Γιατί ο γραφίτης είναι μαλακός και ολισθηρός;

Ο γραφίτης είναι ένα σημαντικό υλικό άνθρακα, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στη ζωή και τη βιομηχανία. Τα μαλακά και ολισθηρά χαρακτηριστικά του όχι μόνο θέτουν τα θεμέλια για τις βασικές εφαρμογές, αλλά βοηθούν επίσης την επιστήμη των υλικών να διερευνήσει τη σχέση μεταξύ μικρο- και μακρο-ιδιοτήτων. Αυτό παρέχει θεωρητική υποστήριξη για καινοτόμες εφαρμογές αιχμής.

Ανάλυση της κρυσταλλικής δομής του γραφίτη

Η διάταξη των ατόμων άνθρακα του γραφίτη

Ο γραφίτης έχει έναν πολυεπίπεδο κρύσταλλο δομή, με κάθε στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένων σε ένα εξαγωνικό συμπαγές δισδιάστατο δίκτυο. Κάθε άτομο άνθρακα στο επίπεδο συνδέεται με τα τρία άτομα άνθρακα που το περιβάλλουν με ομοιοπολικό δεσμό με μήκος δεσμού περίπου 0,142 nm και γωνία δεσμού 120°. Αυτός ο ομοιοπολικός δεσμός είναι εξαιρετικά κατευθυντικός και σταθερός, σχηματίζοντας έναν στερεό σκελετό επιπέδου. Αυτό προσδίδει εξαιρετική μηχανική και χημική σταθερότητα στο στρώμα γραφίτη, καθιστώντας δύσκολη τη σχετική μετατόπιση των ατόμων άνθρακα στο στρώμα. Και στη συνέχεια να διατηρείται η ακεραιότητα της επίπεδης δομής.

Δύναμη μεταξύ των στρώσεων

Τα άτομα άνθρακα μεταξύ του στρώματος γραφίτη και του στρώματος διατηρούνται με μια ασθενή δύναμη van der Waals και δεν σχηματίζεται ομοιοπολικός δεσμός. Οι δυνάμεις van der Waals είναι διαμοριακές δυνάμεις που προκύπτουν από διάφορες διπολικές αλληλεπιδράσεις των μορίων. Η δύναμη van der Waals μεταξύ των ενδιάμεσων στρωμάτων γραφίτη είναι 4-7 kJ/mol, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από τον ομοιοπολικό δεσμό που είναι περίπου 346kJ/mol. Αυτή η ενεργειακή διαφορά κάνει τα στρώματα γραφίτη να συνδέονται χαλαρά και κάθε στρώμα έχει τη δυνατότητα σχετικής μετακίνησης. Αυτή είναι η δομική βάση της ιδιότητας μαλακής ολίσθησης του.

Ερμηνεία των μαλακών ιδιοτήτων του γραφίτη από μικροσκοπική άποψη

Ολίσθηση μεταξύ των στρώσεων υπό εξωτερική δύναμη

Όταν ο γραφίτης υπόκειται σε εξωτερικές δυνάμεις, οι δυνάμεις van der Waals μεταξύ των στρωμάτων είναι δύσκολο να εξουδετερώσουν την επίδραση αυτών των εξωτερικών δυνάμεων. Λόγω της ασθενούς δύναμης van der Waals, υπό την επίδραση μικρών εξωτερικών δυνάμεων, η σχετική ολίσθηση μεταξύ των στρωμάτων μπορεί εύκολα να συμβεί. Τα άτομα άνθρακα μπορούν να ολισθαίνουν ομαλά μεταξύ τους υπό την ώθηση της τριβής. Αυτό το είδος ολίσθησης μεταξύ των στρώσεων σε μικροεπίπεδο αντανακλάται άμεσα στο μακροεπίπεδο ως μαλακή υφή. Και είναι εύκολο να αλλάξει σχήμα υπό τη δράση εξωτερικών δυνάμεων.

