الجرافيت مادة تتكون من ذرات كربون مرتبة في صفائح مسطحة تشبه الأشكال السداسية. وفي الظروف العادية، يكون الجرافيت عبارة عن كربون نقي، وهو معروف جيدًا بأنه مستقر تمامًا. الجرافيت موصل كهربائيًا وحراريًا بدرجة عالية، وهو ناعم جدًا وذو كثافة نوعية منخفضة.
أنواع الجرافيت الطبيعي
رقائق الجرافيت
ال مادة الكربون يتعرض الجرافيت لضغط ودرجة حرارة مرتفعين، مما ينتج عنه رقائق جرافيت طبيعية. غالبًا ما تكون هذه الرقائق عبارة عن رقاقات ثلجية صغيرة وتتكدس بسهولة شديدة حيث تنزلق فوق بعضها البعض، مما يجعل رقائق الجرافيت ممتازة لزيوت التشحيم. يمكن أن تعمل أيضًا في البطاريات وخلايا الوقود بسبب موصليتها الكهربائية العالية.
تعد شركات صناعة السيارات أكبر مستهلك لهذا النوع من الجرافيت الطبيعي. وعلى مدى السنوات القليلة الماضية، كان هناك زيادة هائلة في الطلب على رقائق الجرافيت من قبل مصنعي السيارات الهجينة الكهربائية وخلايا الوقود.
الجرافيت ذو الوريد البلوري
يبدو الأمر وكأننا نمتلك عروق جرافيت نقية في صخرة متحولة. ومن الجدير بالذكر أن هذه عروق جرافيت متبلورة تتمتع بأعلى قدر من النقاء (حتى كربون 99%) والتوصيل الكهربائي. إنها أشبه بسوبرمان كربوني تم حفظه للتطبيقات الراقية مثل المكونات في المفاعل النووي وأقطاب الأداء العالي.
يعد الجرافيت المتبلور معدنًا نادرًا وقيمًا يوجد في الصين وكندا. ويمكن استخدامه أيضًا بشكل مشابه لجرافيت الرقائق نظرًا لأدائه المتفوق في العمليات التي تحتاج إلى توصيل حراري وكهربائي عالي.
الجرافيت غير المتبلور
60-85% من الجرافيت غير المتبلور يحتوي على الكربون الثابت. وهو الشكل الأكثر انتشارًا للجرافيت، والذي يوجد عادةً في الصخور الرسوبية مثل الفحم والصخر الزيتي.
يُعد الجرافيت غير المتبلور مفيدًا لأغراض متعددة ولكن ليس في كل السيناريوهات.
بسبب مقاومة الحرارة الجيدة لهذا المعدن، يمكن استخدامه في التصنيع، حيث يتم استخدامه غالبًا كوعاء أو قالب أو مغرفة أو حوض أو فوهة.
من ناحية أخرى، هناك العديد من أقطاب الأفران المعدنية وبطانات أفران الصهر الحديدية المصنوعة من الجرافيت غير المتبلور. وتنتج الصين والمكسيك وكوريا الشمالية هذا الشكل المتعدد الاستخدامات بشكل أساسي.
الجرافيت الطبيعي مقابل الجرافيت الصناعي
الجرافيت الطبيعي
يأتي الجرافيت الطبيعي من عمليات التحول التي تحول المادة العضوية القديمة إلى هذا المعدن الناعم متعدد الطبقات.
تظهر هذه المواد في مجموعة من الأشكال، من رقائق الجرافيت الكبيرة إلى البلورات النقية. ووفقًا لتمرين معياري من أحد أفضل ممارسي تحليل دورة الحياة، فإن الأنود المصنوع من الجرافيت الطبيعي يصل إلى 14 CO2 مقابل.
