غرافيت

الأنواع الرئيسية من الجرافيت الطبيعي ، كل منها يحدث في أنواع مختلفة من رواسب الخام ، هي

تحدث الرقائق المتبلورة الصغيرة من الجرافيت (أو الجرافيت المقشر) كجسيمات معزولة ، مسطحة ، شبيهة بالصفائح ذات حواف سداسية إذا لم تنكسر. عند كسر الحواف يمكن أن تكون غير منتظمة أو زاويّة ؛

الجرافيت غير المتبلور: يسمى الجرافيت الرقيق جدًا أحيانًا غير متبلور ؛

يحدث الجرافيت المتكتل (أو الجرافيت الوريدي) في عروق الشقوق أو الكسور ويظهر على شكل كتل صفيحية ضخمة من التكتلات البلورية الليفية أو الحلقية ، وربما يكون منشأه حراريًا مائيًا.

يشير الجرافيت الانحلال الحراري عالي الترتيب إلى الجرافيت مع انتشار زاوي بين ألواح الجرافيت أقل من 1 °

يستخدم اسم "ألياف الجرافيت" أحيانًا للإشارة إلى ألياف الكربون أو البوليمر المقوى بألياف الكربون.

الخصائص الصوتية والحرارية للجرافيت متباينة للغاية ، حيث تنتشر الفونونات بسرعة على طول المستويات المربوطة بإحكام ، ولكنها أبطأ في الانتقال من مستوى إلى آخر. يعمل الاستقرار الحراري العالي للجرافيت والموصلية الكهربائية والحرارية على تسهيل استخدامه على نطاق واسع كأقطاب كهربائية وحراريات في تطبيقات معالجة المواد ذات درجات الحرارة العالية. ومع ذلك ، في الأجواء المحتوية على الأكسجين يتأكسد الجرافيت بسهولة ليشكل ثاني أكسيد الكربون عند درجات حرارة 700 درجة مئوية وما فوق. الجرافيت هو موصل كهربائي ، وبالتالي فهو مفيد في تطبيقات مثل أقطاب مصباح القوس. يمكنه توصيل الكهرباء بسبب عدم تمركز الإلكترون الواسع داخل طبقات الكربون (ظاهرة تسمى العطرية). إن إلكترونات التكافؤ هذه حرة في الحركة ، لذا فهي قادرة على توصيل الكهرباء. ومع ذلك ، يتم توصيل الكهرباء بشكل أساسي داخل مستوى الطبقات. تسمح الخصائص الموصلة للجرافيت المسحوق باستخدامه كمستشعر ضغط في ميكروفونات الكربون. يتم تقييم مسحوق الجرافيت والجرافيت في التطبيقات الصناعية لخصائص التشحيم الذاتي والتزييت الجاف. هناك اعتقاد شائع بأن خصائص تشحيم الجرافيت ترجع فقط إلى الاقتران بين الألواح الفضفاضة بين الألواح في الهيكل. ومع ذلك ، فقد ثبت أنه في بيئة الفراغ (مثل التقنيات المستخدمة في الفضاء) ، يتحلل الجرافيت كمواد تشحيم ، بسبب ظروف نقص الأكسجين. أدت هذه الملاحظة إلى فرضية أن التزييت يرجع إلى وجود سوائل بين الطبقات ، مثل الهواء والماء ، والتي يتم امتصاصها بشكل طبيعي من البيئة. تم دحض هذه الفرضية من خلال الدراسات التي أظهرت عدم امتصاص الهواء والماء. تشير الدراسات الحديثة إلى أن تأثيرًا يسمى التشحيم الفائق يمكن أن يفسر أيضًا خصائص تزييت الجرافيت. استخدام الجرافيت محدود بسبب ميله لتسهيل تأليب التآكل في بعض الفولاذ المقاوم للصدأ ، ولتعزيز التآكل الجلفاني بين المعادن غير المتشابهة (بسبب التوصيل الكهربائي). كما أنه يتسبب في تآكل الألومنيوم في وجود الرطوبة. لهذا السبب ، حظرت القوات الجوية الأمريكية استخدامها كمادة تشحيم في الطائرات المصنوعة من الألومنيوم ، وأثنت عن استخدامها في الأسلحة الآلية المحتوية على الألومنيوم. حتى علامات قلم الجرافيت على أجزاء الألومنيوم قد تسهل التآكل. مادة تشحيم أخرى عالية الحرارة ، نيتريد البورون السداسي ، لها نفس التركيب الجزيئي مثل الجرافيت. يطلق عليه أحيانًا الجرافيت الأبيض ، نظرًا لخصائصه المتشابهة. عندما يربط عدد كبير من العيوب البلورية هذه المستويات ببعضها البعض ، يفقد الجرافيت خصائص التزليق الخاصة به ويصبح ما يعرف باسم الجرافيت الحراري. كما أنه متباين الخواص للغاية ، ومغناطيسي ، وبالتالي سوف يطفو في الهواء فوق مغناطيس قوي. إذا تم تصنيعه في طبقة مميعة عند درجة حرارة 1000-1300 درجة مئوية ، فإنه يكون خواص التوربينية ، ويستخدم في أجهزة ملامسة الدم مثل صمامات القلب الميكانيكية ويسمى الكربون الانحلال الحراري ، وهو غير مغناطيسي. غالبًا ما يتم الخلط بين الجرافيت الانحلال الحراري والكربون المتحلل بالحرارة ولكنهما مواد مختلفة جدًا. لا يتم استخدام الجرافيت الطبيعي والبلوري في كثير من الأحيان في شكل نقي كمواد هيكلية ، بسبب مستويات القص ، وهشاشة ، وخصائص ميكانيكية غير متسقة.

يحدث Graphite في الصخور المتحولة نتيجة لانخفاض مركبات الكربون الرسوبية أثناء التحول. كما يحدث في الصخور النارية والنيازك. تشمل المعادن المرتبطة بالجرافيت الكوارتز والكالسيت والميكا والتورمالين. مصادر التصدير الرئيسية للجرافيت المُستخرج بالترتيب بالطن: الصين ، المكسيك ، كندا ، البرازيل ، ومدغشقر. في النيازك ، يوجد الجرافيت مع معادن التروليت والسيليكات. تسمى بلورات الجرافيت الصغيرة في الحديد النيزكي كليفتونيت. تحتوي بعض الحبيبات المجهرية على تركيبات نظيرية مميزة ، مما يشير إلى أنها تشكلت قبل النظام الشمسي. إنها واحدة من حوالي 12 نوعًا معروفًا من المعادن التي سبقت النظام الشمسي وتم اكتشافها أيضًا في السحب الجزيئية. تشكلت هذه المعادن في المقذوفات عندما انفجرت المستعرات الأعظمية أو طردت النجوم الصغيرة والمتوسطة الحجم غلافها الخارجي في وقت متأخر من حياتها. قد يكون الجرافيت ثاني أو ثالث أقدم معدن في الكون.

يأتي الكربون الصلب في أشكال مختلفة تعرف باسم المتآصل اعتمادًا على نوع الرابطة الكيميائية. النوعان الأكثر شيوعًا هما الماس والجرافيت (أقل شيوعًا هما البكمينستر فوليرين). في الماس ، تكون الروابط sp وتشكل الذرات رباعي الأسطح مع ربط كل منها بأربعة أقرب جيران. في الجرافيت ، تكون sp هجينة مدارية وتتشكل الذرات في مستويات مع ارتباط كل منها بثلاثة جيران أقرب 120 درجة. الطبقات الفردية تسمى الجرافين. في كل طبقة ، يتم ترتيب ذرات الكربون في شبكة قرص العسل بطول رابطة يبلغ 0.142 نانومتر ، والمسافة بين المستويات 0.335 نانومتر. الذرات الموجودة في الطائرة مرتبطة تساهميًا ، مع إرضاء ثلاثة فقط من أربعة مواقع ترابط محتملة. الإلكترون الرابع حر في الهجرة في المستوى ، مما يجعل الجرافيت موصل للكهرباء. يتم الترابط بين الطبقات عبر روابط فان دير فالس الضعيفة ، والتي تسمح بفصل طبقات الجرافيت بسهولة ، أو الانزلاق فوق بعضها البعض. وبالتالي تقل الموصلية الكهربائية المتعامدة مع الطبقات بحوالي 1000 مرة.

في الألفية الرابعة قبل الميلاد ، خلال العصر الحجري الحديث في جنوب شرق أوروبا ، استخدمت ثقافة ماريتا الجرافيت في الطلاء الخزفي لتزيين الفخار. في وقت ما قبل عام 1565 (تقول بعض المصادر في وقت مبكر من عام 1500) ، تم اكتشاف رواسب هائلة من الجرافيت عند الاقتراب من Gray Knotts من قرية Seathwaite في أبرشية Borrowdale ، كمبريا ، إنجلترا ، والتي وجدها السكان المحليون مفيدة في تمييز الأغنام. في عهد إليزابيث الأولى (1558-1603) ، تم استخدام جرافيت بوروديل كمواد مقاومة للصهر لربط قوالب قذائف المدفعية ، مما نتج عنه كرات مستديرة وأكثر سلاسة يمكن إطلاقها لمسافة أبعد ، مما يساهم في قوة البحرية الإنجليزية. كانت هذه الرواسب الخاصة من الجرافيت نقية وناعمة للغاية ، ويمكن بسهولة تقطيعها إلى أعواد. بسبب أهميته العسكرية ، كان هذا المنجم الفريد وإنتاجه يخضعان لرقابة صارمة من قبل التاج. خلال القرن التاسع عشر ، توسعت استخدامات الجرافيت بشكل كبير لتشمل تلميع المواقد ، ومواد التشحيم ، والدهانات ، والبوتقات ، وواجهات المسبك ، وأقلام الرصاص ، وهو عامل رئيسي في توسع الأدوات التعليمية خلال أول صعود كبير للتعليم للجماهير. سيطرت الإمبراطورية البريطانية على معظم الإنتاج العالمي (خاصة من سيلان) ، لكن الإنتاج من الرواسب النمساوية والألمانية والأمريكية توسع بحلول منتصف القرن. على سبيل المثال ، افتتحت شركة Dixon Crucible Company في جيرسي سيتي بولاية نيوجيرسي ، التي أسسها جوزيف ديكسون وشريكه Orestes Cleveland في عام 1845 ، مناجمًا في منطقة بحيرة Ticonderoga في نيويورك ، وأنشأت مصنعًا هناك ، ومصنعًا لتصنيع أقلام الرصاص والبوتقات وغيرها من المنتجات في نيو جيرسي ، الموصوفة في مجلة الهندسة والتعدين 21 ديسمبر 1878. قلم رصاص ديكسون لا يزال قيد الإنتاج. ترتبط بدايات عملية تعويم الرغوة الثورية بتعدين الجرافيت. يتضمن مقال E&MJ على شركة Dixon Crucible رسمًا تخطيطيًا لـ "الخزانات العائمة" المستخدمة في العملية القديمة لاستخراج الجرافيت. نظرًا لأن الجرافيت خفيف جدًا ، فقد تم إرسال مزيج الجرافيت والنفايات عبر سلسلة أخيرة من خزانات المياه حيث "تطفو" مادة الجرافيت الأنظف ، مما أدى إلى تسرب النفايات. في براءة اختراع عام 1877 ، اتخذ الأخوان بيسل (أدولف وأغسطس) من دريسدن بألمانيا هذه العملية "العائمة" خطوة إلى الأمام وأضفا كمية صغيرة من الزيت إلى الخزانات وغلي المزيج - خطوة تحريك أو زبد - إلى جمع الجرافيت ، الخطوات الأولى نحو عملية التعويم المستقبلية. حصل Adolph Bessel على ميدالية Wohler للعملية الحاصلة على براءة اختراع والتي أدت إلى ترقية استرداد الجرافيت إلى 90 ٪ من الإيداع الألماني. في عام 1977 ، نظمت الجمعية الألمانية لمهندسي التعدين وعلماء المعادن ندوة خاصة مكرسة لاكتشافهم ، وبالتالي ، الذكرى المئوية للتعويم. في الولايات المتحدة ، في عام 1885 ، حصل هيزكيا برادفورد من فيلادلفيا على براءة اختراع لعملية مماثلة ، ولكن من غير المؤكد ما إذا كانت عمليته قد استخدمت بنجاح في رواسب الجرافيت القريبة من مقاطعة تشيستر ، بنسلفانيا ، المنتج الرئيسي بحلول تسعينيات القرن التاسع عشر. كانت عملية Bessel محدودة الاستخدام ، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى الرواسب النظيفة الوفيرة الموجودة في جميع أنحاء العالم ، والتي لم تكن بحاجة إلى أكثر من الفرز اليدوي لجمع الجرافيت النقي. حالة الفن ، كاليفورنيا. تم وصف عام 1900 في تقرير وزارة المناجم الكندية عن مناجم الجرافيت والتعدين ، عندما بدأت الرواسب الكندية في أن تصبح منتجة مهمة للجرافيت.

تاريخيا ، كان يسمى الجرافيت الرصاص الأسود أو بلومباغو. كان يستخدم Plumbago بشكل شائع في شكله المعدني الضخم. ينشأ كلا هذين الاسمين من الخلط مع خامات الرصاص التي تظهر بشكل مشابه ، وخاصة الجالينا. أعطت الكلمة اللاتينية التي تعني الرصاص ، plumbum ، اسمها للمصطلح الإنجليزي لهذا المعدن الرمادي اللامع وحتى إلى نباتات الرصاص أو plumbagos ، وهي نباتات ذات أزهار تشبه هذا اللون.

يشير مصطلح الرصاص الأسود عادةً إلى الجرافيت المسحوق أو المعالج ، أسود غير لامع اللون.

ابتكر أبراهام جوتلوب ويرنر اسم الجرافيت ("حجر الكتابة") في عام 1789. وقد حاول توضيح الخلط بين موليبدينا ، وبلومباغو والرصاص الأسود بعد أن أثبت كارل فيلهلم شيل في عام 1778 وجود ثلاثة معادن مختلفة على الأقل. أظهر تحليل Scheele أن المركبات الكيميائية كبريتيد الموليبدينوم (الموليبدينيت) وكبريتيد الرصاص (II) (غالينا) والجرافيت كانت ثلاثة معادن سوداء ناعمة مختلفة.

غرافيت هو حجر عالي الطاقة وهو مكون ممتاز في الصولجانات. غالبًا ما يشار إليه باسم "حجر الحرية الشخصية" ، ويُعتقد أنه مفيد في مساعدة المرء على إجراء تغييرات الحياة اللازمة للنمو الشخصي. يُعتقد أنه يحسن مهارات الكتابة ويوفر فهمًا أفضل للمعادلات الرياضية. يساعد على تحفيز مهارات التفكير المعرفي ، ويشجع المستخدم على التعلم بشكل أكبر ويحسن التواصل.