Τι είναι ο γραφίτης και από τι αποτελείται ο γραφίτης;

Ο γραφίτης, ως αλληλόμορφο του άνθρακα, εμφανίζεται συχνά στην καθημερινή ζωή και στη βιομηχανική παραγωγή. Τι είναι; Είναι μέταλλο, ορυκτό ή στοιχείο; Από τι αποτελείται; Αυτό το άρθρο θα εξερευνήσει σε βάθος τη φύση του γραφίτη, θα αποκαλύψει τα στρώματα των μυστικών του. Και θα δείξει πλήρως τη μοναδική γοητεία και τη σημαντική αξία του γραφίτη στον τομέα της επιστήμης και της εφαρμογής.

Ορισμός του γραφίτη

Ο γραφίτης είναι μια κρυσταλλική μορφή άνθρακα, που συνήθως παρουσιάζει γκρι-μαύρη και αδιαφανή στερεά κατάσταση, με μοναδική μεταλλική λάμψη. Αλλά μερικές φορές έχει και μια άλλη μορφή του είναι η άμορφη μορφή, η οποία αποτελείται απόερυθρές διατάξεις ατόμων γραφίτη. Η υφή του είναι σχετικά μαλακή, αυτή η απαλότητα του επιτρέπει να αφήνει σαφή σημάδια στο χαρτί. Αυτή η ιδιότητα κάνει επίσης τον γραφίτη να γίνει το κύριο συστατικό του μολυβιού μολυβιού. Στη χημική ουσία, ο γραφίτης ανήκει στο αλλότριο του άνθρακα, το οποίο αποτελείται από άτομα άνθρακα όπως το διαμάντι, το φουλερένιο και άλλες ουσίες. Ωστόσο, ο τρόπος διάταξης των ατόμων άνθρακα σε αυτές τις ουσίες είναι πολύ διαφορετικός, με αποτέλεσμα να υπάρχουν τεράστιες διαφορές στις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες.

Είναι ο γραφίτης μέταλλο ή ορυκτό;

Ο γραφίτης δεν είναι μέταλλο, αλλά ορυκτό. Το μέταλλο έχει συνήθως καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, θερμική αγωγιμότητα και ολκιμότητα και άλλα τυπικά χαρακτηριστικά. Παρόλο που ο γραφίτης έχει ορισμένο βαθμό ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας, δεν έχει την ολκιμότητα που χαρακτηρίζει τα μέταλλα. Ο γραφίτης είναι ένα φυσικό προϊόν πολύπλοκων γεωλογικών διεργασιών και πληροί τον ορισμό του ορυκτού. Υπάρχει σε συγκεκριμένα πετρώματα και κοιτάσματα στη φύση. Και είναι μια σημαντική μορφή άνθρακα στη μακρά διαδικασία του κύκλου και της εξέλιξης του γήινου κύκλου, μάρτυρας της κίνησης και της αλλαγής των υλικών στο εσωτερικό της γης.

Είναι ο γραφίτης στοιχείο;

Ο γραφίτης δεν είναι στοιχείο, αλλά μια ενιαία ουσία που αποτελείται από άνθρακα. Ένα στοιχείο είναι μια ομάδα ατόμων που έχουν τον ίδιο αριθμό πυρηνικών φορτίων (πρωτόνια). Ο γραφίτης είναι μια υλική οντότητα που σχηματίζεται από ένα μεγάλο αριθμό ατόμων άνθρακα που συνδέονται μεταξύ τους με συγκεκριμένους χημικούς δεσμούς. Αυτή η καθαρή ουσία που αποτελείται από τα ίδια στοιχεία ονομάζεται στοιχειώδης. Ο γραφίτης είναι μια ειδική μορφή της στοιχειώδους ύπαρξης του άνθρακα. Με μοναδική κρυσταλλική δομή και φυσικές και χημικές ιδιότητες δείχνει τις πλούσιες και ποικίλες ιδιότητες του άνθρακα.

Είναι ο γραφίτης άνθρακας;

Ο γραφίτης είναι ένα αλλότριο του άνθρακα, που αποτελείται εξ ολοκλήρου από το στοιχείο άνθρακα. Στο εσωτερικό του γραφίτη, τα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα και συνδυασμένα με έναν πολύ ιδιαίτερο τρόπο, ώστε να σχηματίζουν μια μοναδική κρυσταλλική δομή. Αυτή η δομή προσδίδει στον γραφίτη πολλές ειδικές ιδιότητες. Έτσι, αυτός και άλλα αλλότροπα του άνθρακα, όπως το διαμάντι (γνωστό για τις σκληρές και διαφανείς ιδιότητές του), το φουλερένιο (με μοναδική σφαιρική ή σωληνοειδή δομή) στην εμφάνιση, τις φυσικές και χημικές ιδιότητες διαφέρουν σημαντικά. Σε πολλούς τομείς διαδραματίζουν διαφορετικούς ρόλους.

