کربن و گرافیت

به نام خدا
1- مقدمه
2-ساختار گرافیت و خواص
3-کربناسون و گرافیتاسیون
4-گرافیت قالب گیری شده(ساخت، خواص و کاربردها)
5- کربن زجاجی
6-گرافیت پیرولیتی(ساخت، خواص و کاربردها)
7-گرافیت طبیعی، پودر گرافیت و کاربردهای آن
8-ساختار و خواص الماس پلی کریستال
9- الماس سنتز شده در دمای پایینDLC
10- اکسیداسیون
11- پوشش ها

1- مقدمه
مفاهیم کربن
بازار جهانی کربن و گرافیت
مواد اولیه آلی برای محصولات کربنی
ساختار کربن

معنای کربن: کربن از کلمه لاتین کربو به معنی زغال چوب گرفته شده است البته امروزه معنای کربن به زغال چوب محدود نشده و شامل طیف وسیعی از مواد می شود.کربن در تولید الیاف با استحکام بالا، تولید روانسازهای برپایه گرافیت و کربن زجاجی به عنوان جذب کننده گازها مصرف می شود. کربن دارای فرم های متنوعی هستند که پلی مورفی یا آلوتروپی کربن نامیده می شوند اگرچه ترکیب شیمیایی همه این آلوتروپی ها یکسان است ولی خواص یکسانی ندارند.
وقتی درباره اصطلاحی بحث می شود باید مشخص کنیم که درباره چه فرمی از کربن بحث می کنیم مانند فیبر کربن، کربن پیرولیتی، کربن زجاجی. این مواد دارای ساختار SP2 بوده و طبیعت آنها گرافیتی است.
موادی که ساختار SP3 دارند در حقیقت به اسم آلوتروپی خودشان شناخته می شوند و در مورد آنها اشاره ای به کلمه کربن نمی شود مثل: الماس، Lonsdalite و غیره.

اصطلاحات مربوط به کربن
اصطلاحات موجود در زمینه کربن و محصولات کربنی درهم و برهم و آشفته است. این وضعیت به علت انواع گوناگون کربن است. برخلاف اکثر عناصر، کربن به فرم های متنوعی وجود دارد که به آنها پلی مورف های (آلوتروپ های) کربن می گویند. همه این مواد از کربن تشکیل شده اند ولی ساختار فیزیکی هر یک از آنها با هم متفاوت است. یکی خواص منحصر به فرد کربن نیز همین است. ساختارهای مذکور اسم های متفاوتی دارند مثل گرافیت، الماس، Lonsdalite ، فولرین و غیره.

وقتی درباره اصطلاحی بحث می کنیم باید مشخص کنیم که درباره چه فرمی از کربن صحبت می کنیم. اغلب خود اصطلاح « کربن » به معنای عنصر کربن در نظر می گیریم ولی درباره مواد کربنی باید ویژگی آن مواد را توصیف کنیم مثل فیبر کربن، کربن پیرولیتی، کربن زجاجی و غیره. مواد که مثال زدیم ساختار اتمی SP2 دارند و طبیعت آنها گرافیتی است.
موادی که ساختار اتمی SP3 دارند در حقیقت به اسم آلوتروپی خودشان شناخته می شوند و در مورد آنها اشاره ای به کلمه کربن نمی شود مثل : الماس، Losdalite و غیره.

عنصر کربن به وفور در تمام نقاط جهان یافت می شود و در پوسته زمین به نسبت ppm180 یافت می شود. کربن اغلب به شکل ترکیبات آن وجود دارد و بیشتر این ترکیبات طبیعی برای تولید کربن سنتز شده به کار گرفته می شوند. در حقیقت این مواد پایه کربن های سنتز شده را تشکیل می دهند. این مواد شامل انواع زغال سنگ ها، ترکیبات پیچیده هیدروکربنی و هیدروکربن های گازی هستند.
فقط دو پلی مورفی کربن در طبیعت به صورت کانه معدنی یافت می شود: گرافیت طبیعی و الماس.

عنصر کربن به وفور در کل جهان موجود است. در خورشید، ستاره ها، ستاره های دنباله دار و جو سیارات. کربن بعد از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن فراوان ترین عنصر در منظومه شمسی است. در تشکیل گرد و غبارات فضایی، تشکیل خودبخودی مولکول فولرین نقش مهمی را ایفا می کند و در برخی شهاب سنگ ها الماس میکروسکوپی و Lonsdalite یافت شده است.

در زیر مثال هایی از کاربرد گسترده کربن ذکر شده است:
گرافیت طبیعی برای روانسازی و واکس کفش ها
کربن سیاه برای استحکام دهی به لاستیک ماشین ها
کربن سیاه ودوده برای تمام جوهرهای چاپ
استیلن سیاه برای لاستیک های هادی
زغال استخوان و سبزیجات برای تصفیه و خالص سازی شکر
زغال چوب فعال شده برای تصفیه گازها و به عنوان تکیه گاه برای کاتالیزورها
کامپوزیت های کربن ـ کربن برای ترمز هواپیماها و اجزای شاتل های فضایی
فیبرهای با استحکام بالا برای مواد کامپوزیتی
الکترودهای گرافیتی بسیار بزرگ برای فرآوری فلزات
کربن سیاه برای ماشین های کپی
پنجره های نوری از جنس الماس برای فضاپیماها
پوشش های پلی کریستالی الماس برای ابزارهای برش
تولید الماس به روش فشار پایین برای نیمه هادی های بسیار سریع.

فرآیندهای عمده تولید محصولات کربنی:
به غیر از الماس و گرافیت طبیعی سایر محصولات کربنی به دست بشر ساخته می شوند. این محصولات سنتز شده توسط فرآیندهایی تولید می شوند که در جدول به طور مختصر تشریح شده اند.

تحقیقات گسترده صنایع گوناگون در زمینه مواد کربنی باعث شده تا این ماده مشتقات بسیار زیادی داشته باشد که از آزمایشگاههای تحقیقاتی کوچک برای تولید پوشش الماس تا تولید الکترودهای بزرگ گرافیتی را در بر گرفته است.
در سی سال اخیر سه پیشرفت مهم در زمینه کشف موادی جدید از جنس کربن اتفاق افتاده است
پیشرفتهای مهم درصنعت کربن:
1-فیبرهای کربنی
2-سنتز کردن الماس درفشار پایین
3-فولرین
بازار جهانی کربن و گرافیت
بازار محصولات کربنی به دو دسته اصلی تقسیم می شود. محصولات کربن / گرافیتی با بازار 5/5 بیلیون دلار و الماس با بازار 5/7 بیلیون دلار

بازار جهانی الماس
اصل کلمه « گرافیت » لغت یونانی « گرافین » به معنای نوشتن است
این آلوتروپ ها یعنی گرافیت، الماس، فولوین و غیره، از اتم های کربن تشکیل شده اند ولی خواص فیزیکی آنها با هم متفاوت است زیرا نحوه کنار هم قرار گرفتن اتم های کربن با هم متفاوت است.
همه عناصر قابلیت تشکیل آلوتروپ را ندارند. اگر چه عناصر گروه چهارم جدول تناوبی یعنی سیلیسیم ، ژرمانیوم و قلع دارای آلوتروپ هستند ولی عنصر کربن از نظر تعداد و گوناگونی آلوتروپ ها بی نظیر است .
خواص آلوتروپ های کربن تفاوت های زیادی با هم دارند. به طور مثال الماس سخت ترین ماده شناخته شده است در حالی که گرافیت یکی از نرم ترین مواد است. الماس شفاف است ولی گرافیت تیره و مات است. الماس یک عایق الکتریکی است در صورتی که گرافیت رسانای جریان الکتریکی است و فولوین از دیگر آلوتروپ های کربن متفاوت است. این مواد همه از اتم های کربن تشکیل شده اند ولی چیدمان اتم ها در شبکه اتمی شبیه به یکدیگر نیست.

مواد اولیه آلی برای محصولات کربنی

عنصر کربن با علامت C نشان داده می شود. عدد اتمی (عدد Z ) آن 6 است یعنی اتم خنثای کربن دارای 6 پروتون و 6 الکترون است. به علاوه دارای 6 نوترون است ( برای ایزوتوپ 12).
ترکیب الکترون ها و چیدمان آنها در اربیتال ها به این صورت است: 1S2 , 2S2 , 2P2 .
1S2 به سه علامت کوانتومی اشاره می کند که برای تعریف اربیتال لازم است. عدد "1" به اولین لایه یعنی لایه K اشاره می کند (عدد کوانتومی اصلی). حرف "S" مشخص کننده لایه فرعی است و عدد "2" تعداد الکترون های موجود در لایه فرعی را برای ما مشخص می کند. در لایه K تنها یک اربیتال ( اربیتال S ) وجود دارد در نتیجه هرگز نمی توان بیش از 2 الکترون را در لایه K جای داد. این دو الکترون اسپین مخالف دارند و در نزدیک ترین فاصله تا هسته قرار گرفته و کمترین سطح انرژی را دارا هستند.

