Warum ist Graphit weich und glitschig?

Graphit ist ein wichtiger Kohlenstoffwerkstoff, der im Leben und in der Industrie weit verbreitet ist. Seine weichen und gleitfähigen Eigenschaften bilden nicht nur die Grundlage für grundlegende Anwendungen, sondern helfen der Materialwissenschaft auch bei der Erforschung der Beziehung zwischen Mikro- und Makroeigenschaften. Dies liefert die theoretische Grundlage für innovative Anwendungen der Spitzenklasse.

Analyse der Kristallstruktur von Graphit

Die Anordnung der Kohlenstoffatome von Graphit

Graphit hat einen geschichteten Kristall Struktur, wobei jede Schicht von Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen kompakten zweidimensionalen Netzwerk angeordnet ist. Jedes Kohlenstoffatom in der Ebene ist mit den drei umgebenden Kohlenstoffatomen durch eine kovalente Bindung mit einer Bindungslänge von etwa 0,142 nm und einem Bindungswinkel von 120° verbunden. Diese kovalente Bindung ist sehr gerichtet und stabil und bildet ein festes, ebenes Gerüst. Dies verleiht der Graphitschicht eine ausgezeichnete mechanische und chemische Stabilität, die eine relative Verschiebung der Kohlenstoffatome in der Schicht erschwert. So bleibt die Integrität der ebenen Struktur erhalten.

Zwischenschichtkraft

Die Kohlenstoffatome zwischen der Graphitschicht und der Schicht werden durch eine schwache Van-der-Waals-Kraft gehalten, und es wird keine kovalente Bindung gebildet. Van-der-Waals-Kräfte sind zwischenmolekulare Kräfte, die sich aus verschiedenen Dipolwechselwirkungen von Molekülen ergeben. Die van-der-Waals-Kraft zwischen den Graphit-Zwischenprodukten beträgt 4-7 kJ/mol und ist damit wesentlich geringer als die kovalente Bindung von etwa 346 kJ/mol. Aufgrund dieses Energieunterschieds sind die Graphitschichten nur lose miteinander verbunden, und jede Schicht kann sich relativ zueinander bewegen. Dies ist die strukturelle Grundlage für die weiche Gleiteigenschaft des Materials.

Interpretation der weichen Eigenschaften von Graphit aus mikroskopischer Sicht

Gleiten der Zwischenschicht unter äußerer Kraft

Wenn der Graphit äußeren Kräften ausgesetzt ist, können die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Schichten dem Einfluss dieser äußeren Kräfte nur schwer entgegenwirken. Aufgrund der schwachen van-der-Waals-Kräfte kann es unter der Einwirkung kleiner äußerer Kräfte leicht zu einem relativen Gleiten zwischen den Schichten kommen. Die Kohlenstoffatome können unter dem Druck der Reibung reibungslos aneinander gleiten. Diese Art des Gleitens zwischen den Schichten auf der Mikroebene spiegelt sich direkt auf der Makroebene als weiche Textur wider. Und es ist leicht, seine Form unter der Einwirkung externer Kräfte zu verändern.

Faktoren der Kristallstruktur im Zusammenhang mit der Härte

Die Härte eines Materials hängt im Wesentlichen von der Widerstandsfähigkeit seiner Kristallstruktur gegenüber äußeren Kräften ab. Bei Graphit sorgen die kovalenten Bindungen in den Schichten zwar für eine starke mechanische Stabilität in der Ebene. Die schwachen van-der-Waals-Kräfte zwischen den Schichten werden zum wichtigsten schwachen Glied, das die Gesamthärte des Materials bestimmt. Angesichts der von außen einwirkenden Kräfte ist es nicht in der Lage, diese Kräfte durch eine ganze Reihe starker Wechselwirkungen zwischen den Atomen wirksam zu zerstreuen und ihnen zu widerstehen. Wie ein Kristall mit einer gleichmäßigen Verteilung der kovalenten Bindungen in drei Dimensionen (z. B. Diamant). Im Gegensatz dazu ist es wahrscheinlicher, dass er zwischen den Schichten rutscht, was zu einer geringeren Gesamthärte führt. Nach der Mohs'schen Härteskala beträgt seine Härte nur 1 bis 2 und ist damit wesentlich geringer als die der meisten gängigen mineralischen Werkstoffe. Dies spiegelt den entscheidenden Einfluss der Kristallstruktur auf die Härte wider.

Diskussion über den Entstehungsmechanismus der Glätte

Beziehung zwischen Schichtgleiten und Reibung

Die Glätte von Graphit ist direkt auf sein leichtes Gleiten zwischen den Schichten zurückzuführen. Wenn zwei Oberflächen in Kontakt miteinander sind und sich relativ zueinander bewegen, kann das Gleiten von Graphit zwischen den Schichten die direkte Reibung zwischen den Oberflächen erheblich verringern. Wenn kein Graphit vorhanden ist, greifen die mikrokonvexen und konkaven Oberflächen des Objekts ineinander, was zu größerer Reibung führt, und bei Verwendung von Graphit als Schmiermittel wird die Relativbewegung der Objektoberfläche in ein Gleiten zwischen den Graphitschichten umgewandelt. Aufgrund der schwachen van-der-Waals-Kräfte zwischen den Schichten ist der Widerstand, der zur Überwindung dieses Gleitens erforderlich ist, sehr gering. Dadurch wird der Reibungskoeffizient erheblich reduziert. Nach dem Aufbringen von Graphit auf bestimmte Metalloberflächen kann der Reibungskoeffizient auf 1/3-1/2 des ursprünglichen Wertes reduziert werden. Dies beweist die hervorragende Wirkung von Graphit bei der Verringerung der Reibung.