يُعد الجرافيت المتقشر رائعًا في مواد التشحيم والبطانات المقاومة للحرارة وأقلام الرصاص، بينما يُظهِر الجرافيت البلوري براعته في المفاعلات النووية والأقطاب الكهربائية عالية الأداء. يوجد الجرافيت غير المتبلور في الفحم والزيت الصخري، مما يمنحه مقاومة للحرارة للمسبك. ومع ذلك، فإن الجرافيت الطبيعي له خصائصه الخاصة.
إن التعدين له عواقب بيئية، كما أن عدم الاستقرار الجيوسياسي قد يؤدي إلى تعطيل العرض. وعلاوة على ذلك، فإن عيوبه الفطرية، على الرغم من أنها غير مهمة عادة، قد تكون مزعجة في بعض الأحيان لاستخدامات معينة.
الجرافيت الصناعي
يتم تصنيع الجرافيت الصناعي من فحم البترول أو الفحم، ويخضع لعدة معالجات تحت درجات حرارة وضغط مرتفعين. ومن خلال عملية كثيفة الطاقة، يتم تسخين الفحم مرة أخرى إلى 2500-300 درجة مئوية. وقد تأتي الحرارة من آليات حرق الفحم أو النفط. وتكون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون هائلة بسبب هذه العمليات.
وتعني هذه النقاءات توصيلاً كهربائياً أفضل واستقراراً حرارياً أفضل، وهو ما يناسب بطاريات الليثيوم أيون والخلايا الشمسية وما إلى ذلك. ومع ذلك، فإن إنشاء الجرافيت الاصطناعي له تكلفة. إذ تولد عملية إنتاجه التي تتطلب الكثير من الطاقة انبعاثات كربونية كبيرة، مما يثير المخاوف بشأن بصمته البيئية. فضلاً عن ذلك، فإن تكلفته المرتفعة واعتماده على الوقود الأحفوري يثيران تساؤلات حول الاستدامة.
كيف يتشكل الجرافيت الطبيعي
يتكون الجرافيت في الصخور المتحولة نتيجة لحدوث اختزال لمركبات الكربون الرسوبية أثناء التغير. ويوجد أيضًا في النيازك والصخور النارية. وتشمل المعادن المرتبطة بالجرافيت الكوارتز والكالسيت والميكا والتورمالين.
يوجد الجرافيت مع معادن الترويليت والسيليكات في النيازك. يشير مصطلح كليفتونيت إلى البلورات الجرافيتية الصغيرة الموجودة في الحديد النيزكي. يبدو أن بعض الحبيبات الصغيرة نظيرية، ويشير تركيبها إلى أنها نشأت قبل النظام الشمسي. تنتمي هذه الحبيبات إلى واحد من حوالي اثني عشر نوعًا معروفًا من المعادن التي سبقت النظام الشمسي وتم العثور عليها أيضًا في السحب الجزيئية.
عملية تصنيع الجرافيت الصناعي
مع عملية التحويل، هناك سلسلة من الخطوات في السيمفونية التي تجعل شيئًا ما مادة خام، الجرافيت الاصطناعي (SG-BAM)، بطارية الليثيوم مواد الأنود. كل خطوة مهمة، لأنها تساعد الجرافيت الصناعي على الحصول على خصائصه الفريدة وتوافقه مع أجهزة تخزين الطاقة. الآن، دعنا نستكشف الرقصة المعقدة للتصنيع:
إنتاج فحم الكوك الأخضر.
إن إنتاج فحم البترول الأخضر من الزيوت الثقيلة المستخدمة في التكسير الحفزي أو تكرير البنزين سيكون الخطوة الأولى. ويتم استخدام المادة الأولية الكربونية في تصنيع الجرافيت.
التكليس
أثناء عملية تحميص فحم البترول الأخضر، تحدث عملية عالية الحرارة تتراوح بين 1300 درجة مئوية و1400 درجة مئوية، وعندما تزيل هذه الحرارة المواد المتطايرة والملوثات من فحم البترول، يتم إنتاج فحم الإبر. يوفر هذا المستوى الأعلى من محتوى الكربون النموذج الأولي المثالي لتلك المرحلة اللاحقة.