ایزوتوپ های مهم کربن
C12 6 نوترون
C13 7 نوترون
2S2 و 2P2 اطلاعات لازم درباره چهار الکترونی که در لایه L قرار گرفته اند را می دهد. لایه L نمی تواند بیش از 8 الکترون در خود جای دهد. در عنصر نئون لایه L کامل شده است. در الیه اصلی L دو لایه فرعی S و P وجود دارند. سطح انرژی 2S و 2P با یکدیگر متفاوت است. عدد «2» نشان دهنده لایه اصلی اربیتالی و "P" , "S"مشخص کننده لایه های فرعی است. دو الکترون موجود در لایه 2S اسپین مخالف دارند و دو الکترون موجود در لایه 2P اسپین موافق دارند. در شکل به صورت شماتیک تصویری از اتم کربن ترسیم شده است.
شکل و طرحی که برای اتم کربن توضیح داده شد درباره اتم کربن در حالت پایه است. یعنی الکترون ها در اربیتال هایی با حداقل انرژی قرار گرفته اند و به عبارت دیگر این الکترون ها در نزدیک ترین موقعیت ممکن نسبت به هسته قرار گرفته اند و کمترین سطح انرژی را دارند.

الکترون های لایه والانس و پتانسیل یونیزاسیون:
در هر اتم الکترون هایی که در بیرونی ترین اربیتال قرار دارند، الکترون های لایه والانس نامیده می شوند و تنها این الکترون ها هستند که در پیوند شرکت می کنند. در اتم کربن دو الکترونی که در لایه 2P وجود دارند الکترون های والانس محسوب می شوند پس در این حالت کربن دو الکترون والانس دارد و می تواند آنها را ر ایجاد پیوند شرکت دهد مثل متیلن. در حالی که آلوتروپ های کربن و ترکیبات پایدار کربن چهار الکترون والانس دارند.
الکترون های والانس کربن به راحتی از اتم کربن جدا می شوند یعنی اگر یک پتانسیل الکتریکی اعمال شود باعث شتاب گرفتن الکترون والانس شده و چنانچه انرژی اعمال شده به انرژی پیوند الکترون به هسته غلبه کند باعث می شود تا این الکترون از اتم جدا شود. در این حالت کربن یونیزه می شود و به یک یون مثبت تبدیل می شود.
پتانسیل اولین یونیزاسیون برای کربن و چند اتم دیگر در جدول زیر محاسبه شده است. لازم به ذکر است که با افزایش عدد اتمی انرژی یونیزاسیون افزایش می یابد. یونیزاسیون اتم هایی که لایه آنها کامل شده است مثل نئون کار سختی است ولی یونیزاسیون اتم هایی که تک الکترون در لایه خود دارند مثل لیتیم کار ساده ای است.
همانطور که ملاحظه می شود کربن در محلی بین دو گاز نجیب هلیوم و نئون قرار گرفته است. کربن هنگام تشکیل یک ترکیب می تواند به دو گونه رفتار کند. یکی اینکه الکترون های خود را از دست بدهد و به شکل و ترکیب الکترون ها در اتم هلیوم برسد ( مثل زمانی که با اکسیژن وارد واکنش می شود و تشکیل ‍CO2 می دهد) و یا اینکه الکترون بگیرد و به شکل اتم نئون درآید (مثل زمانی که با دیگر اتم های کربن ترکیب می شود و الماس را به وجود می آورد).

جرم اتمی (وزن اتمی)
عنصرکربن به عنوان پایه ای برای اندازه گیری جرم اتمی به کار می رود. واحدجرم اتمی (atomic mass unit : Amu) را اینگونه تعریف می کنند: 12/1 جرم اتمی ایزوتوپ کربن ـ 12 (12C). این تعریف در سال 1961 ارائه شد. واحد جرم اتمی در مقایسه با واحدهای استاندارد اندازه گیری جرم، بسیار بسیار کوچک تر است، یعنی هر Amu 1024 *6022/0 برابر یک گرم است ( این عدد به عدد آووگادرو یا N شناخته می شود) کربن طبیعی شامل 89/98% 12C است و 11/1% آن 13C است پس در نتیجه جرم اتمی میانگین برای کربن طبیعی Amu 01115/12 است.
ایزوتوپ های کربن:
ایزوتوپ های یک عنصر همگی عدد اتمی ( Z ) یکسانی دارند. به عبارت واضح تر همگی آنها در تعداد پروتون و الکترون یکسان هستند ولی تعداد نوترون های آنها با هم متفاوت است. پس در نتیجه ایزوتوپ ها از نظر جرم اتمی با یکدیگر متفاوت هستند. جرم اتمی مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها است و آن را با علامت " A " نشان می دهند.عنصر کربن هفت ایزوتوپ دارد که در اسلاید بعد نمایش داده شده اند.فراوانی ایزوتوپ 12C از شش ایزوتوپ دیگر بسیار بیشتر است.

کربن 12 و 13 ، ایزوتوپ های پایدار کربن هستند و تغییرات ساختاری در آنها به وجود نمی آید ولی پنج ایزوتوپ دیگر رادیواکتیو هستند یعنی به طور پیوسته در حال از بین رفتن و واپاشی هستند. این اتفاق به علت گسیل ذرات  است که که یا یک الکترون (–) هستند و یا یک پوزیترون (+) . ذرات  به علت شکافت نوترون به وجود می آیند. سرعت متوسط زوال و واپاشی این اتم ها ثابت است و شرایط شیمیایی و فیزیکی اتم دخالتی در آن ندارد. برای نشان دادن نابود شدن و از بین رفته یک رادیو ایزوتوپ از اصطلاح نیمه عمر استفاده می شود. نیمه عمر اینگونه تعریف می شود: مدت زمان مورد نیاز برای آنکه سرچشمه ماده رادیواکتیو به نصف کاهش پیدا کند.
اگر به جدول 4-2 دقت شود نیمه عمر ایزوتوپ های 16C , 15C, 11C, 10C کوتاه است پس استفاده عملی و واقعی از آنها محدود است ولی در عوض 14C نیمه عمر بسیار طولانی دارد به همین دلیل کاربردهای مهمی پیدا کرده است.

زمان سنجی توسط کربن ـ 14
واپاشی ماده رادیو اکتیو 14C و دیگر رادیو ایزوتوپ ها مثل اورانیوم 235 و 238 ، توریم 232 ، روبیدیم W و پتاسیم k40 ، یک روش معتبر برای زمان سنجی مواد است از کربن 14 فقط می توان برای زمان سنجی ترکیبات کربنی استفاده برد. نیمه عمر بسیار طولانی آن 5730 سال است و اجازه می دهد تا بتوانیم بیش از 000/30 سال زمان سنجی انجام دهیم. این مقدار 5 برابر طول نیمه عمر آن است و بعد از این زمان تنها 32/1 از مقدار اولیه 14C باقی مانده است و این مقدار ماده دیگر برای یک زمان سنجی دقیق کافی نمی باشد . مکانیزم تشکیل و تخریب 14C
شیمی دانی به اسم ویلارد اف، لیبی در سال 1946 کشف کرد که 14C به طور پیوسته در اتمسفر زمین در حال تشکیل است. این تشکیل به علت واکنش عنصر نیتروژن 14N با نوترون های پرانرژی است. این نوترون های پرانرژی از اشعه های کیهانی سرچشمه می گیرند. این اشعه های کیهانی باعث می شوند تا 14N یک پروتون از دست بدهد (تعداد آن از هفت به شش می رسد) و در نتیجه کاهش عدد اتمی به 14C تبدیل می شود.
همانطور که گفتیم 14C یک رادیوایزوتروپ است که به طور پیوسته در حال واپاشی است. نتیجه این واپاشی گسیل ذرات– و تولید اتم نیتروژن است. این موضوع در شکل 3-2 مشخص شده است. فرآیند تشکیل و تخریب 14C در اتمسفر به تعادل رسیده است و مقدار این ماده تقریباً ثابت و کم باقی مانده است. در اتمسفرهای اکسید کربن مقدار یادی 14C یافت می شود.

کربن 14 در مواد زنده و مرده:
گیاهان به طور پیوسته CO2 جذب می کنند به همین دلیل مقداری 14C جذب آنها می شود که این ماده در بافت گیاهان حفظ می شود. حیوانات به طور مستقیم یا غیرمستقیم از گیاهان تغذیه می کنند پس مقداری از کربن یافت شده در موجودات زنده، 14C است و مقدار کربن 14 تقریباً برابر همان مقداری است که در اتمسفر یافت می شود یعنی 8-10 * 1 برابر مقدار 12C است.
بعد از مرگ، 14C موجود در بدن موجودات زنده رفته رفته کاهش می یابد که به علت تخریب این ماده می باشد. مقدار 14C موجود را می توان اندازه گیری کرد ( به این ترتیب می توان مدت زمانی که از مرگ می گذرد را به راحتی اندازه گیری کرد). این اندازه گیری توسط سنجش ذرات – انجام می شود زیرا 14C موجود هنوز تولید – می کند (که به آن فعالیت 14C می گویند) و مقدار فعالیت 14C با فعالیت 14C در یک موجود زنده مشابه مقایسه می شود.
کاربردهای زمان سنجی توسط کربن
زمان سنجی ، تعیین تاریخ و قدمت مواد توسط کربن 14 راهی عملی و روشی متداول برای زمان سنجی مواد کربنی است ( شکل 4-2). از این روش در باستان شناسی، دیرینه شناسی، تعیین قدمت چوب های موجود در مقابر مومیایی، قدمت حیوانات و گیاهان ماقبل تاریخ استفاده می شود.