Από πού προέρχεται ο γραφίτης;

Φυσικές πηγές

Οι φυσικές πηγές γραφίτη στη φύση είναι πιο εκτεταμένες. Μπορούμε να σχηματίσουμε μέρος του γραφίτη σε μεταμορφωμένα πετρώματα. Για παράδειγμα, κατά τη διαδικασία του περιφερειακού μεταμορφισμού, τα αρχικά ιζήματα που περιέχουν άνθρακα (όπως οι ανθρακικές φλέβες) μετατρέπονται σταδιακά σε γραφίτη μέσω πολύπλοκης μεταμορφικής κρυστάλλωσης υπό ακραίες συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. Επιπλέον, κάποιος γραφίτης προέρχεται από μαγματικά πετρώματα. Και όταν το μάγμα εισχωρεί στο φλοιό, ο άνθρακας που μεταφέρεται στο μάγμα κρυσταλλώνεται κάτω από συγκεκριμένο γεωλογικό περιβάλλον και φυσικές και χημικές συνθήκες. Έτσι σχηματίζεται ο γραφίτης. Τα κοιτάσματα φυσικού γραφίτη κατανέμονται σε πολλές χώρες και περιοχές σε όλο τον κόσμο, μεταξύ των οποίων η Κίνα, η Βραζιλία, η Ινδία και άλλες χώρες διαθέτουν σχετικά πλούσιους φυσικούς πόρους γραφίτη. Αυτά παρέχουν μια σημαντική υλική βάση για την ανάπτυξη παγκόσμιων βιομηχανιών που σχετίζονται με το γραφίτη.

Τεχνητός γραφίτης

Με την ταχεία ανάπτυξη της σύγχρονης βιομηχανικής τεχνολογίας, η παραγωγή τεχνητού γραφίτη έχει γίνει σταδιακά ένα σημαντικό μέρος του εφοδιασμού γραφίτη. Ο τεχνητός γραφίτης παράγεται συνήθως με θερμική επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία συγκεκριμένων πρώτων υλών που περιέχουν άνθρακα (όπως ο πετρελαϊκός οπτάνθρακας, ο οπτάνθρακας ασφάλτου κ.λπ.). Μετατρέπει άμορφο άνθρακα σε γραφίτη. Σε υψηλές θερμοκρασίες, τα στοιχεία που δεν περιέχουν άνθρακα σε αυτές τις πρώτες ύλες που περιέχουν άνθρακα θα εξατμιστούν σταδιακά. Και τα άτομα άνθρακα θα αναδιαταχθούν και θα κρυσταλλωθούν, σχηματίζοντας τελικά τεχνητό γραφίτη με δομή παρόμοια με του φυσικού γραφίτη. Η παραγωγή τεχνητού γραφίτη έχει υψηλό βαθμό ελεγχσιμότητας. Και μπορεί να ελέγξει με ακρίβεια την καθαρότητα, την κρυσταλλική δομή και τις φυσικές και χημικές ιδιότητές του σύμφωνα με τις διάφορες ανάγκες βιομηχανικών εφαρμογών. Έτσι, χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλούς τομείς, όπως ο χάλυβας, οι μπαταρίες, τα πυρίμαχα υλικά κ.ο.κ. Αυτό παρέχει ισχυρή υποστήριξη για την ανάπτυξη της σύγχρονης βιομηχανίας.

Τύποι γραφίτη

Συνοπτικά, ο γραφίτης μπορεί να χωριστεί κυρίως σε δύο τύπους φυσικού γραφίτη και συνθετικού γραφίτη.

 Φυσικός γραφίτης

Ο φυσικός γραφίτης περιλαμβάνει επίσης τον νιφάδες γραφίτη, τον κρυσταλλικό γραφίτη και τον κρυπτοκρυσταλλικό γραφίτη.

Ο νιφάδες γραφίτη χαρακτηρίζονται από ένα μεγάλο και λεπτό σχήμα νιφάδας με ευρύ φάσμα διαμέτρων, που κυμαίνονται από μερικά δέκατα του χιλιοστού έως αρκετά χιλιοστά. Οι κλίμακες αυτές έχουν καλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα στην κατεύθυνση του επιπέδου, ενώ η στρωματοποιημένη δομή τους του προσδίδει εξαιρετικές ιδιότητες λίπανσης.

Οι κρύσταλλοι του γραφίτη είναι καλά αναπτυγμένοι και παρουσιάζουν εμφανές εξαγωνικό ελασματοειδές κρυσταλλικό σχήμα. Και οι κλίμακες του είναι σχετικά μεγάλες, και η διάμετρος των τεμαχίων είναι συχνά μεγαλύτερη από 0,1-0,2 mm. Αυτός ο τύπος γραφίτη δεν είναι άφθονος στη φύση. Αλλά λόγω της εξαιρετικής κρυσταλλικής δομής και των μοναδικών ιδιοτήτων του, παίζει ρόλο σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς υψηλής ποιότητας.

