أكريلونيتريل (PAN-CF)، وألياف الكربون القائمة على الفسكوز (Rayon-CF) وألياف الكربون القائمة على الأسفلت (Pitch-CF) وفقًا للمواد الخام المختلفة.

ثالثاً. مجالات التطبيق

مجال طاقة جديد:

لمواد الكربون مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال الطاقة الجديدة. على سبيل المثال، يمكن استخدام مركبات مصفوفة الكربون لصنع بطاريات عالية الكفاءة ومكثفات فائقة. ويمكن استخدام الجرافين في صناعة الخلايا الشمسية وشفرات طاقة الرياح. ومع التطوير المستمر لتكنولوجيا الطاقة الجديدة، ستكون آفاق تطبيق المواد الكربونية في مجال الطاقة الجديدة أوسع نطاقًا.

السيارات:

تُستخدم المواد الكربونية في قطاع السيارات لصنع مكونات خفيفة الوزن ومكونات محرك عالية الكفاءة. على سبيل المثال، يمكن استخدام مركبات ألياف الكربون في صناعة هياكل السيارات وأجزائها لتحسين وزنها الخفيف وأدائها العالي. كما يمكن استخدام الجرافين لصنع خلايا وقود عالية الكفاءة لتحسين الطاقة والأداء الاقتصادي للمركبات.

الفضاء الجوي:

يمكن استخدام مواد الكربون في مجال الفضاء لصنع طائرات ومركبات فضائية عالية الأداء من بين أشياء أخرى. على سبيل المثال، يمكن استخدام مركبات ألياف الكربون لصنع أجنحة وأجسام خفيفة الوزن لتحسين أدائها. كما يمكن استخدام الجرافين في صناعة محركات هوائية عالية الأداء لتحسين قوة الطائرات وأدائها الاقتصادي.

الصناعات:

تُستخدم مواد الكربون في القطاع الصناعي لصنع مكونات وأدوات عالية الأداء. على سبيل المثال، يمكن استخدام مركبات ألياف الكربون لصنع أجزاء ميكانيكية متطورة وأنابيب صناعية وما إلى ذلك لتحسين أدائها وعمرها التشغيلي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضاً استخدام الجرافين لصنع مضخات وصمامات عالية الكفاءة لتحسين كفاءة الإنتاج الصناعي.

المجال الطبي

تعتبر المواد الكربونية مواد مثالية للغرسات الجراحية. وقد تم تصنيع الغرسات مثل العظام الاصطناعية والوركين الاصطناعية ومفاصل الركبة وصمامات القلب بنجاح.

أشباه الموصلات

يمكن استخدام المواد الكربونية لتصنيع مكونات المجال الحراري لأشباه الموصلات، ومواد الأقطاب الكهربائية، وركائز تبديد الحرارة، وأغلفة العبوات، ومسابير الفحص، وغيرها.

المجال الكهروضوئي

تعتبر المواد الكربونية بديلاً مستورداً لمنتجات الجرافيت المتساوي النقاء عالية النقاء. لذلك، تم تحقيق المواد الكربونية بنجاح في نظام المجال الحراري الكهروضوئي واستخدمت على نطاق واسع كمواد مستهلكة بلورية طويلة في المجال الحراري الكهروضوئي. مثل البوتقات وأسطوانات التحويل وأسطوانات العزل، إلخ.

قطاع الطاقة

تمتلك مواد الكربون مجموعة واسعة من التطبيقات في قطاع الطاقة. على سبيل المثال، يمكن استخدام الجرافين كمادة قطب كهربائي للخلايا الشمسية وبطاريات الليثيوم لتحسين كثافة الطاقة وسرعة شحن وتفريغ البطاريات. يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كمواد لتخزين الهيدروجين لتحسين كمية ومعدل تخزين الهيدروجين. يمكن استخدام الألياف الكربونية كحامل محفز لخلايا الوقود لتحسين نشاط واستقرار المحفز.

المجال البيئي

لمواد الكربون أيضًا مجموعة واسعة من التطبيقات في المجال البيئي. على سبيل المثال، يمكن استخدام الجرافين في مجال معالجة المياه وتنقية الهواء لتحسين كفاءة المعالجة وتأثير التنقية. ويمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية لامتصاص المواد الضارة في الماء والهواء وإزالتها. ويمكن استخدام ألياف الكربون لصنع أجهزة استشعار بيئية تراقب مستويات المواد الكيميائية والملوثات في البيئة.

V. الآفاق المستقبلية

تعد صناعة المواد الجديدة دعمًا مهمًا للمجالات المتطورة مثل الطب الحيوي وتكنولوجيا المعلومات والطاقة الجديدة والمواد الكربونية. وكعنصر مهم، تحتل المواد الكربونية مكانة استراتيجية. في السنوات الأخيرة، توسعت عائلة الكربون لتشمل الماس، وألياف الكربون، ومركبات الكربون/الكربون، والجرافيت، والكربون الصلب، والجرافين، وأنابيب الكربون النانوية، ونقاط الكربون، ...... كما تتوسع سيناريوهات تطبيقها باستمرار، مما يسرع من ابتكار سلسلة الصناعة البيئية لمختلف الصناعات. بالإضافة إلى ذلك، منذ عام 2024، ارتفع الاقتصاد منخفض الارتفاع بسرعة. وباعتبارها مادة رئيسية في المنبع في السلسلة الصناعية، ستساهم ألياف الكربون ومواده المركبة بقوة مهمة لتعزيز تنمية الاقتصاد منخفض الارتفاع. لذلك، لدينا سبب للاعتقاد بأن آفاق صناعة المواد الكربونية واسعة جدًا.