ایزوتوپ های 12C و 14C
آزمایش ها نشان می دهد که خواص آلوتروپ های کربن و ترکیبات آن به میزان ایزوتوپ های موجود در آن بستگی دارد. برای درک بهتر موضوع به مثال های زیر توجه کنید.
به طور مثال در تولید الماس سنتز شده از گاز متان استفاده می شود. مقدار ایزوتوپ کربن 12 در اینجا 97/99% است و الماس توسط فرآیند CVD بدست می آید. هدایت حرارتی الماسی که از این طریق بدست آمده 50% بیش از هدایت حرارتی الماس طبیعی است. در الماس طبیعی نسبت 12C به 13C برابر 100 به 1 است.
مثال دیگر پدیده فوتوسنتز مواد آلی است. در این فرآیند ایزوتوپ های جذب شده انتخاب می شوند. به عبارت واضح تر یعنی در فرآیند فوتوسنتز میزان 13C کمتری جذب می شود در نتیجه مواد آلی نسبت به مواد غیرآلی 13C کمتری دارند.
جذب انتخابی ایزوتوپ ها در مطالعات زمین شناسی اهمیت خاصی دارد. اندازه گیری میزان 13C ملاک و معیار خوبی برای تشخیص منبع و سرچشمه کربن در اختیار ما قرار می دهد. برای مثال کلسیت معدنی سنگ آهکی است که اغلب از کربنات کلسیم (CaCO3) تشکیل شده است و در سنگ های گنبدی شکل نمک یافت می شود. میزان 13C موجود در این مناطق به نسبت سنگ آهک هایی که منشاء غیرآلی دارند، کمتر است. این موضوع نشان می دهد در کلسیت هایی که از نفت (منبع آلی) حاصل شده اند میزان کربن بیشتر از جاهایی که منشاء غیرآلی داشته اند.
اغلب سنگ آهنک ها از یون های بی کربنات موجود در آب دریا (HCO3-) حاصل شده اند. ( که آنهانیز از CO2 اتمسفر سرچشمه گرفته اند) و میزان 13C آنها در حد نرمال است. در کلسیت های گنبدی شکل نمکی که از ترکیب CO2 , C++ بدست آمده اند منشاء CO2 از اکسید شدن نفت خام است که یعنی از منبع آلی سرچشمه گرفته و میزان 13C آن کمتر است.

هیبریداسیون و پیوند SP3 کربن
1-3- پیوند کربن
خواص و ویژگی های اتم کربن توضیح داده شد. حال می خواهیم بدانیم اتم های کربن به چه صورت های می توانند در کنار هم قرار بگیرند. در واقع طرز قرار گرفتن و پیوند اتم های کربن با هم است که باعث می شود الماس، گرافیت و یا سایر آلوتروپ های کربن به وجود بیاید
یک پیوند شیمیایی زمانی تشکیل می شود که یک الکترون به دو هسته مثبت نزدیک شود به اندازه ای که تحت تاثیر جاذبه هر دوی آنها قرار گیرد. پیوندهای تشکیل شده در مولکول کربن از نوع کووالانسی است و می توانند به چند صورت موجود باشند: به صورت پیوندهای اربیتالی SP2 , SP3 و SP .

هیبریداسیون اتم کربن
اربیتال های الکترونی.
توضیح دادیم که ترکیب الکترون ها در اتم کربن و در حالت پایدار به شکل 1S2,2S2,1P2 است. دو الکترون در لایه (1S) K و چهار الکترون در لایه L ( دو الکترون در اربیتال 2S و دو الکترون در اربیتال 2P ) قرار می گیرند ( شکل 1-2).
درباره الکترون ها باید به این نکته تاکید کرد که محل و موقعیت الکترون را در اتم یا مولکول نمی توان به دقت مشخص کرد. تابع موجی الکترون ثابت می کند که مسئله به صورت دیگری است به عبارتی الکترون در یک حجم مشخص در اطراف هسته در حال حرکت است و فقط می توان احتمال وجود الکترون را در این حجم مشخص نزدیک به هسته را ارائه کرد ولی نمی توان گفت که دقیقاً الکترون در کجا قرار گرفته است. حجمی که بیشترین احتمال حضور الکترون در آن وجود دارد به وقت تعریف و مشخص شده به علاوه این حجم کوچک دارای شکل معین است.

اربیتال های کربن در حالت پایه
اربیتال های کربن در شکل نشان داده شده است. بر اساس محاسبات تابع موج، اربیتال S به شکل یک کره است که لبه های این کره در هم و برهم و ریشه ریشهاست. البته این دو خاصیت اخیر از خواص تمام اربیتال ها است. شکل اربیتال 2p به صورت یک دمبل کشیده شده است و محور دو بخش اربیتال در راستای یکدیگر قرار دارند به علاوه این دو قسمت اربیتال متقارن هستند.

اربیتال هیبریدی SP3 کربن
شکلی که برای الکترون های اتم کربن در حالت پایه بیان کردیم نمی تواند شکل چهار وجهی و متقارن ساختارهایی مثل الماس و متان (CH4) را توجیه کند. زیرا دراین حالت های گفته شده اتم کربن چهار الکترون والانس دارد.
برای اینکه اتم کربن بتواند چهار پیوند تشکیل دهد لازم است آرایش الکترونی آن به گونه ای تغییر کند که تعداد الکترون های والانس آن به جای دو به چهار عدد برسد. در عین حال هر یک از این چهار الکترون باید در اربیتال های جداگانه ای قرار گیرند. این تغییر آرایش نتیجه تشکیل اربیتال های اتمی هیبریدی است. در این حالت یکی از الکترون های موجود در لایه 2S به اربیتال بالاتر 2p فرستاده می شوند این اربیتال های جدید هیبرید نامیده می شوند زیرا از ترکیب اربیتال های 2p , 2s بدست آمده اند.
در حالت هیبریدی SP3 ، اتم کربن چهار اربیتال 2SP3 دارد و تعداد الکترونهای والانس آن از دو ب چهار افزایش یافته است. دانسیته الکترونی SP3 محاسبه شده است به علاوه در اسلاید بعد نمایی از ابر الکترونی نشان داده شده است. این اربیتال غیرمتقارن است و تمرکز آن بر یک طرف قرار گرفته و بخش مقابل کوچک شده است.

انرژی مورد نیاز برای هیبریداسیون SP3 و بردن اتم کربن از حالت پایه به حالتی که چهار الکترون والانس داشته باشد برابر kj/mol 230 است. هم اکنون اتم هیبرید شده آماده است تا به دیگر اتم های کربن متصل شود. البته باید به این نکته دقت کرد که اربیتال های هیبریدی فقط در حین ایجاد پیوند با اتم های دیگر، تشکیل می شوند یعنی ساختار واقعی کربن در حالت تک اتمی به صورت هیبریدی نیست.
پیوند کووالانسی SP3 کربن
همانطور که توضیح داده شد پیوندهای کربن کووالانسی است و در پیوندهای SP3 اتم های کربن جفت الکترونهای خود را به اشتراک می گذارند. به دلیل کوچک بودن اندازه اتم کربن، پیوندهای آن قوی است. وقتی اربیتال های SP3 از یک اتم کربن با اربیتال SP3 دیگری از اتم کربن دیگر پیوند برقرار می کند، الکترون های پیوندی در بین دو هسته متمرکز می شوند و باعث می شود تا جاذب بین ابر الکترونی و دو هسته به حداکثر و دافعه بین دو هسته به حداقل برسد (شکل 11-2) طبق قرارداد یک اربیتال directional مثل SP3 را اربیتال سیگما () و پیوند آن را پیوند سیگما نامیده اند.
هر اتم هیبریدی کربن که شکلی چهار گوشه دارد با اتم های هیبریدی دیگر پیوند تشکیل می دهد و به این ترتیب یک شبکه سه بعدی از پیوندهای کووالانسی به وجود می آید ( شکل 12-2) ساختاری که در بالا تشریح شد پایه شبکه کریستالی الماس است. در مورد مولکول متان نیز وضعیت به همین شکل است ولی در اینجا چهار اربیتال هیبریدی کربن با چهار اتم هیدروژن پیوند تشکیل می دهند یعنی از ترکیب اربیتال های SP3 کربن و اربیتال هیدروژن این ساختار به وجود می آید ( شکل 13-2 ). مولکول چهار وجهی CCl4 نیز به همین ترتیب ایجاد می شود.

زاویه بین پیوندهای سیگما 28 109 است که این زاویه بر اثر ارتعاش های ناشی از دما تغیر خواهد کرد. انرژی و طول پیوند سیگما بستگی به آن دارد که اتم کربن با چه اتمی پیوند تشکیل داده باشد. در جدول 7-2 انرژی و طول پیوند برای انواع پیوندهای کربن ذکر شده است. انرژی پیوند را انرژی لازم برای شکستن یک مول از پیوندها تعریف می کنیم به علاوه وقتی که یک پیوند تشکیل می شود مقداری انرژی آزاد می شود که در این رابطه بحث خواهیم کرد.
پیوندهای SP3 که در جدول 7-2 آورده شده در همه ترکیبات آلیفاتیک یافت می شود. ترکیبات آلیفاتیک ترکیبات آلی ای هستند که زنجیره آنها از انتها باز است مثل پارافین، هیدروکربن های اولیفینی و استیلنی و سایر مشتقات.
پیوندهای سه گوش SP2 و دو سر SP
اربیتال سه گوش SP2
به علاوه اربیتال های هیبریدی چهار گوش SP3 که در مورد آنها بحث شد، دو نوع اربیتال دیگر نیز وجود دارند که در ترکیبات و آلوتروپ های کربن مشاهده شده اند: اربیتال های SP2 و SP .
هر چند اربیتال های SP3 پایه ساختار الماس و ترکیبات آلیفاتیک را تشکیل می دهند ولی اربیتال های SP2 نیز پایه تمام ساختارهای گرافیتی وترکیبات آروماتیکی را تشکیل می دهند.
مکانیزم هیبریداسیون SP3 و SP2 با یکدیگر متفاوت است. تشکیل اربیتال های SP2 به این ترتیب است که یکی از دو الکترون لایه فرعی 2S به لایه بالاتر 2P می رود.
در نتیجه سه اربیتال SP2 و یک اربیتال P غیر هیبریدی آزاد به وجود می آید.