Ο κρύσταλλος του αφανιτικού γραφίτη είναι πολύ μικρός και υπάρχει με τη μορφή μικροκρυσταλλικών συσσωματωμάτων. Και το συγκεκριμένο σχήμα του κρυστάλλου δύσκολα μπορεί να διακριθεί με γυμνό μάτι. Η περιεκτικότητά του σε σταθερό άνθρακα βρίσκεται σε υψηλό επίπεδο, περίπου στο εύρος 60%-80%. Στις βιομηχανικές εφαρμογές, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε κρυπτοκρυσταλλικό γραφίτη ως υλικό χύτευσης και πυρίμαχο υλικό.

Συνθετικός γραφίτης

Ο συνθετικός γραφίτης περιέχει τρεις τύπους, ο καθένας με μοναδικές ιδιότητες και χρήσεις.

Η καθαρότητα του γραφίτη υψηλής καθαρότητας είναι εξαιρετικά υψηλή, η περιεκτικότητα σε προσμίξεις είναι πολύ χαμηλή, συνήθως πάνω από 99,9%. Η εξαιρετική χημική σταθερότητα και η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα τον καθιστούν να διαδραματίζει βασικό ρόλο στην κατασκευή ημιαγωγών, στη χημική βιομηχανία υψηλής ποιότητας και σε άλλες βιομηχανίες με αυστηρές απαιτήσεις καθαρότητας.

Ο ισοστατικά πρεσσαριστός γραφίτης σχηματίζεται με τη διαδικασία ισοστατικής πρέσας και έχει τα χαρακτηριστικά της ομοιόμορφης δομής και της ισοτροπίας. Έχει εξαιρετική μηχανική αντοχή, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή σε θερμικό σοκ, εξαιρετική απόδοση στη μεταλλουργία, EDM και άλλους τομείς.

Ο διογκωμένος γραφίτης κατασκευάζεται από φυσικό γραφίτη με ειδική επεξεργασία, με μοναδική σκουληκόμορφη δομή. Αυτή μπορεί να διαστέλλεται ταχύτατα σε υψηλές θερμοκρασίες και να σχηματίζει ένα υλικό με εξαιρετικές ιδιότητες θερμομόνωσης και στεγανοποίησης. Στον τομέα των πυράντοχων υλικών, ο διογκωμένος γραφίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή πυράντοχων σφραγίδων, πυράντοχων επικαλύψεων κ.λπ. Μπορεί να αποτρέψει αποτελεσματικά την εξάπλωση της πυρκαγιάς.

Από τι αποτελείται ο γραφίτης;

Στοιχείο γραφίτη

Το κύριο συστατικό στοιχείο του γραφίτη είναι ο άνθρακας. Στο γραφίτη, τα άτομα άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς, σχηματίζοντας ένα επίπεδο δίκτυο εξαγώνων. Αυτές οι δομές επίπεδου δικτύου στοιβάζονται στρώμα επί στρώματος στο χώρο, σχηματίζοντας τη μοναδική κρυσταλλική δομή του γραφίτη. Κάθε άτομο άνθρακα σχηματίζει ομοιοπολικό δεσμό με τρία άτομα άνθρακα που το περιβάλλουν. Και η παρουσία αυτού του ομοιοπολικού δεσμού προσδίδει στον γραφίτη υψηλή σταθερότητα και αντοχή εντός του στρώματος. Ενώ παράλληλα θέτει τα θεμέλια για ορισμένες από τις ιδιαίτερες ιδιότητές του, όπως η ηλεκτρική και η θερμική αγωγιμότητα.

Ο χημικός τύπος του γραφίτη

Ο χημικός τύπος του γραφίτη συμβολίζεται συνήθως με C, γεγονός που υποδηλώνει σαφώς ότι αποτελείται εξ ολοκλήρου από άνθρακα. Παρά τον απλό χημικό του τύπο, ο γραφίτης παρουσιάζει πολύπλοκες και ποικίλες φυσικές και χημικές ιδιότητες. Λόγω της μοναδικής διάταξης των ατόμων άνθρακα και της ύπαρξης πολλών μορφών χημικού δεσμού. Αυτό το χαρακτηριστικό, το οποίο αποτελείται από ένα μόνο στοιχείο αλλά έχει πλούσιες ιδιότητες, κάνει τον γραφίτη να καταλαμβάνει μια μοναδική θέση στον τομέα της επιστήμης των υλικών. Και επίσης καθιστώντας τον να γίνεται το επίκεντρο πολυάριθμων ερευνών και χρήσεων.

Δομή γραφίτη

Άνθρακας Διάταξη των ατόμων άνθρακα στον γραφίτη

Ο άνθρακας είναι τοποθετημένος στη μικροδομή του γραφίτη. Και τα άτομα άνθρακα παρουσιάζουν ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό της στρωματοειδούς διάταξης. Κάθε στρώμα ατόμων άνθρακα είναι στενά διατεταγμένο ώστε να σχηματίζει μια τεράστια εξαγωνική επίπεδη δομή δικτύου. Και τα άτομα άνθρακα συνδέονται στενά μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Αυτό κάνει αυτά τα επίπεδα στρώματα να έχουν υψηλή σταθερότητα και αντοχή και να μπορούν να αντέξουν έναν ορισμένο βαθμό εξωτερικής δύναμης χωρίς βλάβη. Το στρώμα μεταξύ του στρώματος είναι μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης δύναμης van der Waals. Αυτή η σχετικά ασθενής δύναμη μεταξύ των στρωμάτων καθιστά τον γραφίτη μεταξύ του στρώματος και του στρώματος όταν η μικρή εξωτερική δύναμη είναι εύκολο να ολισθήσει, δίνοντας έτσι στον γραφίτη καλή λίπανση και ευελιξία. Έτσι ώστε να χρειάζεται να μειώσει την τριβή και να έχει μια ορισμένη ικανότητα παραμόρφωσης στο σενάριο εφαρμογής.

Δέσιμο

Ο ομοιοπολικός δεσμός μεταξύ των ατόμων άνθρακα στο στρώμα γραφίτη είναι ένας ισχυρός χημικός δεσμός. Δεν εξασφαλίζει μόνο τη σταθερότητα και την ακεραιότητα του στρώματος γραφίτη, αλλά έχει επίσης βαθιά επίδραση στις φυσικές ιδιότητες του γραφίτη. Λόγω της ύπαρξης ομοιοπολικών δεσμών, τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται σχετικά ελεύθερα μεταξύ των ατόμων άνθρακα εντός του στρώματος. Αυτό κάνει τον γραφίτη να έχει καλή αγώγιμη και θερμική αγωγιμότητα εντός του στρώματος και μπορεί να μεταφέρει αποτελεσματικά ρεύμα και θερμότητα.

Η δύναμη van der Waals μεταξύ των στρωμάτων είναι σχετικά ασθενής. Και η συμβολή της στις φυσικές ιδιότητες του γραφίτη, όπως η σκληρότητα και η πυκνότητα, είναι μικρότερη από εκείνη των ομοιοπολικών δεσμών. Αυτή η συνεργιστική επίδραση των ομοιοπολικών δεσμών εντός των στρωμάτων και των δυνάμεων van der Waals μεταξύ των στρωμάτων δημιουργεί τις μοναδικές ανισοτροπικές ιδιότητες του γραφίτη. Δηλαδή, οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του γραφίτη προς την κατεύθυνση του στρώματος και του κάθετου στρώματος διαφέρουν σημαντικά. Και αυτή η ιδιότητα πρέπει να λαμβάνεται πλήρως υπόψη στις εφαρμογές υλικών για να επιτευχθεί η βέλτιστη αξιοποίηση των ιδιοτήτων του γραφίτη.

Ιδιότητες του γραφίτη

Φυσικές ιδιότητες

Χρώμα

Ο γραφίτης έχει συνήθως γκρι-μαύρο χρώμα. Ο σχηματισμός αυτού του χρώματος συνδέεται στενά με την εσωτερική ηλεκτρονική δομή του γραφίτη και τα χαρακτηριστικά απορρόφησης και ανάκλασης του φωτός. Τα άτομα άνθρακα του γραφίτη απορροφούν και σκεδάζουν το ορατό φως μέσω συγκεκριμένων χημικών δεσμών και της κατανομής του ηλεκτρονιακού νέφους. Έτσι, το μεγαλύτερο μέρος του ορατού φωτός απορροφάται και μόνο μια μικρή ποσότητα φωτός ανακλάται ή σκεδάζεται. Παρουσιάζοντας έτσι ένα γκριζόμαυρο οπτικό αποτέλεσμα σε μακροσκοπικό επίπεδο. Επιπλέον, η αδιαφανής φύση του γραφίτη προσδίδει επίσης στην εμφάνισή του μια μοναδική υφή, σε έντονη αντίθεση με άλλα διαφανή ή ημιδιαφανή υλικά.

Πυκνότητα

Η πυκνότητα του γραφίτη είναι σχετικά μικρή, μεταξύ περίπου 2,09-2,23 g/cm 3. Και το ειδικό βάρος είναι επίσης χαμηλό. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά τον γραφίτη σαφές πλεονέκτημα σε ορισμένα σενάρια εφαρμογών με αυστηρές απαιτήσεις για το βάρος. Για παράδειγμα, στο σχεδιασμό ορισμένων εξαρτημάτων στον τομέα της αεροδιαστημικής, εάν πρέπει να χρησιμοποιηθούν υλικά που έχουν ορισμένο βαθμό αγώγιμης ιδιότητας και λιπαντικότητας, αλλά μπορούν επίσης να μειώσουν το συνολικό βάρος. Τότε ο γραφίτης γίνεται ένα πολύ πιθανό υποψήφιο υλικό.