الجرافيت
ثم يتم تعريض فحم الإبرة لدرجات حرارة أعلى من 2500 درجة مئوية في فرن كهربائي لمدة الجرافيت. تتم إعادة ترتيب ذرات الكربون أثناء ارتفاع درجة الحرارة، مما يحول الفحم إلى جرافيت. يمنح الجرافيت خصائص أكثر فائدة ويعزز من توصيل مادة الجرافيت.
مرحلة ما بعد المعالجة
يمكن استخدام تقنيات أخرى للمعالجة اللاحقة بعد الجرافيت. كما يمكن تشكيل بطاريات الليثيوم أيون وتصنيفها أو طلائها لتوفير كفاءة وأداء تعبئة رائعين. قد يكون لاستخدامات أخرى متطلبات معالجة لاحقة مختلفة.
بنية الجرافيت
ترتيب الكربون
تخيل أن قرص العسل لا يتكون من الشمع بل من ذرات الكربون فقط. السمة الأساسية للجرافيت هي بنيته الذرية.
ترتبط كل ذرة كربون بقوة بثلاث ذرات أخرى في طبقة واحدة؛ وهذا يخلق شبكة قوية للغاية. وتقع كل ذرة كربون في منتصف دائرة سداسية الأضلاع وتشكل العديد من الصفائح السداسية التي تستمر إلى الأبد.
يُعرف هذا التكوين باسم التهجين sp² ويسمح لكل ذرة كربون بتكوين ثلاث روابط تساهمية قوية للغاية مع جيرانها القريبين. ويمكن لإلكترون إضافي واحد أن يتجول عبر الصفيحة بأكملها.
تعتمد العديد من خصائص الجرافيت بشكل كبير على هذه الإلكترونات الحرة.
الترابط
على عكس الماس، حيث تحتوي كل ذرة كربون على أربعة روابط قوية تربطها معًا لتكوين شكل صندوق صلب، تشير اتصالات الجرافيت إلى اتجاه واحد.
إن القوى الأضعف التي تربط هذه الطبقات معًا تسمح لها بالانزلاق مثل الفطائر على المقلاة.
يكشف هذا الرابط الفريد أيضًا عن السبب وراء قدرة الجرافيت على توصيل الكهرباء. يمكن للإلكترونات الحرة أن تتدفق بسهولة عبر الصفائح، لذا فهو خيار جيد للبطاريات والأقطاب الكهربائية.
مقارنة مع الأشكال المتآصلة الأخرى.
على النقيض من صلابة الماس، يحتوي الجرافيت على طبقات يمكن أن تنحني بسهولة. وهذا يوضح التباين الذي يمكن أن يكون عليه الكربون في الشكل أو الهيئة (الألوتروبات).
في حين أن الماس مرتب بشكل رباعي السطوح بحيث ترتبط كل ذرة كربون متنافسة بأربع ذرات أخرى، فإن البنية السداسية للجرافيت تجعله يتمتع بخصائص مختلفة جوهريًا.
عند النظر إلى الجرافيت والفوليرينات، فإن حقيقة أن الفوليرين له شكل دائري تشكل بناء طبقته في الرسومات.
خصائص الجرافيت
الخصائص الفيزيائية
اللون والمظهر
يظهر الجرافيت بمجموعة متنوعة من الألوان، من المظهر المعدني اللامع إلى اللون الرمادي الداكن. مظهره الخاص يجعله أكثر جاذبية ويسهل رؤيته في تطبيقات مختلفة.
يعد هذا اللون المثير للاهتمام خيارًا جيدًا لأقلام الرصاص، لأنه يجعل الصور والرسومات تبدو أعمق وأكثر إثارة.
الكثافة والثقل النوعي
الجرافيت خفيف الوزن نسبيًا على الرغم من قوته. طبقاته العديدة وغرفه المفتوحة تبقيه طافيًا في الماء. كما يبدو وكأنه يزن ريشة عندما تلمسه. مثالي للاستخدامات التي يكون فيها الوزن مهمًا، مثل قطع الطائرات والعتاد الرياضي، لأنه ليس ثقيلًا.