Παράγοντες κρυσταλλικής δομής που σχετίζονται με τη σκληρότητα

Η σκληρότητα ενός υλικού εξαρτάται ουσιαστικά από την αντοχή της κρυσταλλικής δομής του σε εξωτερικές δυνάμεις. Για το γραφίτη, αν και οι ομοιοπολικοί δεσμοί στα στρώματα δίνουν ισχυρή μηχανική σταθερότητα στο επίπεδο. Οι ασθενείς δυνάμεις van der Waals μεταξύ των στρωμάτων γίνονται ο βασικός αδύναμος κρίκος που καθορίζει τη συνολική σκληρότητά του. Απέναντι στις εξωτερικές δυνάμεις, δεν μπορεί να διασκορπίσει αποτελεσματικά και να αντισταθεί στις εξωτερικές δυνάμεις μέσω ενός πλήρους φάσματος ισχυρών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων. Όπως ένας κρύσταλλος με ομοιόμορφη κατανομή ομοιοπολικών δεσμών στις τρεις διαστάσεις (όπως το διαμάντι). Αντίθετα, είναι πιο πιθανό να ολισθήσει μεταξύ των στρωμάτων, με αποτέλεσμα χαμηλότερη συνολική σκληρότητα. Σύμφωνα με το πρότυπο σκληρότητας Mohs, η σκληρότητά του είναι μόνο 1-2, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από τα περισσότερα κοινά ορυκτά υλικά. Αυτό αντικατοπτρίζει πλήρως την καθοριστική επίδραση της κρυσταλλικής δομής του στη σκληρότητα.

Συζήτηση σχετικά με το μηχανισμό σχηματισμού της ομαλότητας

Σχέση μεταξύ ολίσθησης στρώματος και τριβής

Η ομαλότητα του γραφίτη οφείλεται άμεσα στην εύκολη ολίσθηση μεταξύ των στρώσεων. Όταν δύο επιφάνειες βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους και σε σχετική κίνηση, εάν υπάρχει γραφίτης, η ολίσθηση του γραφίτη μεταξύ των στρώσεων μπορεί να μειώσει σημαντικά την άμεση τριβή μεταξύ των επιφανειών. Εάν δεν υπάρχει γραφίτης, οι μικροκυρτές και κοίλες στην επιφάνεια του αντικειμένου θα συμπλέκονται μεταξύ τους, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη τριβή. όταν χρησιμοποιείται ως λιπαντικό, η σχετική κίνηση της επιφάνειας του αντικειμένου μετατρέπεται σε ολίσθηση μεταξύ των στρωμάτων γραφίτη. Λόγω των ασθενών δυνάμεων van der Waals μεταξύ των στρωμάτων, η αντίσταση που απαιτείται για να ξεπεραστεί αυτή η ολίσθηση είναι πολύ μικρή. Έτσι, μειώνεται σημαντικά ο συντελεστής τριβής. Μετά την εφαρμογή γραφίτη σε ορισμένες μεταλλικές επιφάνειες, ο συντελεστής τριβής μπορεί να μειωθεί στο 1/3-1/2 του αρχικού. Αυτό αποδεικνύει πλήρως την εξαιρετική επίδρασή του στη μείωση των τριβών.

Η ενσάρκωση της ολισθηρότητας στη ζωή

Στην καθημερινή ζωή, μπορούμε διαισθητικά να αισθανθούμε τα ομαλά χαρακτηριστικά του γραφίτη μέσω μιας ποικιλίας φαινομένων. Όταν το χέρι αγγίζει τη σκόνη γραφίτη, θα είναι προφανές ότι τα δάχτυλα είναι δύσκολο να πιαστούν. Και υπάρχει μια έντονη αίσθηση ολισθηρότητας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η δομή των στρωμάτων στη σκόνη γραφίτη γλιστράει γρήγορα μεταξύ των στρωμάτων κάτω από την αφή. Και δίνει στο δάχτυλο μια μοναδική ανατροφοδότηση αφής.

Επιπλέον, η χρήση του μολυβιού γραφής είναι μια άλλη τυπική υλοποίηση των ομαλών ιδιοτήτων. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας γραφής, το μολύβι του μολυβιού έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια του χαρτιού. Και υπό τη δράση της πίεσης, τα στρώματα γραφίτη ολισθαίνουν μεταξύ τους. Έτσι, ορισμένα από τα στρώματά του μπορούν να μεταφερθούν και να προσκολληθούν στο χαρτί, αφήνοντας καθαρή γραφή. Σε αυτή τη διαδικασία, τα ομαλά χαρακτηριστικά δεν εξασφαλίζουν μόνο την ευχέρεια της γραφής. Αλλά κάνουν επίσης την εμπειρία της γραφής πιο ομαλή και άνετη.