شکل بدست آمده از محاسبات دانسیته الکترونیکی برای اربیتال SP2 مشابه شکل اربیتال های SP3 است. سه اربیتال SP2 در یک صفحه قرار می گیرند و زاویه بین آنها 120 خواهد بود ( شکل 15-2).
اربیتال چهارم یعنی همان الکترون p غیرهیبریدی که موقعیت مشخصی ندارد بر سه اربیتالSP2 دیگر عمود است و این قابلیت را دارد که با اتم های دیگر که مکمل آن باشند پیوند پی (  ) تشکیل دهد.

پیوند کووالانسی SP2
پیوندهای SP2 نیز همانند پیوندهای SP3 کووالانسی هستند و پیوند آنها نیز به علت اندازه کوچک اتم و وجود سه پیوند کووالانسی پیوند قوی و محکمی است. همانطور که در جدول 7-2 مشاهده می کنید در اربیتال های SP2 طول پیوند کوتاه تر و انرژی پیوند بیشتر است. اربیتال های SP2 نیز directional هستند و اربیتال سیگما (  ) نامیده می شوند. پیوند آنها نیز یک پیوند سیگما است.
اتم های هیبریدی SP2 با دیگر اتم های کربن که همین حالت را دارند ترکیب می شوند و یک ساختار شش گوشه را تشکیل می دهند. این ساختار شش گوشه در صفحه های موازی هم، همانطور که در شکل 16-2 نشان داده شده، قرار می گیرند.
چهارمین الکترون والانس در حقیقت یک الکترون ازاد است که در جهت عمود بر صفحه های موازی قرار می گیرد ( شکل 17-2). این اربیتال ها بر خلاف اربیتال های سیگما (  ) نامتقارن هستند و اربیتال پی (  ) نامیده می شوند و می توانند با مکمل خود یک پیوند (  ) تشکیل دهند.

در ساختارهایی مثل گرافیت که از پیوندهای SP2 تشکیل شده است الکترون هایی که موقعیت مشخصی ندارند می توانند به راحتی از یک طرف لایه به طرف دیگر آن حرکت کنند ولی نمی توانند به راحتی از لایه ای به لایه دیگر بروند ودر نتیجه باعث می شود تا گرافیت آنیزوتروپی پیدا کند. اربیتال دوسرSP و پیوند SP
اربیتال SP ( که به عنوان اربیتال دو سر می شناسیم ) شامل یک اربیتال S و یک اربیتال P است و شامل دولپ است (شکل 18-2) یک پیوند SP از دو اربیتال SP تشکیل شده است که زاویه بین آنها 180 است و در حقیقت یک مولکول خطی را تشکیل می دهد. این پیوند نیز یک پیوند سیگما (  ) است و استحکام پیوند آن بالا است. در اربیتال SP تنها دو الکترون از الکترون های اتم کربن پیوند تشکیل می دهند و دو الکترون والانس دیگر آزاد هستند. این دو الکترون آزاد اربیتال پی (  ) را تشکیل می دهند که موقعیت مشخصی ندارد و می ـواند بادیگر اربیتال های مکمل خود پیوند (  ) تشکیل دهد.
یک نمونه مولکولی که پیوند SP دارد گاز استیلن است HC = CH .

انرژی و طول پیوندهای مختلف کربن

مولکول های کربن در فاز بخار
در دمای بالا کربن تبخیر شده و به شکل گاز در می آید. این گاز مخلوطی از تک اتم های کربن ومولکول های دویا چند اتمی است به عبارتی این گاز می ـوان شامل مولکول های دو، سه، چهار اتمی کربن و یا مولکول هایی با تعداد اتم های کرنب بیشتر باشد.
این اجزای گازی را با علامت های C3 , C2 , C1 و غیره نشان می دهیم.
برای اینکه رفتار و تشکیل دهنده های این کربن گازی شکل را بشناسیم لازم است گرمای تشکیل آن را اندازه گیری کنیم و برای محاسبه دقیق گرمای تشکیل باید نسبت تشکیل دهنده های این گاز را مشخص کنیم.
تبخیر شدن کربن یک مولفه اصلی در ablation کربن است. این ablation پدیده ای پایه ای است که تشکیل راکت های نازل، برجستگی نوک مخروط ها و دیگر محصولاتی را که در مواجه با دمای بسیار بالا هستند، کنترل می کند (نگاه کنید به فصل 9 ) سرعت ablation بستگی به ترکیب بخار کربن دارد که در طول ablation تولید می شود و همچنین به گرمای تشکیل انواع بخار کربن و ضریب تبخیر آنها.
با اندازه گیری هایی که توسط طیف سنج جرمی انجام شده مقدار انرژی لازم برای تبخیر گرافیت به گاز تک اتمی C1 برابر ( kcal/mol 51/171 kj/mol 51/710 بدست آمده است. مقادیر گرمای تشکیل برای دیگر انواع مولکول های کربن در جدول 9-2 ذکر شده است.

C1 ، C2 و به خصوص C3 عمده گازهایی هستند که در دمای K 2700 ـ 2400 ایجاد می شوند و در منحنی آرینوس فشار جزئی این گازها نشان داده شده است. سهم C6 و مولکول های بزرگ در فشار گاز، اندک است و در عمل چندان تاثیری ندارد. عقیده محققان بر این است که پیوند بین کربن در این مولکول ها دو گانه یا دوتایی است.

آلوتروپ های کربن
1-6- دیاگرام فازی کربن
دیاگرام فازی کربن در شکل 20-2 نشان داده شده. یک نمونه دیگر از دیاگرام های فازی T – P در شکل 7-3 فصل 3 مشاهده می کنید که در این نمودار مجموع فشار بخار کربن، محاسبه شده و روی نمودار ترسیم شده است.
در دمای k 4800 و در یک فشار atm 1000 کربن تبخیر[1] می شود این منطقه، محدوده پایداری الماس است. در دمای K 3000 و فشار بیش از kbar 125 الماس به گرافیت تبدیل می شود ( در غیاب کاتالیزور) . فرم های آلوتروپی
ااین آلوتروپ ها به سه دسته اصلی طبقه بندی می شوند:
( 1 ) ساختارهای SP2 شامل گرافیت ، مواد گرافیتی ، کربن آمورف و دیگر مواد کربنی که در فصل 3 به آنها اشاره می شود،
( 2 ) ساختارهای SP3 شامل الماس، lonsdalite که در فصل 11 مورد مطالعه قرار می گیرند ،
( 3 ) فولرین ها

این آلوتروپ ها گاهی به صورت ترکیبی از هم یافت می شوند مثل کربن شبه الماسی (DLC) این مواد محصول سنتز در فشار پایین هستند و در واقع مخلوطی از میکروکریستال های الماس و گرافیت است
مولکول های فولرین
دسته ای از مولکول های کربن به نام فولرین ها کشف شده اند که یک دسته اصلی از آلوتروپ های کربن هستند و از ترکیب پیوندهای SP2 و SP3 ر بدست می آیند. هنوز مطالعات بر روی این مولکول ها ادامه دارد
اصل کلمه « گرافیت » لغت یونانی « گرافین » به معنای نوشتن است.
گرافیت برای تولید انواع گوناگونی از مواد مثل فیبرهای بسیار محکم، روانسازهای لغزنده، برای آببندی محفظه های گاز و مواد جاذب گاز استفاده می شود. تمام این مواد گوناگون دارای یک خصیصه عمومی هستند. همه آنها بر اساس پیوند سه گاز SP2 اتم های کربن ساخته شده اند.
ساختار کریستال گرافیت
گرافیت از روی هم قرار گرفتن لایه های صفحه ای موازی تشکیل شده که در شکل به صورت شماتیک نشان داده شده، که دارای پیوند سه گانه 2SP است در شکل دایره ها موقعیت اتم های کربن را نشان می دهند و نه اندازه واقعی اتم ها را. در حقیقت هر اتم با اتم مجاور خود در تماس است
درون هر صفحه، اتم کربن با سه اتم دیگر پیوند خورده است که تشکیل یک شبکه هگزاگونال پیوسته را می دهد و می توان آن را یک مولکول دو بُعدی نامحدود بدانیم. پیوند کووالانسی (سیگما) است. طول آن کوتاه ( nm 141/0) و استحکام آن زیاد ( Kj/mol 524) است. الکترون والانس چهارم هیبریدی با یک الکترون از صفحه مجاور که موقعیت مشخصی ندارد، جفت می شود و یک پیوند ضعیف واندروالس (فقط Kj/mol 7 ) تشکیل می دهد. کربن تنها عنصری است که این ساختار لایه ای هگزاگونال خاص و ویژه را دارد.
فاصله بین لایه ها نسبتاً زیاد (nm 335/0) یا بیش از دو برابر فاصله اتم ها در درون لایه ها و حدود دو برابر شعاع کربن واندروالس است. چیدمان این لایه ها به دو گونه است که البته اندکی با هم تفاوت دارند: هگزاگونال و رمبوئدرال