نقاط الانصهار والغليان
على الرغم من أن الجرافيت مثالي للتوصيل الحراري، إلا أن درجة انصهاره تتراوح بين حوالي 3500 درجة مئوية. وهذه الدرجة العالية من الانصهار مثالية للاستخدام في التطبيقات الساخنة - الأشياء المصنعة في مصانع الصب وحتى أجزاء من المفاعلات النووية. إنه ساخن للغاية لدرجة أن قلم رصاص قد يحترق إذا وضعته في بركان.
الموصلية (الكهربائية والحرارية)
ترتبط خصائص الجرافيت الكهربائية والحرارية ارتباطًا وثيقًا. حيث تمرر الإلكترونات المتحركة في طبقاته الحرارة والكهرباء بسهولة. وهذا يجعله جهازًا سهلاً لإعادة شحن البطاريات وتسخين الأشياء وحتى شاشات اللمس. فكر في التمرير على هاتفك؛ تأتي هذه الحركة السلسة من موصلية الجرافيت.
خصائص التشحيم
تسمح طبقات الجرافيت له بالانزلاق بين الطبقات، وهو مادة تشحيم ممتازة. كما يستخدم في التطبيقات التي تتطلب انزلاقًا أقل وحركة أكثر سلاسة. إنه مادة رائعة للأقفال والعجلات وحتى أقلام الرصاص.
الخواص الكيميائية
التفاعل مع الأكسجين
عندما تزيد درجة الحرارة عن 700 درجة، تتقشر هذه المادة على شكل طبقات وتتحول إلى ثاني أكسيد الكربون. يساعد هذا في إشعال النيران وتشغيل الأفران الكبيرة التي تذيب الأشياء. تعمل هذه الخاصية على تقوية المادة وتدوم في أماكن مختلفة، وخاصة حول الهواء.
التفاعل مع الأكسجين
الجرافيت، وهو جزء هادئ عادة من عالم الكيمياء، يمكن أن يتورط في مشاكل مع الأكسجين عندما تكون الأشياء ساخنة. تتقشر هذه المادة في طبقات وتتحول إلى ثاني أكسيد الكربون عندما تزيد درجة حرارتها عن 700 درجة. وهذا يشعل الوقود ويزود الأفران الكبيرة بالطاقة اللازمة لإذابة الأشياء. هذه الخاصية تقوي المادة وتدوم في أماكن مختلفة، وخاصة حول الهواء.
مقاومة الأحماض والقواعد
إن الروابط الكربونية القوية والترتيب الطبقي الذي يتمتع به يصعب كسره بواسطة معظم الأحماض والقواعد. وهذا يجعله مثاليًا للتطبيقات مثل بطانات المفاعلات الكيميائية وحتى الحاويات التي يمكنها حمل المعادن الساخنة. هذا العنصر يجعله أكثر ملاءمة في الأماكن الضارة التي من شأنها أن تساعد في استخدام مجموعة واسعة من الأشياء.
الأكسدة والتآكل
يتحول الجرافيت كثيرًا عندما يصبح ساخنًا للغاية، ولكن بشكل عام، في ظل الظروف العادية، يحدث هذا التغيير ببطء وثبات. يتآكل الجرافيت تدريجيًا أو يتآكل بمرور الوقت. بمرور الوقت، يؤدي هذا إلى تكوين طبقة رقيقة من ثاني أكسيد الكربون على سطحه يتشكل بواسطة الأكسجين المحيط به. هذه عملية تآكل بطيئة؛ ومع ذلك، لا يمكن لهذا أن يغير السمات الرئيسية التي تجعله مادة قوية وموثوقة.