Εφαρμογή των μαλακών χαρακτηριστικών γραφίτη

Εφαρμογή στον τομέα των λιπαντικών

Ο γραφίτης έχει εξαιρετικές λιπαντικές ιδιότητες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα των λιπαντικών. Σε ακραίες συνθήκες, όπως υψηλή θερμοκρασία, υψηλή πίεση και υψηλό κενό, τα συνηθισμένα υγρά λιπαντικά είναι εύκολο να αποτύχουν λόγω εξάτμισης, αποσύνθεσης ή αλλαγής του ιξώδους. Ο γραφίτης μπορεί να σχηματίσει ένα φιλμ λίπανσης σε κινητήρες αεροσκαφών, υψηλής θερμοκρασίας κλίβανοι και εξοπλισμό κενού. Επειδή έχει σταθερές χημικές ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά ολίσθησης μεταξύ των στρώσεων μειώνουν την τριβή και τη φθορά. Και μπορεί να βελτιώσει την απόδοση λειτουργίας και τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού.

Η αρχή κατασκευής του μολύβδου μολυβιού

Το μολύβι μολυβιού είναι μια τυπική εφαρμογή των ιδιοτήτων του. Κατασκευάζεται από ένα μείγμα γραφίτη και πηλός αναλογικά. Κατά τη γραφή, το στρώμα γραφίτη ολισθαίνει στην επιφάνεια του χαρτιού υπό την επίδραση της πίεσης. Λόγω της ασθενούς δύναμης συγκόλλησης μεταξύ των στρωμάτων, μέρος του στρώματος γραφίτη προσκολλάται στο χαρτί για να σχηματίσει γραφή. Η ρύθμιση της αναλογίας γραφίτη και πηλού μπορεί να ελέγξει τη σκληρότητα και τη μαυρίλα του μολυβιού. Στη συνέχεια, καθιστώντας το μολύβι ένα κοινό εργαλείο γραφής.

Συμπέρασμα

Ο γραφίτης είναι μαλακός και ολισθηρός λόγω της μοναδικής κρυσταλλικής δομής του. Αυτή η σύνδεση μεταξύ μικροδομής και μακροαπόδοσης θέτει τα θεμέλια για την εφαρμογή του. Και αυτό θα προωθήσει επίσης την καινοτομία του σε αναδυόμενες τεχνολογίες στο μέλλον.

ΣΥΧΝΈΣ ΕΡΩΤΉΣΕΙΣ

Γιατί είναι σκληρό το διαμάντι;

Το διαμάντι και ο γραφίτης είναι αλλοτρόποι του άνθρακα, αλλά έχουν διαφορετική κρυσταλλική δομή. Κάθε άτομο άνθρακα σε ένα διαμάντι είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένο με τα τέσσερα άτομα άνθρακα που το περιβάλλουν. Σχηματίζοντας μια τρισδιάστατη τετραεδρική δομή δικτύου. Όταν καταπονούνται, ο ομοιοπολικός δεσμός μπορεί να διασπείρει τις εξωτερικές δυνάμεις και να αντισταθεί στην παραμόρφωση. Έτσι, η σκληρότητα του διαμαντιού είναι εξαιρετικά υψηλή και η σκληρότητα Mohs είναι 10.

Γιατί ο γραφίτης άγει τον ηλεκτρισμό;

Εκτός από το σχηματισμό δεσμών σ, τα άτομα άνθρακα στο στρώμα γραφίτη έχουν επίσης συζευγμένους μεγάλους δεσμούς π. Κάθε άτομο άνθρακα συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο p, σχηματίζοντας ένα αποεντοπισμένο ηλεκτρονιακό νέφος που μπορεί να κινείται ελεύθερα μέσα στο στρώμα. Όταν εφαρμόζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται με κατεύθυνση και σχηματίζουν ρεύμα. Και η καλή αγωγιμότητα το καθιστά ευρέως χρησιμοποιούμενο στην ηλεκτρονική.

Γιατί χρησιμοποιείται ο γραφίτης ως λιπαντικό;

Πρώτον, η δύναμη van der Waals μεταξύ των στρωμάτων είναι ασθενής και το ενδιάμεσο στρώμα ολισθαίνει εύκολα. Δεύτερον, οι χημικές ιδιότητες είναι σταθερές. Όταν εφαρμόζεται, σχηματίζει ένα λιπαντικό φιλμ στην επιφάνεια του εξαρτήματος, αντικαθιστώντας την άμεση τριβή με την ολίσθηση μεταξύ των στρώσεων. Μειώνει τον συντελεστή τριβής, μπορεί να διατηρήσει την απόδοση σε διαφορετικά χημικά περιβάλλοντα και έχει ευρύ φάσμα εφαρμογών.