ما هي عملية الجرافيت؟

عملية التغرافيتة هي إجراء معالجة حرارية. في كل مرحلة من مراحل درجة الحرارة أثناء التغرافيتة، تحدث عمليات ماصة للحرارة ومطلقة للحرارة، والتي يمكن تقسيمها إلى المراحل الثلاث التالية:

المرحلة الأولى (1000-1800 درجة مئوية): عند درجات حرارة تتجاوز درجات حرارة التكليس، يطرد المنتج المزيد من المواد المتطايرة. تنكسر جميع السلاسل الأليفاتية المتبقية، والروابط C-H، والروابط C=O بالتتابع ضمن نطاق درجات الحرارة هذا. تطلق الهياكل غير المنظمة بين الطبقات ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت وغيرها من المونومرات أو الجزيئات البسيطة (CH₂، CO، CO₂، إلخ). تتجمع بعض الجزيئات المستوية المتناثرة عشوائيًا لتشكل جزيئات كبيرة. تتضمن العملية الماصة للحرارة في نطاق درجة الحرارة هذا استمرار التفاعلات الكيميائية بشكل أساسي. تحدث عمليات فيزيائية متزامنة، تتجلى في اختفاء بعض الحدود البلورية الدقيقة. يتم إطلاق الطاقة السطحية الأصلية على شكل حرارة، لتكون القوة الدافعة لترتيب الشبكة السداسية الكربونية. يشير تحليل الأشعة السينية إلى أن تكديس طبقات ذرات الكربون يزداد بشكل ملحوظ ضمن نطاق درجة الحرارة هذا. يحدث ترتيبها المنظم ضمن مستوى ثنائي الأبعاد، لا تتجاوز أبعاد هذا المستوى 8 نانومتر. تظل الجزيئات الكبيرة في بنية طبقية غير منظمة.

المرحلة الثانية (1800-2400 كلفن): توجد سيناريوهان لهذه المرحلة. أولاً، مع ارتفاع درجة الحرارة، يكتسب النظام طاقة إضافية. تزداد تردد الاهتزاز الحراري لذرات الكربون، مع تضخم السعة. وبموجب مبدأ الحد الأدنى من الطاقة الحرة، تنتقل طبقات الشبكة إلى بنية جرافيت ثلاثية الأبعاد، مما يقلل من المسافة بين الطبقات. في الوقت نفسه، تزداد سعة ذرات الكربون التي تهتز بشكل موازٍ لاتجاه الشبكة المستوية. تختفي خطوط الاضطراب وحدود الحبيبات على المستويات البلورية تدريجيًا، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة الكامنة. عند 2000 كلفن، تصل زيادة إنتروبيا النظام إلى أدنى نقطة لها، وتستمر إلى ما بعد 2000 كلفن كما هو موضح في منحنى فرق الإنتروبيا (الشكل 13-6). تكشف أنماط انحراف الأشعة السينية للغرافيت المعالج عند هذه الدرجة الحرارة تدريجيًا عن خطوط أكثر حدة (hko) و(001) وبعض خطوط (hkl)، مما يؤكد تكوين ترتيب ثلاثي الأبعاد — وهي عملية تلدين تطلق الطاقة الداخلية. في الوقت نفسه، بين 2000 و 2400 كلفن، تشكل بعض الشوائب كربيدات (بشكل أساسي كربيد السيليكون)، والتي تتحلل لاحقًا عند درجات حرارة أعلى إلى بخار معدني وجرافيت. بالإضافة إلى ذلك، بالقرب من 2400 كلفن، يبدأ الكربون في التبخر وتظهر عيوب حرارية، وكلا العمليتين تستهلكان الطاقة. نظرًا لأن هذه التفاعلات تسود بين 2000 و 2400 كلفن، يمتص النظام الطاقة الحرارية، مما يتجلى في زيادة متجددة في تغير الانتروبيا.

المرحلة الثالثة (فوق 2400 كلفن): بالنسبة للكربونات المعرضة للتجفيف مثل كوك البترول وكوك الأسفلت، يصل متوسط نمو الحبيبات على المحور a عند 2400 كلفن إلى 10-150 نانومتر، مع امتداد المحور c إلى حوالي 60 طبقة (حوالي 20 نانومتر). تؤدي عملية الترتيب في المرحلة السابقة إلى انكماش الحبيبات، مما يؤدي إلى توسيع الفجوات بين الحبيبات. وفقًا لآلية نمو الحبيبات المذكورة أعلاه، حتى مع ارتفاع درجة الحرارة بشكل أكبر، لا يمكن للحبيبات أن تقترب من بعضها البعض لتتحد في هياكل أكبر. في هذه المرحلة، يتطلب نمو الحبيبات آلية جديدة: إعادة التبلور.

تتضمن عملية إعادة التبلور هذه، من ناحية، حركة ذرات الكربون داخل أو بين جزيئات مستوى الكربون لتنقية بنية الشبكة وتحقيق ترتيب ثلاثي الأبعاد. من ناحية أخرى، عند درجات حرارة أعلى من 2400 كلفن، يزداد معدل تبخر مواد الكربون بشكل أسي مع ارتفاع درجة الحرارة.

ونتيجة لذلك، يصبح نظام التغرافيتة مشبعًا بذرات الكربون والغازات الجزيئية — C، C₂، C₃ (C₂ + C)، C₄ (C₃ + C)، وهكذا دواليك — مما يسهل التبادل النشط للغاية للمواد بين المرحلتين الصلبة والغازية: إعادة التبلور.

باختصار، تتشابك المراحل المختلفة لتجفيف الكربون. عند درجات حرارة أعلى قليلاً من التكليس والتحميص، تحدث تفاعلات التحلل والبلمرة. بين 1700 و 2400 كلفن، يسود التلدين والنمو البلوري الدقيق، مصحوبًا بتكوين الكربيد والتحلل، مما يعزز التجفيف. فوق 2400 كلفن، يصبح إعادة التبلور الذي يتميز بهجرة ذرات الكربون هو العملية الأساسية. طوال عملية التغرافيتة، يخضع الكربون سهل التغرافيتة لتغرافيتة متجانسة وغير متجانسة. بينما تحدث عمليات ماصة للحرارة، فإن الطبيعة الأساسية هي طاردة للحرارة. تزداد إنتروبيا النظام، مما يحقق استقرارًا أكبر.

يمكن أن تخضع المواد الكربونية غير القابلة للتجفيف أيضًا لتبلور متعدد المراحل عند درجات حرارة مرتفعة، على الرغم من أنها تتطلب درجات حرارة أعلى من الكربون القابل للتجفيف. فوق 3200 كلفن، تبدأ الروابط المتقاطعة في الانكسار. اعتمادًا على الاتجاه الجزيئي، تتشكل العديد من مواقع التبلور. تعيد ذرات الكربون المتبخرة ترتيب نفسها بسرعة حول هذه المواقع، مكونة جرافيت بلوري دقيق الحبيبات.