الخواص الميكانيكية
القوة والصلابة
الجرافيت قوي جدًا وصلب، لذا عند استخدامه، يمكن أن يستمر لفترة طويلة. يتكون من عدة طبقات في بنيته القوية. كل ذرة كربون متصلة بذرتين أخريين في الصفائح، ومعًا، تظل قوية تحت الضغط.
المرونة والمرونة
الماس صلب بالفعل وسهل الكسر، لكن البنية الفريدة للجرافيت تسمح له بالانحناء بشكل رائع. يمكن للجرافيت التمدد والانحناء بسهولة، مما يجعل كسره في أي موقف معين أمرًا صعبًا. هناك أيضًا قوى ضعيفة بين الصفائح، مما يسمح لها بالانحناء والالتواء دون أن تنكسر. إنه مناسب للحشيات والشحوم وحتى مصدات الصدمات.
الطبيعة المتباينة
الجرافيت ليس مادة عادية. فهو يتمتع بخصائص تتغير حسب ما إذا كنت تدفعه أو تسحبه في اتجاهات مختلفة. فهو صلب على طول الخطوط ولكنه ضعيف ويسهل الانزلاق بينها. وهذه الخاصية "المتباينة الخواص" رائعة للأغراض التي تتطلب توجيهات مفصلة في أي اتجاه، مثل البوصلات والممحاة الكهربائية.
الخصائص الحرارية
يتمتع الجرافيت بسعة حرارية نوعية عالية، أي أنه يستطيع امتصاص قدر كبير من الحرارة دون أن تتغير درجة حرارته بشكل كبير. كما يستطيع الجرافيت تحمل درجات الحرارة العالية دون أن يتدهور بشكل كبير، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات الحرارة. وعلى النقيض من معظم المواد، ينمو الجرافيت قليلاً عند التبريد وينكمش أثناء التسخين.
الخصائص الكهربائية
الجرافيت موصل كهربائي، وبالتالي فهو جيد لأغراض مثل أقطاب مصابيح القوس الكهربائي. يمكنه حمل الكهرباء بسبب انتشار الإلكترونات الهائل داخل طبقات الكربون (يُطلق عليه اسم العطرية). هذه الإلكترونات هي إلكترونات حرة التكافؤ يمكنها توصيل الكهرباء.
خصائص أخرى
- يمكن للجرافيت التقاط النيوترونات عالية السرعة.
- يتمتع الجرافيت بنقطة انصهار عالية جدًا، تقترب من تعريف الماس.
- في الظروف العادية، لا يتفاعل الجرافيت مع الماء. ومع ذلك، عند درجة الحرارة المناسبة، يمكن أن يتفاعل لإنتاج مزيج من أول أكسيد الكربون وغاز الهيدروجين.
تطبيقات الجرافيت
- زيوت التشحيم والشحوم
يمكن للجرافيت التخلص من الاحتكاك بسبب طبقته السداسية التي تترسب على الأسطح عندما يتفاعل مع الرطوبة في الهواء. تعمل قدرات الجرافيت على التشحيم الذاتي على تقليل الاحتكاك بشكل كبير، مما يجعله مثاليًا للأنظمة الميكانيكية وكذلك المحركات والآلات الصناعية من خلال منع التآكل.
- البطاريات
يتميز الجرافيت بثباته العالي وقدرته على توصيل الكهرباء، مما يجعله الأفضل للاستخدام في البطاريات. كما أنه يعزز قدرته على تخزين الطاقة وإطلاقها، مما يجعله جزءًا أساسيًا من البطاريات للعديد من تقنيات البطاريات.
- المواد المقاومة للحرارة
تعمل المواد المقاومة للحرارة في درجات حرارة عالية، مما يجعل الجرافيت هو الأفضل لهذا الغرض، حيث يتميز بدرجات حرارة غليان وذوبان عالية للغاية. ويُستخدم في قطاع التصنيع ويساعد في إنتاج الزجاج والصلب والحديد.