Σημείο τήξης

Ο γραφίτης έχει πολύ υψηλό σημείο τήξης, περίπου 3652 °C -3697 °C. Αυτή η εξαιρετική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες επιτρέπει στο γραφίτη να διατηρεί τη δομή και τις ιδιότητές του σχετικά σταθερές σε περιβάλλοντα εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών. Στην τήξη σιδήρου και χάλυβα, στα πυρίμαχα υλικά και σε άλλες βιομηχανικές διεργασίες υψηλών θερμοκρασιών, ο γραφίτης διαδραματίζει ζωτικό ρόλο.

Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Ο γραφίτης έχει εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα στο στρώμα, η οποία οφείλεται στο σχηματισμό μιας σταθερής δομής ηλεκτρονιακού νέφους μεταξύ των ατόμων άνθρακα στο στρώμα μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Και τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται σχετικά ελεύθερα σε αυτή τη δομή, ώστε να επιτυγχάνεται αποτελεσματική αγωγή του ρεύματος. Ταυτόχρονα, η θερμική αγωγιμότητα του γραφίτη είναι επίσης πολύ καλή και μπορεί να μεταφέρει γρήγορα θερμότητα.

Λίπανση

Οι λιπαντικές ιδιότητες του λιπαντικού γραφίτη οφείλονται στη μοναδική στρωματοποιημένη δομή του. Επειδή η δύναμη van der Waals μεταξύ των στρωμάτων είναι ασθενής. Όταν ο γραφίτης υπόκειται σε εξωτερική δύναμη, η σχετική ολίσθηση μεταξύ των στρωμάτων είναι εύκολο να συμβεί. Και αυτή η διαδικασία ολίσθησης μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά τον συντελεστή τριβής, ώστε να διαδραματίσει έναν καλό ρόλο λίπανσης. Είτε πρόκειται για την καθημερινή συντήρηση λίπανσης διαφόρων μηχανικών συσκευών στη βιομηχανία μηχανημάτων, είτε για τις ανάγκες λίπανσης σε ορισμένα ειδικά περιβάλλοντα (όπως υψηλή θερμοκρασία, υψηλή πίεση ή περιβάλλον χημικής διάβρωσης), ο γραφίτης μπορεί να επιδείξει εξαιρετικά αποτελέσματα λίπανσης.

Χημικές ιδιότητες

Αντοχή στη διάβρωση γραφίτη

Ο γραφίτης έχει καλή αντοχή στα οξέα και τα αλκάλια. Μπορεί να διατηρήσει σχετικά σταθερή δομή και απόδοση σε διαλύματα οξέων και αλκαλίων σε ένα συγκεκριμένο εύρος συγκεντρώσεων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα άτομα άνθρακα στο γραφίτη σχηματίζουν μια σταθερή δομή ενέργειας χημικού δεσμού μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Αυτό καθιστά δύσκολο να καταστραφεί ο γραφίτης από ιόντα σε διαλύματα οξέων και βάσεων. Αυτή η αντοχή στα οξέα και τα αλκάλια καθιστά τον γραφίτη να έχει σημαντική αξία εφαρμογής σε ορισμένα διαβρωτικά περιβάλλοντα στη χημική βιομηχανία.

Αντιδραστικότητα με άλλα υλικά

Υπό κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας, οι χημικές ιδιότητες του γραφίτη είναι σχετικά σταθερές. Και δεν είναι εύκολο να αντιδράσει χημικά με τις περισσότερες κοινές ουσίες. Ωστόσο, όταν εκτίθεται σε υψηλή θερμοκρασία, υψηλή πίεση ή σε συγκεκριμένο χημικό περιβάλλον, ο γραφίτης μπορεί να αντιδράσει με ορισμένα οξειδωτικά (όπως οξυγόνο, πυκνό θειικό οξύ κ.λπ.).

Για παράδειγμα, όταν το οξυγόνο είναι επαρκές και η θερμοκρασία αυξάνεται σε κάποιο βαθμό, ο γραφίτης θα υποστεί αντίδραση οξείδωσης και θα μετατραπεί σταδιακά σε προϊόντα όπως το διοξείδιο του άνθρακα. Αυτή η αντιδραστικότητα περιορίζει σε κάποιο βαθμό την εφαρμογή του γραφίτη σε ορισμένα ακραία περιβάλλοντα οξείδωσης. Παρέχει όμως και τη δυνατότητα για κάποια ειδική επεξεργασία και τροποποίηση του γραφίτη.

Συντελεστής θερμικής διαστολής

Ο γραφίτης έχει χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, γεγονός που του προσδίδει καλή σταθερότητα διαστάσεων όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται. Σε σύγκριση με πολλά άλλα υλικά, ο όγκος του γραφίτη μεταβάλλεται πολύ λίγο κατά τη διαδικασία που υφίσταται μεγαλύτερη αύξηση και μείωση της θερμοκρασίας.

