Grafit Neden Yumuşak ve Kaygandır?

Grafit, yaşamda ve endüstride yaygın olarak kullanılan önemli bir karbon malzemedir. Yumuşak ve kaygan özellikleri sadece temel uygulamaların temelini atmakla kalmaz, aynı zamanda malzeme biliminin mikro ve makro özellikler arasındaki ilişkiyi keşfetmesine yardımcı olur. Bu, son teknoloji yenilikçi uygulamalar için teorik destek sağlar.

Grafitin kristal yapısının analizi

Grafitin karbon atomlarının dizilişi

Grafit katmanlı bir kristale sahiptir yapıHer bir karbon atomu katmanı altıgen kompakt iki boyutlu bir ağ şeklinde düzenlenmiştir. Düzlemdeki her bir karbon atomu, çevresindeki üç karbon atomuna yaklaşık 0,142 nm bağ uzunluğuna ve 120° bağ açısına sahip bir kovalent bağ ile bağlanır. Bu kovalent bağ son derece yönlü ve kararlıdır, katı bir düzlem iskeleti oluşturur. Bu, grafit katmanında mükemmel mekanik ve kimyasal kararlılık sağlar ve katmandaki karbon atomlarının göreceli olarak kaydırılmasını zorlaştırır. Ve sonra düzlem yapının bütünlüğünü korur.

Katmanlar arası kuvvet

Grafit tabaka ile katman arasındaki karbon atomları zayıf bir van der Waals kuvveti ile korunur ve kovalent bağ oluşmaz. Van der Waals kuvvetleri, moleküllerin çeşitli dipol etkileşimlerinden kaynaklanan moleküller arası kuvvetlerdir. Grafit ara maddeleri arasındaki van der Waals kuvveti 4-7 kJ/mol olup, bu değer yaklaşık 346kJ/mol olan kovalent bağdan çok daha düşüktür. Bu enerji farkı grafit katmanlarının gevşek bir şekilde bağlanmasını sağlar ve her katman göreceli hareket imkanına sahiptir. Bu, yumuşak kayma özelliğinin yapısal temelidir.

Grafitin yumuşak özelliklerinin mikroskobik bir perspektiften yorumlanması

Dış kuvvet altında ara katman kayması

Grafit dış kuvvetlere maruz kaldığında, katmanlar arasındaki van der Waals kuvvetlerinin bu dış kuvvetlerin etkisine karşı koyması zordur. Zayıf van der Waals kuvveti nedeniyle, küçük dış kuvvetlerin etkisi altında, katmanlar arasında göreceli kayma kolayca meydana gelebilir. Karbon atomu, sürtünme baskısı altında birbirlerine yumuşak bir şekilde kayabilir. Mikro düzeydeki bu tür katmanlar arası kayma, makro düzeye doğrudan yumuşak doku olarak yansır. Ve dış kuvvetlerin etkisi altında şekil değiştirmesi kolaydır.

Sertlikle ilgili kristal yapı faktörleri

Bir malzemenin sertliği esasen kristal yapısının dış kuvvetlere karşı direncine bağlıdır. Grafit için, katmanlardaki kovalent bağlar düzlemde güçlü mekanik stabilite sağlamasına rağmen. Katmanlar arasındaki zayıf van der Waals kuvvetleri, genel sertliğini belirleyen temel zayıf halka haline gelir. Dış kuvvetler karşısında, atomlar arasındaki güçlü etkileşimlerin tamamı aracılığıyla dış kuvvetleri etkili bir şekilde dağıtamaz ve bunlara karşı koyamaz. Kovalent bağların üç boyutta eşit dağılımına sahip bir kristal gibi (elmas gibi). Buna karşılık, katmanlar arasında kayma olasılığı daha yüksektir ve bu da genel sertliğin daha düşük olmasına neden olur. Mohs sertlik standardına göre, sertliği sadece 1-2'dir ve bu da en yaygın mineral malzemelerden çok daha düşüktür. Bu, kristal yapısının sertlik üzerindeki belirleyici etkisini tam olarak yansıtır.

Pürüzsüzlüğün oluşum mekanizması üzerine tartışma

Tabaka kayması ve sürtünme arasındaki ilişki

Grafitin pürüzsüzlüğü doğrudan katmanlar arasında kolay kaymasından kaynaklanmaktadır. İki yüzey birbiriyle temas halinde ve göreceli hareket halindeyken, grafit mevcutsa, grafitin katmanlar arası kayması yüzeyler arasındaki doğrudan sürtünmeyi önemli ölçüde azaltabilir. Grafit yoksa, nesnenin yüzeyindeki mikro dışbükey ve içbükey birbiriyle ağ oluşturacak ve daha fazla sürtünmeye neden olacaktır. bir yağlayıcı olarak kullanıldığında, nesnenin yüzeyinin göreceli hareketi grafit tabakaları arasında kaymaya dönüşür. Katmanlar arasındaki zayıf van der Waals kuvvetleri nedeniyle, bu kaymanın üstesinden gelmek için gereken direnç çok küçüktür. Böylece sürtünme katsayısı büyük ölçüde azalır. Bazı metal yüzeylere grafit uygulandıktan sonra, sürtünme katsayısı orijinalinin 1/3-1/2'sine kadar düşürülebilir. Bu, sürtünmeyi azaltmadaki mükemmel etkisini tam olarak kanıtlamaktadır.