- المكونات الكهربائية
يتمتع الجرافيت بموصلية كهربائية استثنائية، مما يجعله ضروريًا في العديد من المكونات الالكترونيةوهي تشمل الأقطاب الكهربائية والفرش لأن العديد من الأجهزة الإلكترونية تحقق من خلال استخدامها نتائج موثوقة وإنتاجية فعالة لفترة طويلة.
- الصناعة النووية
من خصائص الجرافيت قدرته على التقاط النيوترونات عالية السرعة مما يجعله مناسباً لاستقرار التفاعلات النووية. يستطيع الجرافيت أن يتحمل درجات الحرارة العالية ويعمل كمهدئ للنيوترونات وهو أمر ذو أهمية كبيرة للمفاعلات النووية.
- صفائح الجرافين
يستخدم الجرافيت في صناعة الجرافين الذي يعتبر أخف وزناً وأقوى مقارنة بصفائح الفولاذ. وفي المقابل، يمكن استخدام هذه الصفائح في صناعة المعدات الرياضية.
لمزيد من استخدامات الجرافيت، يرجى تحقق هنا.
خاتمة
وبناءً على المناقشة أعلاه، يمكننا أن نرى أن الجرافيت هو أحد العناصر الأكثر استخدامًا على كوكبنا وسوف يكون مطلوبًا منه مساعدتنا بشكل أكبر مع مرور الوقت.
الأسئلة الشائعة
- ماذا لو أردت أن أعرف تكلفة الجرافيت؟
تتأثر أسعار الجرافيت بمجموعة متنوعة من العوامل، ليس فقط بالعرض والطلب في السوق ولكن أيضًا بأنواع مختلفة من الجرافيت. سعر رقائق الجرافيت الصغيرة هو $1000-$2000/طن، وسعر الجرافيت الطبيعي عالي الجودة هو $3000-$6000/طن، إذا كنت تريد معرفة المزيد عن وضع الأسعار، فاتصل مباشرة بـ Eastcarb، وسنقدم لك جدول أسعار مفصل.
- كيفية تخزين الجرافيت للحفاظ على طبيعته؟
على الرغم من أن الجرافيت مستقر بطبيعته، يجب عليك دائمًا الانتباه إلى تخزين الجرافيت. أول شيء هو التحكم في درجة الحرارة والرطوبة، ووضعه في مكان جاف، وتجنب درجات الحرارة المرتفعة والتغيرات الشديدة في درجات الحرارة. ثم من الضروري أيضًا الحفاظ على تهوية غرفة التخزين لمنع تراكم الرطوبة. أخيرًا، يجب تخزين أنواع مختلفة من الجرافيت في عزلة لتجنب التدهور. بشكل أساسي، باتباع الاقتراحات المذكورة أعلاه، يمكن الحفاظ على جودة الجرافيت جيدًا.
- ما هي أحدث الأسواق الناشئة للجرافيت؟
ويؤدي ظهور أسواق جديدة إلى خلق المزيد من الفرص لموردي الجرافيت وصناعاتهم الأولية والنهائية، مع ظهور أسواق ناشئة مؤخراً بما في ذلك موزمبيق وتنزانيا وأستراليا وباكستان ومصر والعديد من دول غرب أفريقيا.
- ما الذي يجب أن أنتبه إليه عند معالجة الجرافيت؟
قد يؤثر غبار الجرافيت على صحتك في بعض الحالات، لذا يجب عليك اتخاذ الاحتياطات اللازمة لتجنب استنشاق الغبار أثناء العمليات الصناعية.
- كيفية زيادة أداء الجرافيت؟
عادةً، يمكننا اللجوء إلى معالجة سطحه لزيادة مقاومته ومقاومته للتآكل وموصليته الكهربائية. تتضمن الطرق المحددة مواد الطلاء بالرش، والمعالجة الكيميائية (التنظيف بالأحماض أو القلويات)، والمعالجة الحرارية، والتشغيل الآلي، ومعالجة التشريب، وما إلى ذلك.