Σε ορισμένες εφαρμογές που απαιτούν υψηλή διαστατική ακρίβεια των υλικών, αυτός ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής του γραφίτη είναι ιδιαίτερα σημαντικός. Μπορεί να αποφύγει αποτελεσματικά προβλήματα όπως η παραμόρφωση εξαρτημάτων και η μείωση της ακρίβειας συναρμολόγησης που προκαλούνται από διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Έτσι ώστε να διασφαλίζεται η κανονική λειτουργία και η σταθερή απόδοση του εξοπλισμού ή των οργάνων σε διαφορετικά θερμοκρασιακά περιβάλλοντα.

Οξείδωση

Αν και ο γραφίτης παρουσιάζει ισχυρή αντοχή στην οξείδωση και τη διάβρωση σε θερμοκρασία δωματίου, σε ακραίες συνθήκες, όπως υψηλή θερμοκρασία, υψηλή υγρασία ή περιβάλλον ισχυρής οξείδωσης, ο γραφίτης σταδιακά οξειδώνεται και διαβρώνεται. Για παράδειγμα, μακροχρόνια έκθεση σε υψηλή θερμοκρασία στον αέρα, τα άτομα άνθρακα στην επιφάνεια του γραφίτη θα αντιδράσουν με το οξυγόνο για να σχηματίσουν ένα στρώμα οξειδίου.

Και με την πάροδο του χρόνου, η συνεχής πάχυνση του στρώματος οξειδίου θα οδηγήσει σε αλλαγές στη δομή και τις επιδόσεις του γραφίτη. Όπως μειωμένη αγωγιμότητα και αντοχή. Ως εκ τούτου, σε ορισμένες περιοχές εφαρμογής με υψηλές απαιτήσεις για την αντοχή του γραφίτη στην οξείδωση, είναι συχνά απαραίτητο να πραγματοποιείται ειδική επιφανειακή επεξεργασία του γραφίτη. Ή να προστεθούν αντιοξειδωτικά και άλλα μέτρα. Για να βελτιωθεί η αντιοξειδωτική του ικανότητα ώστε να διασφαλιστεί η σταθερότητα των επιδόσεων και η αξιοπιστία των υλικών γραφίτη κατά τη χρήση.

Μηχανικές ιδιότητες

Σκληρότητα και αντοχή

Η αντοχή και η σκληρότητα του γραφίτη είναι σχετικά χαμηλές και η σκληρότητα Mohs είναι περίπου 1-2. Αυτή η ιδιότητα καθιστά τον γραφίτη σχετικά εύκολο να διαμορφωθεί και να επεξεργαστεί σε διάφορα σχήματα κατά την επεξεργασία. Για παράδειγμα, κατά την κατασκευή μολυβδόβουλων, αναμειγνύοντας γραφίτη και άλλα υλικά, όπως πηλό, σε διαφορετικές αναλογίες και πιέζοντας, είναι βολικό να κατασκευάζονται μολύβια με διαφορετικά επίπεδα σκληρότητας για την κάλυψη διαφορετικών αναγκών γραφής. Ωστόσο, αν και η συνολική αντοχή του γραφίτη είναι χαμηλή, εξακολουθεί να έχει μια ορισμένη τιμή αξιοποίησης της αντοχής σε ορισμένες συγκεκριμένες κατευθύνσεις. Όπως κατά μήκος της κατεύθυνσης του στρώματος γραφίτη.

 Ελαστικότητα

Λόγω της μοναδικής στρωματοειδούς δομής του γραφίτη, παρουσιάζει ευελιξία και ελαστικότητα σε κάποιο βαθμό. Όταν υποβάλλεται σε μια μικρή εξωτερική δύναμη, μπορούμε να κάμψουμε και να παραμορφώσουμε τη στρωματοποιημένη δομή του γραφίτη σε κάποιο βαθμό. Και όταν η εξωτερική δύναμη απομακρυνθεί, μπορούμε να επαναφέρουμε τον γραφίτη στο αρχικό του σχήμα ή κοντά στο αρχικό του σχήμα. Αυτή η ευκαμψία και η ελαστικότητα καθιστούν τον γραφίτη μια πιθανή προοπτική εφαρμογής σε ορισμένες εύκαμπτες ηλεκτρονικές συσκευές, υλικά στεγανοποίησης και άλλους αναδυόμενους τομείς.

Ανισοτροπία

Ο ανισοτροπικός γραφίτης έχει εξαιρετικά εμφανή ανισοτροπικά χαρακτηριστικά. Δηλαδή, οι φυσικές και χημικές ιδιότητές του διαφέρουν σημαντικά προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Όσον αφορά την αγώγιμη ιδιότητα, η αγωγιμότητα κατά μήκος του στρώματος γραφίτη είναι πολύ υψηλότερη από την αγωγιμότητα στο κάθετο στρώμα. Αυτό προκαλείται από την προώθηση των ομοιοπολικών δεσμών στην αγωγή ηλεκτρονίων και την παρεμπόδιση της δύναμης van der Waals μεταξύ των στρώσεων στην αγωγή ηλεκτρονίων.