گرافیت هگزاگونال
متداول ترین چیدمان ردیفی کریستال گرافیت، هگزاگونال (آلفا) با نظم چیدن – ABABAB – است که در شکل مشاهده می شود.
اتم های نوع آلفا، که اتم های همسایه آنها در لایه های مجاور دقیقاً در بالا و پایین آنها قرار گرفته با دایره های توخالی مشخص شده اند. اتم های نوع بتا که اتم مشابهی در لایه های دیگر ندارند با دایره های توپر نشان داده شدند. یک منظر از چیدمان ردیفی صفحه های اصلی را عمود بر صفحات در اسلاید مشاهده می کنیم.
گرانیت رمبوئدرال
دیگر ساختار گرافیت، رمبوئدرال با نظم چیدن – ABCABC – است. اتم های کربن در هر سه لایه بر هم منطبق می شوند (Superimposed) . توضیح کریستالوگرافی آن توسط گروه فضایی داده می شود. پارامتر شبکه کریستالی ao = 0.2256nm و Co=1.006 nmاست. نمایی از چیدمان ردیفی عمود بر صفحات اصلی را در شکل مشاهده می کنیم.
گرافیت رمبوئدرال از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است و می تواند به عنوانیک نقص چیدن گسترده از گرافیت هگزاگونال در نظر گرفته شود. هرگز به صورت خالص یافت نشده اما همیشه در ترکیبی با گرافیت هگزاگونال به اندازه بیش از 40% در مواد طبیعی و سنتز شده وجود دارد.

دیگر ویژگی های کریستال گرافیت عبارتند از:
توضیح کریستالوگرافی توسط گروه فضایی داده شده.
پارامتر شبکه کریستالی به معنای موقعیت نسبی اتم های کربن (در امتداد محور اورتوهگزاگونال) عبارتند از : ao = 0.245nm , Co=0.6708 nm
وجوه عمومی کریستال }0002 { ، }1010 { ، }1011 { ، }1012 { است.
The crystal cleavage is {0002} with no fracture
کریستال سیاه است و خطوط سیاه رنگ از خود به جا می گذارد.
گرافیت هگزاگونال به صورت ترمودینامیکی نرم پایدار گرافیت است و در اغلب مواد سنتز شده یافت می شود.
معمولاً با عملیات حرارتی در بالای C1300 به گرافیت هگزاگونال تبدیل می شود. باید توجه شود در هر دو ساختار هگزاگونال و رمبوئدرال صفحات اصلی دقیقاً بر روی دیگری قرار ندارند.

Diamond vs. Graphite Crystal Structures
From: http://www.molecules.org/elements.html#diamond
Hardness: 10
Hardness: 1-2

Carbon
atoms
Strong
(covalent)
bonds
Diamond
The hardest mineral

Carbon atoms
Strong (covalent) bonds
within layers
Weak
(van der Waals)
bonds between
layers
Layers of
carbon atoms
Graphite, another form of Carbon

انواع فرم های پلی کریستالی گرافیت
ساختار گرافیت هگزاگونال ایده آل که در بالا توضیح دادیم به صورت تئوری از صفحه های اصلی نامحدود با چیدن کامل – ABAB – و بدون وجود هیچ نقصی تشکیل شده اند. ولی چنین ساختار ایده آلی هرگز در طبیعت یا در گرافیت سنتز شده بدست نمی آید.
مواد گرافیتی مثل گرافیت پیرولیز شده، کامپوزیت های کربن ـ کربن، کربن زجاجی، کربن سیاه و بسیاری دیگر، در حقیقت توده ای از کریستال های گرافیت هستند و به عبارت دقیق تر گرافیت های پلی کریستالی هستند. ممکن است اندازه این کریستال ها زیاد باشد. به عنوان مثال اندازه کریستال عمود بر لایه های اصلی (LC) در برخی کربن های زجاجی ممکن است به کوچکی nm 2/1 به طول فقط چند اتم و یا ممکن است بیش از nm100 در برخی گرافیت های پیرولیز شده خیلی منظم وجود داشته باشد . اگریگیت های کریستال ها هم ممکن است اندازه ها و خواص متفاوتی داشته باشند. برخی مثل دوده خیلی کوچک هستند و فقط شامل چند کریستال کوچک هستند. در این چنین مواردی خواص، بسیار به اندازه سطح بستگی دارد.
دیگر اگریگیت ها ممکن است نسبتاً بزرگ و عاری از نقایص باشند و صفحات ذاتاً موازی یکدیگر باشند. در این موارد ساختار و خواص آن با کریستال ایده آل گرافیت انطباق و نزدیکی بسیارزیادی دارد.
چنین اگریگیت های بزرگی اغلب در گرافیت های پیرولیز شده یافت می شوند .
در دیگر اگریگیت ها، کریستال ها جهت گیری کاملاً تصادفی دارند. این موارد در ساختارهای بی نظم اتفاق می افتد. مثل کربن آمورف که در شکل نشان داده شده در این موارد خواص ماده ذاتاً ایزوتروپ است.

عیوب کریستالی
در هر کریستال ممکن است تعدادی عیوب یافت شود همانند آنچه در شکل 4-3 و 5-3 نشان داده شده. این عیوب می توانند شامل:
جای خالی ها، به عبارتی وقتی موقعیت های شبکه پرنشده باشند وقتی که اتم درجای خود نباشد.
نقص های چیدن وقتی که چیدمان – ABABAB – صفحات لایه ای به هم می خورد.
، وقتی که دیگر صفحه های لایه کاملاً موازی هم نباشند.
دیگر نقص ها کریستالی که باعث رشد عیوب می شود نابجایی های لبه ای و پیچی هستند وجود این عیوب می تواند تاثیر زیادی بر روی خواص ماده داشته باشد.
بنابراین در هر ماده گرافیتی اندازه، شکل، میزان انحراف از کریستال اصلی، جهت گیری عمومی این کریستال ها، همانند ویژگی های کال ماده مثل تخلخل و میزان ناخالصی ها، می تواند با ماده گرافیتی دیگر تفاوت های زیادی داشته باشد و در نتیجه باعث خواهد شد که مواد مختلف تفاوت های زیادی را از خود نشان دهند.

خواص فیزیکی گرافیت
خواص مواد گرافیتی ایده آل که وابستگی مستقیم به نامحدود بودن کریستال بزرگ گرافیت دارد.
ناهمسانگردی یا آنیزوتروپی کریستال گرانیت
ساختار ویژه کریستال گرافیت، انیزوتروپی یا همان ناهمسانگردی زیادی از خود نشان می دهد. این تفاوت وقتی که خواص در راستاهای ab (راستای صفحات) و در راستای C (عمود بر صفحات) اندازه گیری می شود، بسیار زیاد خواهد بود. این ناهمسانگردی، به خصوص در مورد خواص الکتریکی و حرارتی کاربردهای مفدی دارند خواص فیزیکی گرافیت در جدول بعد تشریح شده است. باید تاکید شود که اندازه گیری خواص مواد در دمای بیش از K 3000 کار مشکلی است. در مورد گرافیت، بسیاری از این اندازه گیری ها براساس آزمایش های قوس کربن انجام گرفته که کار دشواری است و نتایج حاصل شده هنوز مورد بحث هستند

دانسیته کریستال کامل که در جدول ارائه شد دانسیته تئوری است. اغلب مواد گرافیتی دانسیته ای کمتر از این دارند که به علت حضور نقص های ساختاری مثل تخلخل، جای خالی در شبکه و نابجایی های است.
به استثنای نیترید بور، مواد گرافیتی دانسیته ای کمتر از همه مواد دیرگداز دیگر دارند. در جدول قبل مقایسه ای بین این مواد صورت گرفته. این ویژگی به خصوص برای کاربردهای هوافضا یک مزیت خوب محسوب می شود.
ذوب، تصعید و نقطه سه گانه
نقطه ذوب مواد کریستالی مثل گرافیت، دمایی است که در آن در فشار ثابت فاز جامد و فاز مایع در تعادل یا یکدیگر باشند. اگر این فشار ثابت یک اتمسفر باشد آن را نقطه ذوب « نرمال » گویند. گرافیت نقطه ذوب نرمال ندارد زیرا در فشار یک اتمسفر گرافیت ذوب نمی شود بلکه تصعید می شود وقتی که دما به حدود K 4000 می رسد. برای مشاهده ذوب گرافیت فشار باید بیش از atm 100 و دمایی در حدود K 4200 لازم است.
نقطه سه گانه ( جایی که هر سه فاز مایع، جامد و گاز در تعادل با یکدیگرند) با تخمین های اخیر در دمای K4200 و فشاری برابر atm 100 بدست آمده است که در منحنی فشار بخار شکل 7-3 نشان داده شده است.
به علت نزدیک بودن دمای تصعید و دمای ذوب تداخل این دو متحمل است. در دماهای بالاتر از نقطه سه گانه و در فشار آرگون بالاتر از atm 100 مخلوطی از جامد و کربن مایع شناسایی شده است.
گرافیت می تواند به عنوان بالاترین دیرگداز بین تمام عنصرها مطرح شود و بعد از آن تنگستن با نقطه ذوب K3680 قرار خواهد گرفت. هر چند که کاربید هافنیوم (HfC) و کاربید تانتالیم (TaC) با نقطه ذوب های بیشتری گزارش شده اند (به ترتیب حدود K4220 و K4270) و به عنوان بالاترین دیرگدازها بین همه مواد مطرح هستند.