Die Verkörperung des Schlüpfrigen im Leben

Im täglichen Leben können wir die glatten Eigenschaften von Graphit durch eine Vielzahl von Phänomenen intuitiv spüren. Wenn die Hand das Graphitpulver berührt, ist es offensichtlich, dass die Finger schwer zu greifen sind. Und es gibt ein starkes Gefühl von Glätte. Das liegt daran, dass die Schichtstruktur des Graphitpulvers bei der Berührung schnell zwischen den Schichten gleitet. So erhält der Finger ein einzigartiges taktiles Feedback.

Eine weitere typische Ausprägung der glatten Eigenschaften ist das Schreiben mit einem Bleistift. Beim Schreiben kommt die Bleistiftmine mit der Oberfläche des Papiers in Kontakt. Unter der Einwirkung von Druck gleiten die Graphitschichten zwischen ihnen hindurch. So können einige der Schichten auf das Papier übertragen werden und dort haften bleiben, so dass eine klare Schrift entsteht. Bei diesem Prozess sorgen die glatten Eigenschaften nicht nur für ein flüssiges Schreiben. Sie machen das Schreiben auch angenehmer und komfortabler.

Anwendung der weichen Eigenschaften von Graphit

Anwendung im Bereich der Schmierstoffe

Graphit verfügt über hervorragende Schmiereigenschaften und ist im Bereich der Schmiermittel weit verbreitet. Unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen, hohem Druck und Hochvakuum können gewöhnliche flüssige Schmiermittel leicht durch Verdampfung, Zersetzung oder Viskositätsänderung versagen. Graphit kann einen Schmierfilm in Flugzeugtriebwerken bilden, bei hohen Temperaturen Öfen und Vakuumanlagen. Aufgrund seiner stabilen chemischen Eigenschaften und der Gleiteigenschaften zwischen den Schichten werden Reibung und Verschleiß reduziert. Und es kann die Betriebseffizienz und Lebensdauer der Geräte verbessern.

Das Herstellungsprinzip von Bleistiftminen

Bleistiftmine ist eine typische Anwendung ihrer Eigenschaften. Sie wird aus einer Mischung von Graphit und Ton im Verhältnis. Beim Schreiben gleitet die Graphitschicht unter der Einwirkung von Druck auf die Papieroberfläche. Aufgrund der schwachen Bindungskraft zwischen den Schichten bleibt ein Teil der Graphitschicht auf dem Papier haften und bildet eine Schrift. Durch Anpassung des Verhältnisses von Graphit und Ton kann die Härte und Schwärze der Bleistiftmine eingestellt werden. Dadurch wird der Bleistift zu einem gängigen Schreibgerät.

Schlussfolgerung

Graphit ist aufgrund seiner einzigartigen Kristallstruktur weich und gleitfähig. Diese Verbindung zwischen Mikrostruktur und Makroleistung bildet die Grundlage für seine Anwendung. Und dies wird auch seine Innovation in neuen Technologien in der Zukunft fördern.

FAQ

Warum ist Diamant hart?

Diamant und Graphit sind Allotrope des Kohlenstoffs, haben aber unterschiedliche Kristallstrukturen. Jedes Kohlenstoffatom in einem Diamanten ist kovalent an die vier umgebenden Kohlenstoffatome gebunden. Sie bilden eine dreidimensionale tetraedrische Netzwerkstruktur. Bei Belastung kann die kovalente Bindung äußere Kräfte zerstreuen und Verformungen widerstehen. Daher ist die Härte von Diamanten extrem hoch, und die Mohshärte beträgt 10.

Warum leitet Graphit Elektrizität?

Die Kohlenstoffatome in der Graphitschicht bilden nicht nur σ-Bindungen, sondern haben auch konjugierte große π-Bindungen. Jedes Kohlenstoffatom trägt ein p-Elektron bei und bildet eine delokalisierte Elektronenwolke, die sich innerhalb der Schicht frei bewegen kann. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, bewegen sich die freien Elektronen in eine Richtung und bilden einen Strom. Aufgrund seiner guten Leitfähigkeit findet es in der Elektronik breite Anwendung.

Warum wird Graphit als Schmiermittel verwendet?

Erstens ist die Van-der-Waals-Kraft zwischen den Schichten schwach, und die Zwischenschichten lassen sich leicht verschieben. Zweitens, die chemischen Eigenschaften sind stabil. Bei der Anwendung bildet es einen Schmierfilm auf der Oberfläche des Bauteils und ersetzt die direkte Reibung durch Gleiten zwischen den Schichten. Es reduziert den Reibungskoeffizienten, kann seine Leistung in verschiedenen chemischen Umgebungen beibehalten und hat ein breites Anwendungsspektrum.