Όσον αφορά τη σκληρότητα και την αντοχή, η σκληρότητα και η αντοχή του κάθετου στρώματος είναι σχετικά υψηλές. Επειδή η δύναμη van der Waals μεταξύ των στρωμάτων περιορίζει σε κάποιο βαθμό τη σχετική ολίσθηση μεταξύ των στρωμάτων. Ενώ η ολίσθηση και η παραμόρφωση είναι πιο πιθανό να συμβούν λόγω της ασθενούς δύναμης μεταξύ των στρώσεων. Αυτό το ανισοτροπικό χαρακτηριστικό χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή και συνεκτίμηση κατά τη διαδικασία εφαρμογής του γραφίτη. Σύμφωνα με τις συγκεκριμένες απαιτήσεις της εφαρμογής, είναι λογικό να επιλέγονται και να αξιοποιούνται τα πλεονεκτήματα των ιδιοτήτων του γραφίτη προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Έτσι ώστε να μεγιστοποιηθεί η αξιοποίηση των επιδόσεων του υλικού γραφίτη και να βελτιστοποιηθεί το αποτέλεσμα της εφαρμογής.

Θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες

Υπάρχει μια στενή εσωτερική σχέση μεταξύ των θερμικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων του γραφίτη και των θερμικών ιδιοτήτων και των εξαιρετικών επιδόσεων. Η υψηλή θερμική του αγωγιμότητα είναι αρκετή για να εκπέμπει γρήγορα θερμότητα, η οποία έχει μεγάλη αξία εφαρμογής στον τομέα της απαγωγής θερμότητας του ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Ταυτόχρονα, η καλή αγωγιμότητα του γραφίτη του επιτρέπει να μεταδίδει αποτελεσματικά το ρεύμα ως εξαιρετικός αγωγός στο κύκλωμα.

Άλλες ιδιότητες

Εκτός από τις πολλές ιδιότητες που αναφέρθηκαν παραπάνω, ο γραφίτης έχει και κάποιες άλλες ιδιαίτερες ιδιότητες. Για παράδειγμα, ο γραφίτης έχει ορισμένες ιδιότητες προσρόφησης. Και η πλούσια δομή των πόρων του και η μεγάλη ειδική επιφάνεια μπορούν να απορροφήσουν ορισμένα αέρια και μικρά μόρια. Αυτή η ιδιότητα έχει δυνητική αξία εφαρμογής στον καθαρισμό αερίων και στην επεξεργασία λυμάτων στον τομέα της προστασίας του περιβάλλοντος. Με την κατάλληλη τροποποίηση και επεξεργασία του γραφίτη, οι επιδόσεις προσρόφησης μπορούν να βελτιωθούν περαιτέρω. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απομάκρυνση επιβλαβών αερίων στον αέρα (όπως φορμαλδεΰδη, διοξείδιο του θείου κ.λπ.) ή ιόντων βαρέων μετάλλων στο νερό, οργανικών ρύπων κ.λπ.

6 χρήσεις του γραφίτη

Σε μολύβια

Ο γραφίτης είναι βασικό συστατικό του μολύβδου των μολυβιών. Λόγω της μαλακής υφής του και της μοναδικής στρωματοειδούς δομής του, μπορεί να αφήσει σαφή σημάδια στο χαρτί μετά την ανάμιξη και την προσαρμογή της σκληρότητας με πηλό, ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες της γραφής και της ζωγραφικής. Από τη μάθηση των μαθητών έως την καλλιτεχνική δημιουργία, χρησιμοποιείται ευρέως σε όλα τα είδη εργαλείων γραφής. Αυτό επιτρέπει στους ανθρώπους να εκφράζουν ελεύθερα τις ιδέες και τη δημιουργικότητά τους.

Ως λιπαντικό

Ο γραφίτης ως λιπαντικό έχει καλή λιπαντική ικανότητα λόγω της ασθενούς δύναμης van der Waals στο μεσαίο στρώμα και στο ενδιάμεσο στρώμα της δομής των στρωμάτων. Χρησιμοποιείται ευρέως στον μηχανικό τομέα. Είτε πρόκειται για τα εσωτερικά κινούμενα μέρη του κινητήρα του αυτοκινήτου, είτε για τα βιομηχανικά μηχανικά μέρη μετάδοσης κίνησης. Ή ακόμη και τα αεροδιαστημικά μέρη υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης, η σκόνη γραφίτη μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την τριβή, να μειώσει τη φθορά. Και εξασφαλίζει επίσης την ομαλή και αποτελεσματική λειτουργία του εξοπλισμού και παρατείνει τη διάρκεια ζωής.