میزان انرژی زیاد لازم برای تبخیر گرافیت به عنوان یک مزیت خوب باعث شده تا از گرافیت برای طراحی ساختارهایی مثل نوک مخروط ها و نازل های راکت، استفاده شود.

خواص حرارتی گرافیت
خواص فیزیکی همانطور که در بخش گذشته یادآوری شد به اندازه دانه ها و جهت گیری کریستال ها در داخل دانه بستگی ندارد. در نتیجه برای تمام فرم های گرافیتی معتبر است. این خواص، بسیار به اندازه و جهت گیری کریستال ها و دیگر مولفه ها وابسته خواهد بود.

ظرفیت گرمایی مولار (گرمای ویژه) گرافیت بین j/mol.k 635/8 ـ 033/8 در دمای C25 گزارش شده است و مانند همه عناصر با دما این مقدار افزایش می یابد. طبق رابطه زیر (دما برحسب کلوین ).
گرمای ویژه به سرعت با افزایش دما، افزایش می یابد و تا بالای k 1500 ادامه می یابد و در جایی که این افزایش متوقف می شود مقدار آن Kj/Kg.k 2/2 خواهد بود که در شکل 8-3 نشان داده شده. در مورد انواع مختلف گرافیت سنتز شده مقادیر ذکر شده متفاوت نیست و پراکندگی داده ها در مقالات ممکن است به خاطر متغیرهای آزمایش ها بوده باشد. مقادیر متوسط گرمای ویژه برای بعضی عنصرها در جدول 5-3 آورده شده و همانطور که دیده می شود از اغلب مواد بیشتر است.

خواص حرارتی هدایت و انبساط، به مقدار زیادی موثر از ناهمسانگردی کریستال گرافیت است. هدایت حرارتی ( K ) سرعت انتقال حرارت توسط هدایت است. در گرافیت انتقال توسط ارتعاش شبکه انجام می شود و رابطه زیر برای آن ارائه می گردد:

در مواد پلی کریستالی موج ها (فونون به معنای کوانتوم انرژی حرارتی ) توسط مرزدانه ها ، عیوب شبکه و دیگر فونون ها پراکنده می شوند. مقدار کمی از پراکنده شدن امواج در یک شبکه کامل یا نزدیک به شبکه کامل کریستال گرافیت در درون صفحه های اصلی اتفاق می افتد. در نتیجه فاکتور L زیاد است و هدایت حرارتی در راستاهای ab زیاد است. هر چند در راستای عمود بر صفحه های اصلی (راستای c ) هدایت حدود 200 بار کمتر از هدایت در راستای ab است. این تفاوت ها در انتشار امواج در راستاهای مختلف کریستالوگرافی گرافیت در شکل 9-3 آورده شده.
هدایت حرارتی یک کریستال گرافیت به مقدار بالای W/m.k 4180 در راستاهای ab گرافیت پیرولیتی تنش گیری شده است. مقدار متوسط در همین مورد برای گرافیت پیرولیتی تجاری خیلی کمتر W/m.k 390 ~ ) است که البته باز مقدار بالایی است.
گرافیت در راستاهای ab به عنوان یک هادی حرارتی خوب با فلزات با رسانایی بالا قابل مقایسه است. همان طور که در جدول 6-3 نشان داده شد. فیبرهای گرافیتی که از ماده اولیه قیر تهیه شده، هدایت حرارتی بالایی بیش از W/m.k 1180 یعنی سه برابر آنچه مس دارد، دارا است .
هدایت حرارتی در راستای C حدود W/m.k 0/2 است و در این راستا گرافیت به عنوان یک عایق خوب ، با پلاستیک های فنولی قابل مقایسه است.
هدایت حرارتی گرافیت با افزایش دما، کاهش می یابد همانطور که در شکل نشان داده شده. در رابطه دِبی (Eq.1) k رابطه مستقیم با میانگین مسیر آزاد دارد. L برعکس ، یک رابطه معکوس با دما دارد که بستگی به افزایش انتشار ارتعاش های اتم های برانگیخته کربن دارد. در دمای بالای دمای اتاق L به عنوان یک مولفه اثرگذار مطرح می شود و اثر آن بیش از افزایش گرمای ویژه، Cp ، است.

انبساط حرارتی
فاصله های بین اتمی در گرافیت (همانند همه مواد دیگر) تابعی از دما است. در k . (C273-) این اتم ها کمترین میزان انرژی خود یا حالت پایه را دارند. (نگاه کنید فصل 2 بخش 4 ). افزایش انرژی که نتیجه افزایش دما خواهد بود باعث ارتعاش و حرکت آنها خواهد شد. به عبارت دیگر فاصله های بین اتمی افزایش می یابد که به معناس انبساط حرارتی است.
این مطلب به صورت گرافیکی در شکل نمایش داده شده است، رابطه بین فاصله اتمی و انرژی شکلی شبیه به یک درّه دارد. این شکل با تغییر استحکام پیوند، تغییر می کند. در یک جامد با پیوندهای قوی مثل گرافیت در راستاهای ab، این درّه عمیق است. وسعت ارتعاش اتم ها کوچک است و حرکت و ارتعاش اتم ها باعث افزایش طول پیوندها نمی شود. در نتیجه تغییرات ابعادی کم است. وقتی که پیوند اتم ها ضعیف باشد مثل گرافیت در راستای C، درّه انرژی کم خواهد بود و وسعت ارتعاش اتم ها بیشتر و در نتیجه تغییرات ابعادی زیاد خواهد بود پس در نتیجه انبساط حرارتی کریستال گرافیت آنیزوتروپی زیادی دارد. در راستاهای ab کم (کمتر از اغلب مواد) اما در راستای C بیشتر است. افزایش آن با دما رابطه خطی ندارد. در راستای C افزایش آن آهسته و تدریجی است. در 0C ضریب انبساط حرارتی میانگین C/6-10*25 است و در دمای C 400 به C/6-10*28 می رسد.
در راستاهای ab ، انبساط حرارتی تا دمای بالای حدود C 400 عملاً منفی است و یک مینیمم در دمای 0C وجود دارد. ممکن است این انبساط حرارتی منفی مشاهده شده که وابسته به تنش های داخلی (اثر پواسون) است، با انبساط حرارتی زیاد در راستای C رابطه داشته و به هم مرتبط باشند و حدث زده می شود اگر بتوان انبساط حرارتی راستاهای ab برای تک اتمی که در این صفحات قرار دارد، اندازه گرفت مقدار انبساط حرارتی مثبت بدست بیاید.
آنیزوتروپی زیاد در انبساط حرارتی اغلب باعث تنش هایداخلی زیاد و ایجاد مشکلات ساختار مثل ورقه ورقه شدن بین صفحه ها می شود

خواص الکتریکی گرافیت
1- مقاومت الکتریکی
در رساناهای الکتریکی مثل فلزات جاذبه بین الکترون های خارجی و هسته کم است، الکترون های خارجی می توانند به راحتی حرکت کنند و با توجه به اینکه جریان الکتریکی در حقیقت همان شارالکترون ها است. فلزات رساناهای خوبی هستند. در عایق های الکتریکی (یا دی الکتریک ها ) الکترون ها پیوند قوی با هسته دارند و برای حرکت کردن آزاد نیستند.
از نظر الکتریکی، گرافیت می تواند مثل یک شبه فلز فرض شود که صفحه های اصلی آن رسانا است و در جهت عمود بر صفحه ها می تواند به عنوان یک عایق مطرح شود. ساختار اتمی آن بگونه ای است که بالاترین باندوالانس آن که تماماً پراست بر پایین ترین باندوالانس خالی آن سرریز می شود و الکترون های والانس چهارم که موقعیت مشخصی ندارند یک باند نیمه پر را تشکیل می دهند در جایی بین صفحه های اصلی و می توانند به راحتی با یک الگوی موجی شکل به میدان های الکتریکی واکنش نشان دهند. پس مقاومت الکتریکی گرافیت موازی صفحه های اصلی (راستاهای ab ) کم است و ماده به عنوان یک رسانای خوب مطرح است. در راستای C فاصله بین صفحه ها زیاد است و مکانیزمی برای حرکت الکترون ها از صفحه ای به صفحه دیگر وجود ندارد، به عبارتی عمود بر صفحه های اصلی مقاومت الکتریکی بالا است و ماده به عنوان یک عایق الکتریکی مطرح است. در برخی موارد ممکن است 000/10 بار بیش از آنچه که در راستاهای ab وجود دارد، باشد. مقدار مقاومت 6-10*3000 ohm.m و 6-10*0/5-5/2 ohm.m در راستاهای ab خواهد بود .
خواص الکتریکی گرافیت
2- مقاومت و دمـا
مقاومت الکتریکی کریستال گرافیت در راستاهای ab با افزایش دما، افزایش می یابد در مورد فلزات هم اینگونه است. این افزایش نتیجه کاهش میانگین مسیر آزاد الکترون ، با مکانیزمی شبیه افزایش هدایت حرارتی خواهد بود.
مقاومت الکتریکی در راستای C ، هر چند با افزایش دما، اندکی کاهش می یابد که این ممکن است به خاطر آن باشد که الکترون ها می توانند پرش کنند و یا تونل بزنند از یک صفحه به صفحه ای دیگر.