Hayatta kayganlığın vücut bulmuş hali

Günlük hayatta, grafitin pürüzsüz özelliklerini çeşitli fenomenler aracılığıyla sezgisel olarak hissedebiliriz. El grafit tozuna dokunduğunda, parmakların kavramasının zor olduğu açıkça görülecektir. Ve güçlü bir kayganlık hissi vardır. Bunun nedeni grafit tozundaki katman yapısının dokunma altındaki katmanlar arasında hızla kaymasıdır. Ve parmağa benzersiz bir dokunsal geri bildirim verir.

Buna ek olarak, kurşun kalemle yazı yazma, pürüzsüz özelliklerin bir başka tipik uygulamasıdır. Yazma işlemi sırasında kurşun kalem ucu kağıdın yüzeyi ile temas halindedir. Ve basınç etkisi altında grafit katmanları aralarında kayar. Böylece bazı katmanları kağıda aktarılıp tutturulabilir ve net bir yazı bırakır. Bu süreçte, pürüzsüz özellikler sadece yazının akıcılığını sağlamakla kalmaz. Aynı zamanda yazma deneyimini daha pürüzsüz ve rahat hale getirir.

Grafit yumuşak özelliklerinin uygulanması

Yağlayıcılar alanında uygulama

Grafit mükemmel yağlama özelliklerine sahiptir ve yağlayıcılar alanında yaygın olarak kullanabilirsiniz. Yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve yüksek vakum gibi aşırı koşullar altında, sıradan sıvı yağlayıcıların buharlaşma, ayrışma veya viskozite değişimi nedeniyle arızalanması kolaydır. Grafit, havacılık motorlarında, yüksek sıcaklıkta yağlayıcı bir film oluşturabilir. Fırınlar ve vakum ekipmanları. Çünkü kararlı kimyasal özelliklere sahiptir ve ara katman kayma özellikleri sürtünmeyi ve aşınmayı azaltır. Ve ekipmanın çalışma verimliliğini ve ömrünü artırabilir.

Kurşun kalem üretim prensibi

Kurşun kalem, özelliklerinin tipik bir uygulamasıdır. Grafit ve kurşun karışımından yapılır. KİL orantılı olarak. Yazı yazarken, grafit tabaka basınç etkisi altında kağıdın yüzeyinde kayar. Katmanlar arasındaki zayıf bağ kuvveti nedeniyle, grafit tabakasının bir kısmı yazı oluşturmak için kağıda tutturulur. Grafit ve kil oranının ayarlanması kurşun kalemin sertliğini ve siyahlığını kontrol edebilir. Böylece kurşun kalem yaygın bir yazı aracı haline gelir.

Sonuç

Grafit, benzersiz kristal yapısı nedeniyle yumuşak ve kaygandır. Mikro yapı ve makro performans arasındaki bu bağlantı, uygulamasının temelini oluşturmaktadır. Bu da gelecekte gelişmekte olan teknolojilerdeki yenilikçiliğini destekleyecektir.

SSS

Elmas neden serttir?

Elmas ve grafit karbonun allotroplarıdır, ancak farklı kristal yapılara sahiptirler. Elmastaki her bir karbon atomu, çevresindeki dört karbon atomuna kovalent olarak bağlanır. Üç boyutlu dört yüzlü bir ağ yapısı oluşturur. Gerildiğinde, kovalent bağ dış kuvvetleri dağıtabilir ve deformasyona direnebilir. Bu yüzden elmas sertliği son derece yüksektir ve Mohs sertliği 10'dur.

Grafit neden elektriği iletir?

Grafit tabakasındaki karbon atomları σ bağları oluşturmanın yanı sıra konjuge büyük π bağlarına da sahiptir. Her bir karbon atomu bir p elektronuna katkıda bulunarak katman içinde serbestçe hareket edebilen delokalize bir elektron bulutu oluşturur. Bir elektrik alanı uygulandığında, serbest elektronlar bir akım oluşturmak için yönlü bir yönde hareket eder. Ve iyi iletkenliği elektronikte yaygın olarak kullanılmasını sağlar.

Grafit neden yağlayıcı olarak kullanılır?

İlk olarak, katmanlar arası van der Waals kuvveti zayıftır ve katmanlar arası kayma kolaydır. İkincisi, kimyasal özellikler kararlıdır. Uygulandığında, bileşenin yüzeyinde bir yağlama filmi oluşturur, doğrudan sürtünmeyi katmanlar arası kayma ile değiştirir. Sürtünme katsayısını azaltır, farklı kimyasal ortamlarda performansı koruyabilir ve geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir.