Perché la grafite è morbida e scivolosa?

La grafite è un importante materiale al carbonio, ampiamente utilizzato nella vita e nell'industria. Le sue caratteristiche di morbidezza e scivolosità non solo gettano le basi per le applicazioni di base, ma aiutano anche la scienza dei materiali a esplorare la relazione tra micro e macro proprietà. Ciò fornisce un supporto teorico per applicazioni innovative all'avanguardia.

Analisi della struttura cristallina della grafite

La disposizione degli atomi di carbonio della grafite

La grafite ha un cristallo stratificato strutturaOgni strato di atomi di carbonio è disposto in una rete esagonale compatta bidimensionale. Ogni atomo di carbonio nel piano è collegato ai tre atomi di carbonio circostanti da un legame covalente con una lunghezza di legame di circa 0,142 nm e un angolo di legame di 120°. Questo legame covalente è altamente direzionale e stabile e forma uno scheletro piano solido. Ciò conferisce un'eccellente stabilità meccanica e chimica allo strato di grafite, rendendo difficile lo spostamento relativo degli atomi di carbonio nello strato. E quindi mantenendo l'integrità della struttura piana.

Forza interstrato

Gli atomi di carbonio tra lo strato di grafite e lo strato sono mantenuti da una debole forza di Van der Waals e non si forma alcun legame covalente. Le forze di Van der Waals sono forze intermolecolari derivanti da varie interazioni di dipolo delle molecole. La forza di van der Waals tra gli intermedi di grafite è di 4-7 kJ/mol, molto inferiore al legame covalente di circa 346kJ/mol. Questa differenza di energia fa sì che gli strati di grafite si leghino in modo lasco e che ogni strato abbia la possibilità di muoversi relativamente. Questa è la base strutturale della proprietà di scivolamento morbido della grafite.

Interpretazione delle proprietà morbide della grafite da una prospettiva microscopica

Scorrimento dell'intercalare sotto la forza esterna

Quando la grafite è sottoposta a forze esterne, le forze di van der Waals tra gli strati difficilmente riescono a contrastare l'influenza di queste forze esterne. A causa della debole forza di van der Waals, sotto l'azione di piccole forze esterne, lo scorrimento relativo tra gli strati può avvenire facilmente. Gli atomi di carbonio possono scivolare dolcemente l'uno verso l'altro sotto la spinta dell'attrito. Questo tipo di scorrimento interstrato a livello micro si riflette direttamente a livello macro come texture morbida. È facile cambiare forma sotto l'azione di forze esterne.

Fattori della struttura cristallina legati alla durezza

La durezza di un materiale dipende essenzialmente dalla resistenza della sua struttura cristallina alle forze esterne. Nel caso della grafite, sebbene i legami covalenti degli strati conferiscano una forte stabilità meccanica nel piano. Le deboli forze di van der Waals tra gli strati diventano l'anello debole chiave che determina la sua durezza complessiva. Di fronte alle forze esterne, non può disperdere e resistere efficacemente alle forze esterne attraverso una gamma completa di forti interazioni tra gli atomi. Come un cristallo con una distribuzione uniforme dei legami covalenti in tre dimensioni (come il diamante). Al contrario, è più probabile che scivoli tra gli strati, con conseguente minore durezza complessiva. Secondo lo standard di durezza Mohs, la sua durezza è solo 1-2, molto inferiore a quella dei materiali minerali più comuni. Ciò riflette pienamente l'influenza decisiva della sua struttura cristallina sulla durezza.

Discussione sul meccanismo di formazione della levigatezza

Relazione tra slittamento dello strato e attrito

La scorrevolezza della grafite è dovuta direttamente alla facilità di scorrimento tra gli strati. Quando due superfici sono a contatto e in movimento relativo, se è presente la grafite, lo scorrimento interstrato della grafite può ridurre significativamente l'attrito diretto tra le superfici. Se non c'è grafite, i micro-convessi e i concavi sulla superficie dell'oggetto si intrecciano l'uno con l'altro, provocando un maggiore attrito. Quando la si usa come lubrificante, il movimento relativo della superficie dell'oggetto si trasforma in uno scorrimento tra gli strati di grafite. Grazie alle deboli forze di van der Waals tra gli strati, la resistenza necessaria per superare questo scorrimento è molto ridotta. In questo modo si riduce notevolmente il coefficiente di attrito. Dopo l'applicazione della grafite su alcune superfici metalliche, il coefficiente di attrito può essere ridotto a 1/3-1/2 di quello originale. Questo dimostra pienamente il suo eccellente effetto nel ridurre l'attrito.

