وتبلغ الكثافة النظرية للجرافيت 2.26 غ/سم³، و2260 كغ/م³.
تؤثر كثافة الجرافيت على قوته الميكانيكية، وموصليته الحرارية، وخواصه الكهربائية. ويستخدم المهندسون الكثافة كمؤشر رئيسي لتحديد مدى ملاءمة الجرافيت لتطبيق معين.
على سبيل المثال، يمكن استخدام الجرافيت عالي الكثافة في قوالب ومواد البطاريات والمحامل. أما الجرافيت منخفض الكثافة فيُستخدم كمواد تشحيم. أدوات معدنية، مادة العزل الحراري.
قد تجد أن كثافة الجرافيت مهمة عند اختيار مواد الجرافيت لاستخدامها كأقطاب كهربائية أو مواد مقاومة للحرارة أو مواد تشحيم.
المحتويات
كيفية قياس الكثافة النظرية للجرافيت
قبل أن تتمكن من قياس الكثافة، عليك أن تفهم بنية الجرافيت.
للجرافيت بنية بلورية سداسية الطبقات. تتكون كل طبقة من ذرات كربون مرتبة في شبكة قرص العسل، مع وجود قوى فان دير فالس ضعيفة بين الطبقات.
الكثافة النظرية للجرافيت تقترب من 2.26 جم/سم3، والتي يمكنك حسابها بالطرق التالية:
القياس المباشر:
احسب الكثافة عن طريق قياس الكتلة والحجم بشكل مباشر.
يمكنك قياس كتلة عينة الجرافيت باستخدام ميزان دقيق.
الحجم: بالنسبة لعينات الجرافيت ذات الأشكال الهندسية المنتظمة، يُمكن حسابها مباشرةً. أما بالنسبة للأشكال غير المنتظمة، فيُمكن قياسها بالإزاحة.
القياس غير المباشر:
طريقة الوزن النوعي للغاز
قياس حجم عينة الجرافيت عن طريق إزاحة الغاز (مثل الهيليوم).
الخطوات المحددة هي كما يلي:
- ضع عينة الجرافيت في حجرة ذات حجم معروف.
- مرر غازًا خاملًا (الهيليوم) وقم بقياس التغير في الضغط.
- استخدم قانون بويل لحساب حجم العينة.
- اجمع مع الكتلة) لإيجاد الكثافة
يمكنك أيضًا استخدام XRD لتحديد معلمات الشبكة للجرافيت ثم حساب الكثافة النظرية.
كثافة منتجات الجرافيت المختلفة
الأنواع الشائعة من الجرافيت هي كما يلي.
فليك الجرافيت الطبيعي
يمكن العثور على رقائق الجرافيت في الصخور المتحولة، وهي موجودة في شكل صفائح أو قشور من الحجر الجيري، والنيس، والشيست.
الجرافيت الاصطناعي
يُصنع الجرافيت الصناعي، المعروف أيضًا باسم الجرافيت الاصطناعي، عادةً من قطران الفحم أو البترول عن طريق المعالجة الحرارية. يتميز الجرافيت الصناعي عادةً بمقاومة ومسامية أعلى، وكثافة أقل تتراوح بين 1.6 و1.9 غ/سم³.3.
الضغط المتساوي للجرافيت
الجرافيت المتساوي الكثافة، بكثافة تتراوح بين 1.7 و1.9 تقريبًا، وهو جرافيت ذو حبيبات دقيقة مع تكتلات دقيقة. يتميز بموصلية كهربائية وحرارية عاليتين، ومقاومة حرارية فائقة، ويُستخدم في الطاقة الكهروضوئية، وأشباه الموصلات، والصب، وغيرها.
مقذوف الجرافيت
تبلغ كثافة الجرافيت المبثوق عمومًا ما بين 1.55 إلى 1.72 جم/سم3يتميز بحجم حبيبات أكثر خشونة وقوة أقل. لكنه يتميز بموصلية حرارية وكهربائية عالية، ويُستخدم بكثرة في معالجة المحاليل وقوالب الصب، وغيرها.