خواص مکانیکی گرافیت
پیوند بین اتم ها در درون صفحه اصلی به طور قابل ملاحظه ای بیشتر است از پیوند بین صفحه ها و نسبت آنیزوتروپی آن حدود 75 می باشد. به معنای دیگر استحکام در راستاهای ab زیاد است و در راستای C (استحکام بین لایه ای ) پایین است و گرافیت می تواند به راحتی لغزش کند در بین صفحه های اصلی. ثابت های الاستیک عبارتند از:
(راستای a ) GPa 1060 = C11
(راستای c ) GPa 5/36 = C33
(موازی صفحه ها ) GPa 5/4 = C44
مدول الاستیسیته یانگ کریستال به چند ترتیب با راستا تغییر می کند. شکل آن که تابعی از زاویه بین راستای c و راستای اندازه گیری است. در شکل بعد آورده شده است.
این مقادیر مربوط به کریستال ایده آل گرافیت است. خواص مکانیکی مواد واقعی مثل مواد گرافیتی ریختگی و گرافیت های پیرولیتی با موادی که میزان تخلخل، عیوب ساختاری و جهت گیری کریستال های آنها کنترل می شود، اختلاف زیادی دارند. نتیجه اینکه اختلاف زیاد در خواص وابسته به نوع گرافیت و فرآیند آن است.

خواص شیمیایی
1-7- مطالب عمومی
گرافیت خالص یکی از مواد شیمیایی خنثی است. به اغلب اسیدها، قلیاها و گازهای خورنده مقاوم است. به هر حال ناخالصی ها همیشه با مقادیر مختلف در گرافیت طبیعی و مصنوعی وجود دارند و نقش کاتالیزوری مهمی به عهده دارند که باعث می شود فعالیت شیمیایی افزایش یابد.
آنیزوتروپی کریستال گرافیت در رفتار شیمیایی آن نیز دیده می شود. واکنش بین گازها و بخارها ترجیحاً در مناطق فعال صورت می گیرد یعنی در پایان صفحه های اصلی کریستال که وجوه زیگزاگ }101 { و وجوه دسته صندلی }112 { که در شکل 14-3 نشان داده شده به علاوه محل هایی که عیوب مثل نابجایی ها، جای خالی ها و پله ها وجود دارند، صورت می گیرد. واکنش با سطح صفحه های اصلی بسیار آهسته تر است. دلیل آنست که سطح انرژی در راستاهای مختلف کریستالوگرافی آن بسیار متفاوت است. این انرژی در صفحه منشوری J/m2 5 و برای صفحه اصلی فقط J/m2 11/0 است.
پس سرعت واکنش در صفحه اصلی پایین و در لبه (یا منشور) سطوح زیاد است. پس نتیجه می گیریم که مواد گرافیتی با کریستال های بزرگ و عیوب کم بهترین مقاومت شیمیایی را دارند .
واکنش پذیری همچنین متاثر از میزان تخلخل نیز هست. به صورت که تخلخل زیاد باعث می شود میزان سطح افزایش یابد و واکنش پذیری زیاد شود. اختلاف بین فرم های مختلف گرافیت زیاد است. به عبارتی موادی که سطح بیشتری دارند مثل کربن فعال شده، خیلی واکنش پذیرتر از مواد متراکم و بدون تخلخل و یا با تخلخل های بسته مثل کربن شیشه ای، دارند. به طور کلی با افزایش دما، واکنش پذیری افزایش می یابد و در دمای بالا گرافیت فعال تر می شود. به عنوان مثال در بالای C450 به راحتی توسط آب، اکسیژن و برخی اکسیدها و دیگر مواد اکسید می شود.

واکنش با اکسیژن و هیدروژن
یک استثنای مهم برای مقاومت شیمیایی عالی گرافیت، مقاومت ضعیف آن در برابر عناصر گروه 71 (اکسیژن، گوگرد، سلنیم و تلوریوم) است. به خصوص اکسیژن و ترکیبات اکسیژن. اکسیداسیون در هوا در دمای بین C 400 ـ C 350 آغاز می شود. این اکسید شدن در دمای پایین با رفتار دیگر مواد دیرگداز در تضاد است: اکسیدها، به عنوان مثال، do not oxidize و برخی کاربیدها تشکیل یک فیلم محافظ اکسیدی را می دهند که اکسیداسیون را به تاخیر می اندازد. ولی اکسیدهای تشکیل شده ازگرافیت، گازی هستند (Co , CO2) واز سطح محافظت نخواهند کرد.
واکنش در موقعیت های مرجح انجام می گردد و در طول وجوه زیگزاگ کریستال اکسیداسیون بیشتر از اکسیداسیون در طول وجوه دسته صندلی است.
اکسیداسیون با افزایش میزان گرافیته شدن و بزرگ شدن اندازه کریستال ها می تواند کنترل شود ( در نتیجه کاهش موقعیت های فعال).
گرافیت دردمای معمولی با هیدروژن واکنش نمی دهد ولی در دمای C 1500 ـ 1000 متان تشکیل می دهد (CH4). واکنش درحضور کاتالیزور پلاتین تسریع می شود. با کاتالیزور نیکل واکنش در دمای حدود C 500 انجام می شود.

واکنش با فلزات
گرافیت با فلزاتی که به راحتی کاربید تشکیل می دهند مثل فلزات گروه 7 و 17 ، واکنش می دهند. این کاربیدها به عنوان کاربیدهای سخت نشاخته می شوند.این مواد شامل کاربیدهای تنگستن، مولیبدن، تیتانیوم، وانادیم و تانتالیم هستند.
گرافیت با آهن واکنش می دهد و کاربید آهن، Fe3C ، را تشکیل می دهد و این اتفاق معمولاً با حل شدن کربن در مذاب آهن اتفاق می افتد. کاربید آهن می تواند توسط واکنش اب گازهای حاوی کربن نیز اتفاق بیفتد. این واکنش به عنوان ریخته گری سختی شناخته می شود.
سرعت واکنش گرافیت با فلزات گرانبها، آلومینیوم وترکیبات نیمه های7ـ111و71ـ11 کم است و گرافیت می تواند به عنوان بوته برای ذوب این فلزات استفاده شود.
گرافیت به سرعت با فلزات قلیائی، پتاسیم ، کلسیم، استرانسیم و باریم واکنش می دهد. اتم بعضی از این فلزات، به خصوص پتاسیم می تواند به سرعت بین صفحه های اصلی کریستال گرافیت نفوذ کند و این نفوذ به حالت بین نشین ( با ترکیبات لایه ای) است که باعث می شود خواص مفیدی ایجاد شود .
واکنش با هالوژن ها، اسیدها و قلیاها
مثل فلزات قلیائی، برخی هالوژن ها به خصوص فلوئور تشکیل ترکیبات واکنش هایی با کریستال گرافیت می دهد. واکنش معمولاً در دمای C600 آغاز می شود. هر چند گرافیت با کلر در دمایی زیر دمای قوس الکتریکی واکنش نخواهد داد.
اسیدهای اکسید کننده بستگی به طبیعت ومیزان سطح ماده گرافیت، با آن واکنش می دهند. مثلاً در مورد اسیدنیتریک به صورت زیر است:
C + 4HNO3  2H2O + 4NO2 + CO2
بسته به حالت واکنش محصولات دیگری نیز مثل اکسید گرافیت (C7H2O4) ، اسید متالیک (C6(CO2H)6) واسیدهیدروسیانیک (HCN) ممکن است تشکیل شود.
اسید اکسید کننده دیگری که گرافیت را تخریب می کند اسیدسولفوریک در حال جوش است. به طور ساده واکنش ها به صورت زیر انجام می شود:
C + 2H2SO4  CO2 + 2H2O + 2SO2
محصولات دیگری از انجام این واکنش ها می تواند بدست آید مثل اسیدبنزوئیک (C6(H5CO2H) و اسید متالیک (C6(CO2H)6).
اسید هیدروفلوئوریک ( HF ) و هیدروکسیدهای قلیائی معمولاً با گرافیت واکنش نمی دهند.

کربناسیون و گرافیتاسیون
Carbonization and graphitization

کربن و گرافیت سنتز شده به شش گروه اصلی طبقه بندی می شود:
1- کربن و گرافیت ریختگی
2- کربن زجاجی (شیشه ای)
3- کربن و گرافیت پیرولیتی
4- فیبرهای کربن
5- کامپوزیت های کربن و کربن ـ کربن ها
6- ذرات و پودرهای کربنی و گرافیتی
یک ویژگی کلی مواد کربنی و گرافیتی آن است که همه آنها از مواد اولیه آلی تهیه می شوند.
1- گرافیت ریختگی از Petroleum Coke و Coal – Tar
2- گرافیت پیرولیتی از متان و دیگر هیدروکربن های گازی
3- کربن زجاجی و فیبرها از پلیمرها
4- کربن سیاه از گاز طبیعی
این مواد اولیه آلی باید کربونیزه و گرافیته شوند تا کربن و گرافیت تشکیل شود. پدیده مهم و پیچیده آن است که ، به استثنای گرافیت پیرولیتی که تماماً با فرآیند متفاوتِ رسوب نشانی از فاز بخار تولید می شود سایر محصولات به دو شکل اصلی تولید می شوند. این دو پدیده یعنی کربونیزاسیون و گرافیته کردن موضوعات اصلی مورد بحث در این فصل خواهند بود.

