Почему графит мягкий и скользкий?

Графит - важный углеродный материал, который широко используется в быту и промышленности. Его мягкие и скользкие характеристики не только закладывают основу для базовых применений, но и помогают материаловедению исследовать взаимосвязь между микро- и макросвойствами. Это обеспечивает теоретическую поддержку передовых инновационных приложений.

Анализ кристаллической структуры графита

Расположение атомов углерода в графите

Графит имеет слоистый кристалл структураВ каждом слое атомы углерода расположены в виде гексагональной компактной двумерной сети. Каждый атом углерода в плоскости соединен с окружающими тремя атомами углерода ковалентной связью с длиной связи около 0,142 нм и углом связи 120°. Эта ковалентная связь является высоконаправленной и стабильной, образуя прочный плоский скелет. Это обеспечивает отличную механическую и химическую стабильность графитового слоя, затрудняя относительное смещение атомов углерода в слое. При этом сохраняется целостность плоской структуры.

Межслойная сила

Атомы углерода между слоем графита и слоем поддерживаются слабыми силами Ван-дер-Ваальса, и ковалентная связь не образуется. Ван-дер-Ваальсовы силы - это межмолекулярные силы, возникающие в результате различных дипольных взаимодействий молекул. Сила Ван-дер-Ваальса между промежуточными слоями графита составляет 4-7 кДж/моль, что гораздо меньше, чем у ковалентной связи, составляющей около 346 кДж/моль. Благодаря этой разнице в энергии графитовые слои связываются слабо, и каждый слой имеет возможность относительного перемещения. Это является структурной основой его свойства мягкого скольжения.

Интерпретация мягких свойств графита с микроскопической точки зрения

Межслойное скольжение под действием внешней силы

Когда графит подвергается воздействию внешних сил, ван-дер-ваальсовы силы между слоями с трудом противостоят влиянию этих внешних сил. Из-за слабых ван-дер-ваальсовых сил под действием небольших внешних сил может легко возникнуть относительное скольжение между слоями. Атомы углерода могут плавно соскальзывать друг к другу под действием силы трения. Такое межслойное скольжение на микроуровне непосредственно отражается на макроуровне в виде мягкой текстуры. И он легко меняет форму под действием внешних сил.

Факторы кристаллической структуры, связанные с твердостью

Твердость материала в основном зависит от устойчивости его кристаллической структуры к внешним воздействиям. В случае графита, хотя ковалентные связи в слоях обеспечивают сильную механическую устойчивость в плоскости. Слабые ван-дер-ваальсовы силы между слоями становятся ключевым слабым звеном, определяющим его общую твердость. Перед лицом внешних сил он не может эффективно рассеивать и противостоять внешним воздействиям за счет всего спектра сильных взаимодействий между атомами. Например, кристалл с равномерным распределением ковалентных связей в трех измерениях (такой как алмаз). Напротив, он с большей вероятностью будет проскальзывать между слоями, что приведет к снижению общей твердости. Согласно стандарту твердости Мооса, его твердость составляет всего 1-2 балла, что гораздо ниже, чем у большинства распространенных минеральных материалов. Это полностью отражает решающее влияние кристаллической структуры на твердость.

Обсуждение механизма формирования гладкости

Взаимосвязь между скольжением слоя и трением

Гладкость графита напрямую связана с его легким скольжением между слоями. Когда две поверхности соприкасаются друг с другом и находятся в относительном движении, при наличии графита межслойное скольжение графита может значительно уменьшить прямое трение между поверхностями. При отсутствии графита микровыпуклости и вогнутости на поверхности объекта будут входить в зацепление друг с другом, что приведет к большему трению. При использовании графита в качестве смазки относительное движение поверхности объекта преобразуется в скольжение между слоями графита. Благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам между слоями, сопротивление, необходимое для преодоления этого скольжения, очень мало. Таким образом, значительно снижается коэффициент трения. После нанесения графита на некоторые металлические поверхности коэффициент трения может быть снижен до 1/3-1/2 от первоначального. Это полностью доказывает его превосходный эффект в снижении трения.

Олицетворение скользкости в жизни

В повседневной жизни мы можем интуитивно ощущать гладкие свойства графита через различные явления. Когда рука касается графитового порошка, становится очевидным, что пальцы с трудом его захватывают. Возникает сильное ощущение скользкости. Это происходит потому, что слоистая структура графитового порошка быстро скользит между слоями при прикосновении. При этом палец получает уникальную тактильную отдачу.

Кроме того, еще одним типичным воплощением гладких свойств является использование карандаша для письма. В процессе письма грифель карандаша соприкасается с поверхностью бумаги. И под действием давления графитовые слои скользят между ними. Таким образом, некоторые из его слоев могут быть перенесены и прикреплены к бумаге, оставляя четкие надписи. В этом процессе гладкие характеристики не только обеспечивают плавность письма. Но и делают процесс письма более плавным и комфортным.

Применение мягких характеристик графита

Применение в области смазочных материалов

Графит обладает отличными смазочными свойствами и может широко применяться в области смазочных материалов. В экстремальных условиях, таких как высокая температура, высокое давление и высокий вакуум, обычные жидкие смазочные материалы легко выходят из строя из-за испарения, разложения или изменения вязкости. Графит может образовывать смазочную пленку в авиационных двигателях, высокотемпературных печи и вакуумного оборудования. Благодаря стабильным химическим свойствам и характеристикам межслойного скольжения снижается трение и износ. Это может повысить эффективность работы оборудования и срок его службы.

Принцип изготовления грифеля для карандашей

Карандашный грифель - типичное применение его свойств. Он изготавливается из смеси графита и глина в пропорции. При письме графитовый слой скользит по поверхности бумаги под действием давления. Из-за слабой силы сцепления между слоями часть графитового слоя прикрепляется к бумаге, образуя надпись. Регулируя соотношение графита и глины, можно регулировать твердость и черноту грифеля карандаша. Таким образом, карандаш становится обычным пишущим инструментом.

Заключение

Графит мягкий и скользкий благодаря своей уникальной кристаллической структуре. Эта связь между микроструктурой и макрохарактеристиками закладывает основу для его применения. А в будущем это также будет способствовать его инновационному применению в новых технологиях.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Почему алмаз твердый?

Алмаз и графит являются аллотропами углерода, но имеют разные кристаллические структуры. Каждый атом углерода в алмазе ковалентно связан с четырьмя окружающими атомами углерода. Образуя трехмерную тетраэдрическую сетевую структуру. При нагрузке ковалентная связь может рассеивать внешние силы и противостоять деформации. Поэтому твердость алмаза чрезвычайно высока, а твердость по шкале Мооса равна 10.

Почему графит проводит электричество?

Помимо образования σ-связей, атомы углерода в графитовом слое также имеют сопряженные большие π-связи. Каждый атом углерода отдает p-электрон, образуя делокализованное электронное облако, которое может свободно перемещаться внутри слоя. Когда прикладывается электрическое поле, свободные электроны движутся в направленном направлении, образуя ток. Благодаря хорошей проводимости он широко используется в электронике.

Почему графит используется в качестве смазочного материала?

Во-первых, межслойные ван-дер-ваальсовы силы слабы, и межслойные слои легко скользят. Во-вторых, химические свойства стабильны. При нанесении образует смазочную пленку на поверхности детали, заменяя прямое трение межслойным скольжением. Он снижает коэффициент трения, может сохранять работоспособность в различных химических средах и имеет широкий спектр применения.