يوضح الجدول أدناه كثافة أنواع مختلفة من منتجات الجرافيت.
| أنواع الجرافيت | الكثافة (جم / سم مكعب) |
|---|---|
| الجرافيت الطبيعي | 2.2 |
| الجرافيت الاصطناعي | 1.6 إلى 1.9 |
| متوازنة الجرافيت | 1.7 إلى 1.9 |
| مقذوف الجرافيت | 1.55 إلى 1.72 |
| مسحوق الجرافيت (حبيبات دقيقة) | 1.83 |
| مسحوق الجرافيت (حبيبات متوسطة) | 1.72 إلى 1.90 |
| مسحوق الجرافيت (حبيبات خشنة) | 1.5 إلى 1.8 |
| ورقة الجرافيت | 0.85 |
| توسيع الجرافيت | 2.2 |
العوامل الرئيسية المؤثرة على كثافة الجرافيت
تتأثر كثافة الجرافيت، وهو شكل بلوري من الكربون، بعوامل تتعلق ببنيته الذرية وتكوينه والظروف الخارجية.
وفيما يلي بعض العوامل الرئيسية التي تؤثر على كثافة الجرافيت.
التباعد بين الطبقات
يتكون الجرافيت من طبقات كربون سداسية متراصة، تُحكمها قوى فان دير فالس ضعيفة. يؤدي صغر المسافة بين الطبقات إلى تقليل الحجم، مما يزيد الكثافة (كما هو الحال في الجرافيت المضغوط). أما التباعد الأكبر (كما هو الحال في الجرافيت المتمدد) فيؤدي إلى انخفاض الكثافة.
التبلور
يتميز الجرافيت عالي التبلور (بنية مُرتبة) بقلة العيوب والفراغات، مما يؤدي إلى كثافة أعلى. أما الجرافيت غير المتبلور (غير المُنظم) فيتميز بكثافة أقل بسبب عدم انتظام التعبئة.
نقاء
بعض الشوائب، مثل الماس أو الكربون غير المتبلور، تُغيّر كثافته. شوائب الماس تزيد كثافته، بينما يُخفّضها الكربون غير المتبلور.
يؤدي إدخال الجزيئات أو الأيونات بين الطبقات إلى إضافة كتلة، مما قد يؤدي إلى زيادة الكثافة.
حجم الجسيمات وشكلها
تتجمع مساحيق الجرافيت ذات توزيع حجم الجسيمات الموحد بكفاءة أكبر من الجسيمات غير المنتظمة أو المتنوعة على نطاق واسع، مما يؤدي إلى كثافة إجمالية أعلى.
عملية التصنيع
تزداد كثافة الجرافيت المضغوط. درجات الحرارة المرتفعة لـ عملية تلبيد كما يقلل أيضًا من مسامية الجرافيت.
قد يؤدي التلدين في درجات الحرارة العالية إلى تحسين التبلور، مما يؤدي إلى زيادة الكثافة، وقد يؤدي الطحن إلى ظهور عيوب، مما يؤدي إلى انخفاض الكثافة.
مقارنة كثافة الماس والجرافيت
البنية البلورية للماس هي رباعية السطوح (شبكة ثلاثية الأبعاد).
تُشكّل كل ذرة كربون أربع روابط تساهمية قوية مع الذرات المجاورة، مُشكّلةً شبكةً صلبةً ومتراصةً بإحكام. يسمح الهيكل الرباعي السطوح ثلاثي الأبعاد للماس للذرات بشغل الحيز بكفاءة، مُقلّلاً بذلك من الفراغات.
في حين أن البنية البلورية للجرافيت هي عبارة عن طبقات سداسية (ورقة ثنائية الأبعاد).
تُكوّن كل ذرة كربون ثلاث روابط تساهمية قوية على مستوى (مُشكّلةً حلقة سداسية)، وتكون قوى فان دير فالس بين الطبقات ضعيفة. وبسبب ضعف هذه القوى، تتباعد طبقات الجرافيت، فيزداد حجمها بنفس الكتلة.
تؤدي الاختلافات في الكثافة إلى اختلافات في الخصائص الفيزيائية للجرافيت والماس.
كثافة الجرافيت المنخفضة وبنيته الطبقية تجعله سهل التشحيم وموصلًا للكهرباء، ويُستخدم في أقلام الرصاص ومواد التشحيم وأقطاب البطاريات. أما الماس، فكثافته العالية تجعله صلبًا وموصلًا جيدًا للحرارة، مما يجعله مثاليًا لأدوات القطع أو المواد الكاشطة.
الأسئلة الشائعة
1. ما هو الجرافيت عالي الكثافة؟
الجرافيت عالي الكثافة هو مادة ذات قوة عالية وبنية دقيقة، وكثافتها الكلية 1.8 جم/سم³.
بفضل قدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية للغاية والقوة العالية والتوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي، فإن الجرافيت عالي الكثافة له مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل أنودات بطاريات الليثيوم أيون، وقوالب الصب المعدنية، والمبادلات الحرارية، والمحامل والبطانات في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية أو الاحتكاك.