L'incarnazione della scivolosità nella vita

Nella vita quotidiana, possiamo percepire intuitivamente le caratteristiche di scorrevolezza della grafite attraverso una serie di fenomeni. Quando la mano tocca la polvere di grafite, è evidente che le dita sono difficili da afferrare. E si avverte una forte sensazione di scivolosità. Questo perché la struttura a strati della polvere di grafite scivola rapidamente tra gli strati sotto il tocco. Dando al dito un feedback tattile unico.

Inoltre, l'uso della scrittura a matita è un'altra tipica incarnazione delle proprietà lisce. Durante il processo di scrittura, la mina della matita è a contatto con la superficie della carta. Sotto l'azione della pressione, gli strati di grafite scivolano tra loro. In questo modo, alcuni dei suoi strati possono essere trasferiti e attaccati alla carta, lasciando una scrittura chiara. In questo processo, le caratteristiche di scorrevolezza non solo garantiscono la fluidità della scrittura. Ma rendono anche l'esperienza di scrittura più fluida e confortevole.

Applicazione delle caratteristiche della grafite morbida

Applicazione nel campo dei lubrificanti

La grafite ha eccellenti proprietà lubrificanti e può essere ampiamente utilizzata nel campo dei lubrificanti. In condizioni estreme, come l'alta temperatura, l'alta pressione e l'alto vuoto, i normali lubrificanti liquidi possono facilmente guastarsi a causa dell'evaporazione, della decomposizione o della variazione di viscosità. La grafite è in grado di formare un film lubrificante nei motori dell'aviazione, ad alta temperatura e ad alta pressione. forni e apparecchiature per il vuoto. Grazie alle sue proprietà chimiche stabili e alle caratteristiche di scorrimento interstrato, riduce l'attrito e l'usura. Inoltre, può migliorare l'efficienza operativa e la durata delle apparecchiature.

Il principio di produzione della mina per matite

La mina delle matite è una tipica applicazione delle sue proprietà. È costituita da una miscela di grafite e di argilla in proporzione. Durante la scrittura, lo strato di grafite scivola sulla superficie della carta sotto l'azione della pressione. A causa della debole forza di legame tra gli strati, parte dello strato di grafite si attacca alla carta per formare la scrittura. Regolando il rapporto tra grafite e argilla si può controllare la durezza e il nero della mina della matita. In questo modo la matita diventa un comune strumento di scrittura.

Conclusione

La grafite è morbida e scivolosa grazie alla sua struttura cristallina unica. Questa connessione tra microstruttura e prestazioni macro pone le basi per la sua applicazione. E questo promuoverà anche la sua innovazione nelle tecnologie emergenti del futuro.

FAQ

Perché il diamante è duro?

Il diamante e la grafite sono allotropi del carbonio, ma hanno strutture cristalline diverse. Ogni atomo di carbonio in un diamante è legato covalentemente ai quattro atomi di carbonio circostanti. Formando una struttura a rete tetraedrica tridimensionale. Quando viene sollecitato, il legame covalente può disperdere le forze esterne e resistere alla deformazione. La durezza del diamante è quindi estremamente elevata e la durezza Mohs è pari a 10.

Perché la grafite conduce l'elettricità?

Oltre a formare legami σ, gli atomi di carbonio nello strato di grafite hanno anche legami π coniugati di grandi dimensioni. Ogni atomo di carbonio contribuisce con un elettrone p, formando una nuvola di elettroni delocalizzati che possono muoversi liberamente all'interno dello strato. Quando viene applicato un campo elettrico, gli elettroni liberi si muovono in direzione della corrente. La buona conduttività ne fa un prodotto ampiamente utilizzato in elettronica.

Perché la grafite viene utilizzata come lubrificante?

In primo luogo, la forza di van der Waals inter-strato è debole e l'inter-strato è facile da far scorrere. In secondo luogo, le proprietà chimiche sono stabili. Quando viene applicato, forma un film lubrificante sulla superficie del componente, sostituendo l'attrito diretto con lo scorrimento interstrato. Riduce il coefficiente di attrito, può mantenere le prestazioni in diversi ambienti chimici e ha un'ampia gamma di applicazioni.