Παραγωγή χάλυβα

Ο γραφίτης παίζει σημαντικό ρόλο στην παραγωγή χάλυβα. Ως ηλεκτρόδιο, μπορεί να εισάγει ρεύμα για την παραγωγή τήξης με θερμότητα Joule των πρώτων υλών από παλιοσίδερα χάλυβα. Ως καρβουνιστής, η περιεκτικότητα σε άνθρακα του λιωμένου χάλυβα μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια. Κατασκευασμένο από υλικό επένδυσης κλιβάνου, λόγω της αντοχής σε υψηλή θερμοκρασία και της αντοχής στη διάβρωση, προστατεύει το σώμα του κλιβάνου παραγωγής χάλυβα από τη ζημιά του λιωμένου χάλυβα υψηλής θερμοκρασίας και της σκωρίας. Επιπλέον, ο γραφίτης έχει ορισμένη ειδική θερμοχωρητικότητα. Μπορεί να απορροφήσει και να απελευθερώσει θερμότητα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής χάλυβα, βοηθώντας στη ρύθμιση των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στον κλίβανο. Υποστηρίζει αποτελεσματικά την αποτελεσματική, ασφαλή και σταθερή ανάπτυξη της διαδικασίας παραγωγής χάλυβα.

Μπαταρία

Ο γραφίτης έχει μεγάλη σημασία για τις μπαταρίες και χρησιμοποιείται συνήθως ως αρνητικό υλικό ηλεκτροδίων σε μπαταρίες ιόντων λιθίου. μπαταρίες. Η πολυεπίπεδη δομή του παρέχει χώρο για την ενσωμάτωση και την αποεμπέδωση ιόντων λιθίου, την ενσωμάτωση φόρτισης, την εκφόρτιση, με καλή αγώγιμη ιδιότητα. Αυτό εξασφαλίζει τον κύκλο φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας. Στην έρευνα της αναδυόμενης τεχνολογίας μπαταριών, θεωρείται επίσης ως το βασικό υλικό. Αυτό παίζει ρόλο στην προώθηση της ανάπτυξης της νέας αποθήκευσης ενέργειας.

Πυρίμαχα υλικά

Ο γραφίτης έχει υψηλό σημείο τήξης και υψηλή θερμοκρασιακή σταθερότητα και είναι ένα υψηλής ποιότητας πυρίμαχο υλικό. Στη μεταλλουργία, τα κεραμικά, το γυαλί και άλλες βιομηχανικές διεργασίες υψηλής θερμοκρασίας, που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πυρίμαχων τούβλων, επενδύσεων Χωνευτήρια και ούτω καθεξής. Μπορεί να αντισταθεί στη διάβρωση του τήγματος μετάλλων και της σκωρίας σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας, να διατηρήσει τη δομική σταθερότητα. Μειώνει την απώλεια θερμότητας, μειώνει τον κίνδυνο ατυχήματος και δημιουργεί μια ισχυρή γραμμή ασφαλείας για τη βιομηχανική παραγωγή υψηλής θερμοκρασίας.

Πυρηνικοί αντιδραστήρες

Ο γραφίτης χρησιμεύει ως ρυθμιστής νετρονίων στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Συγκρουόμενα με νετρόνια, τα γρήγορα νετρόνια επιβραδύνονται σε θερμικά νετρόνια. Έτσι αυτά ελέγχουν τον ρυθμό της πυρηνικής αντίδρασης σχάσης και εξασφαλίζουν τη σταθερή λειτουργία του αντιδραστήρα. Οι πρώιμοι πυρηνικοί αντιδραστήρες έχουν πολλές χρήσεις. Όμως ο γραφίτης θα αλλάξει υπό υψηλή θερμοκρασία και ακτινοβολία νετρονίων, απαιτώντας ειδικές τεχνικές αντιδράσεις για να εξασφαλιστεί η μακροπρόθεσμη ασφαλής χρήση.

Συμπέρασμα

Ως αλλότριο του άνθρακα, ο γραφίτης έχει διάφορες ιδιότητες και χρησιμοποιείται ευρέως. Τα διάφορα χαρακτηριστικά του σχετίζονται μεταξύ τους, γεγονός που καθορίζει την απόδοσή του σε διάφορα σενάρια. Από τα καθημερινά μολύβια μέχρι τη βιομηχανική χαλυβουργία και την κατασκευή μπαταριών μέχρι τους πυρηνικούς αντιδραστήρες υψηλής τεχνολογίας, ο γραφίτης είναι απαραίτητος. Με την ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας, ο γραφίτης έχει μεγάλες δυνατότητες σε αναδυόμενους τομείς. Και θα καταλάβει μια πιο κρίσιμη θέση στην επιστήμη των υλικών, στην παγκόσμια στρατηγική των πόρων και στη στρατηγική της βιώσιμης ανάπτυξης. Και θα συνεχίσει να προωθεί την πρόοδο της ανθρώπινης κοινωνίας.