فرآیند کربونیزاسیون (پیرولیز) :
فرآیند کربونیزاسیون که به عنوان پیرولیز آن را می شناسیم فرآیندی است که در آن ماده اولیه آلی به ماده ای که تماماً کربن است، تبدیل می شود. مکانیزم کربونیزاسیون در ادامه تشریح می شود.
چرخه کربونیزاسیون :
کربونیزاسیون در حقیقت یک چرخه حرارت دهی است. ماده اولیه آهسته حرارت داده می شود این کار در یک محیط خنثی یا احیا کننده صورت می گیرد. سپس طبیعت خاص ماده اولیه تغییر می کند. مواد اولیه تا C1300 حرارت داده می شوند. در نهایت مواد آلی به کربن و مواد فرارّی که در اتمسفر منتشر می شوند، تجزیه می شود. فرآیند پیچیده است و واکنش های متعددی مثل هیدروژن زدایی، متراکم شدن و ایزومری شدن ، ممکن است در یک لحظه با هم در حال انجام باشند.
مقدار کربن باقی مانده تابعی از طبیعت ماده اولیه و دمای پیرولیز است.
خروج ترکیبات فرار به اتمسفر یک مرحله حساس است و باید به آهستگی اتفاق بیفتد تا از گسیختن و شکستن شبکه کربن جلوگیری شود. مدت زمان آن ممکن است بسته به:
1-ترکیب محصول نهایی
2- نوع ماده اولیه
3-ضخامت ماده
و دیگر مولفه ها، زیاد باشد.
برخی چرخه های کربونیزاسیون مثل آنها که برای تولید الکترودهای بزرگ و یا برخی اجزا
کربن ـ کربن استفاده می شود ممکن است چندین هفته طول بکشد.
برای سایر قطعات البته زمان خیلی کمتری طول می کشد مثل چرخه کربونیزاسیون برای تولید فیبرهای کربن که این فیبرها مقطع کوچکی دارند و سیر نفوذ در آنها کوتاه است زمان کمی را نیاز دارد.

ویژگی های مواد کربونیزه شده :
بعد از کربونیزاسیون آنچه که باقی می ماند، کربن است. به هر حال ساختار آن کمی نظم گرافیتی دارد و دانه های آن شامل کریستال های کوچک است. در این مقدار کم گرافیت، مقدار موازی بودن لایه ها متفاوت است و معمولاً عیوب در آن وجود دارد. جهت گیری کریستال ها معمولاً تصادفی است.
مواد کربونیزه شده اغلب « آمورف » یا « کربن پخته شده » نامیده می شوند.
مشخصات شامل:
1- نظم بلند دامنه ندارند
2- انحراف آنها از فواصل بین اتمی، اتم های کربن ( از کریستال گرافیت کامل) بیش از %5 است چه در صفحه اصلی (راستاهای ab) و چه در بین صفحه ها (راستای C).
این موضوع توسط تفرق اشعه X تایید شده است.
مشخصات کربن آمورف:
1-کربن آمورف سخت است
2-مقاومت سایشی دارد
3-ترد است
4-هدایت حرارتی و الکتریکی پایین دارد.
در برخی موارد این ویژگی ها مطلوب هستند و کربن آمورف مصارفی مثل محل های تماس، پانتوگراف ها و جمع کننده های جریان دارند.
در بسیاری موارد، کربن آمورف تنها یک مرحله میانی برای تولید محصولات سنتز شده است.

مواد اولیه و کربن حاصل
کربن حاصل به عنوان نسبتی از وزن کربن باقی مانده بعد از کربونیزاسیون به وزن ماده اولیه پیش از کربونیزاسیون تعریف می کنیم.
مقدار این کربن استحصالی به عواملی نظیر:
1-سرعت حرارت دهی
2-ترکیبات اتمسفر
3- فشار اتمسفر پخت
و دیگر مولفه ها وابسته اند
اثر فشار بر کربن حاصل و ساختار
طبیعت و طول چرخه کربونیزاسیسون مولفه مهمی در کنترل کربن حاصل است. برای مثال اثر فشار گاز زیاد است شکل مقابل اثر فشار را بر محصول سه نوع قیر با نقاط نرم شدن متفاوت را نشان می دهد.
فشار همچنین می تواند ساختار را بهینه کند و ویژگی های محصول گرافیته شده را تغییر می دهد.
در بعضی موارد فشار می تواند مقدار کربن استحصالی را تا دوبرابر افزایش دهد.

مکانیزم کربونیزاسیون هیدروکربن های آروماتیک
مواد اولیه گرافیت به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:
(الف) هیدروکربن های آروماتیک
(ب) پلیمرها ، که هر یک ویژگی های کربونیزاسیون مختلفی دارند.
ساختار هیدروکربن های آروماتیک
اصطلاح هیدروکربن برای ترکیبات آلی که فقط شامل کربن و هیدروژن می شوند، به کار می رود. آروماتیک ها، هیدروکربن های به خصوصی هستند که حداقل یک حلقه بنزن داشته باشند. آروماتیک ها یک ساختار گرافیت مانند دارند
ساختار بنزن در شکل مقابل نشان داده شده است.
برخی از مهم ترین آروماتیک ها در زیر آورده شدند:
الف)آنتراسین(Anthracene)
1- آنتراسیون خطی است
2-مولکولی با سه حلقه بنزن.
3-در اتوکلاو در حدود C450 شروع به از دست دادن اتم های هیدروژن از موقعیت های 9 و 10 می کند. رادیکال آزاد شکل می گیرد و به تدریج متراکم می شود تا یک مولکول بزرگ را تشکیل دهد و نهایتاً کک شکل می گیرد.

پنانترین(Phenantherene)
1- پنانترین یک ایزومر شاخه دار از آنتراسین است. به شکلی شبیه به آنتراسین به زغال تبدیل می شود ولی با کربن حاصل کمتر.
بیفنیل(Biphenyl)
بیفنیل دو حلقه بنزن دارد که با یک پیوند کربن ـ کربن به هم متصل هستند و به زغال کربونیزه می شود.
مزوفاز[1] :
مکانیزم عمومی کربونیزاسیون هیدروکربن های پلیمری نسبتاً ساده است. در حقیقت هیدروکربن ها شروع به گسیختن پیوندهای کربن ـ هیدروژن کرده و هیدروژن خارج می شود.برخی از هیدروکربنها یک مرحله مایع میانی و یا پلاستیک را در دمای بالاتر از 400 تجربه می کنند. این مرحله یا گام « مزوفاز » نامیده می شود .
در طول این مرحله ذوبی، متراکم شدن صورت می گیرد و مولکول های بزرگ پلی آروماتیک با وزن مولکولی میانگین 1000 ، تشکیل می شوند. در این چرخه های متوالی کریستال های مایع گویچه ای، بتدریج اندازه شان افزایش می یابد و یک جاذب مناسب دو سره واندروالس می سازند و پیش کک[2] یا « کک های سبز[3]» را تشکیل می دهند. کک های سبز هنوز حدود %20 – 6 مواد فرار را در دمای C 600 در خود نگه داشته اند که با افزایش دما بتدریج این مواد فرار از ماده خارج می شوند.
قیرهای مزوفاز با ساختاری با جهت گیری بالای ساختاری، خلوص بالا، ویسکوزیته کم و میزان کربن حاصل بالا، مواد اولیه ای مناسب برای تولید فیبرهای کربن بر پایه قیر هستند
[1] – Mesophase
[2] – Pre – coke
[3] – Grreen Cokes

مکانیزم کربونیزاسیون:

مکانیزم کربونیزاسیون هیدروکربن های پلی آروماتیک ( PAH ) [1] شامل مراحل زیر است:
1- دو PAH به یک مولکول هیدروآروماتیک و یک مولکول رادیکال آزاد تبدیل می شوند.
2-مولکول رادیکال آزاد متراکم می شود و آروماتیک ها با وزن مولکولی بزرگ تر را تشکیل می دهد.
3- مولکول های هیدروآروماتیک شکافته می شوند تا مایع و فاز گاز تشکیل دهند
قطران و قیر نفتی[2] یک ترکیبی پیچیده از مخلوط های PAH هستند و به صورت گسترده در صنعت تولید گرافیت های قالب گیری شده استفاده می شوند.
قطران:
1- جامدی است که بعد از تقطیر زغال سنگ باقی خواهد ماند. ترکیب آن شامل هیدروکربن هتروسایلیک[3] و اروماتیک است. ترکیب آنها بسته به طبیعت Coal – tar تغییر می کند.
2-یک جامد در دمای اتاق است و نقطه نرم شدن آن یک محدوده وسیع (بالای C 150) است و نقطه ذوب دقیقاً مشخصی ندارد. میزان کربن حاصل کاملاً ثابت نیست و با تغییر ترکیب متفاوت است.

[1] – Polyaromatic hydrocarbones
[2] – Petroleum Pitch
[3] – Heterocylic

قیر نفتی
1- قیر نفتی ماده باقی مانده از تقطیر مشتقات نفت خام است.
2- مثل قطران ترکیبات مختلفی دارد که شامل اغلب آروماتیک و هیدروکربن های آروماتیکی آلکیل جانشین شده، است.
3- در دمای اتاق جامد است
4- نقطه نرم شدن آن یک محدوده وسیع است و نقطه ذوب دقیقاً مشخصی ندارد.
5-تشکیل مزوفاز آن بستگی به اجزای تشکیل دهنده آن و مشتقات آسفالتین دارد.
Coal – tar و قیرهای نفتی در طول سردکردن کریستاله نمی شوند و می توانند به عنوان مایع های فوق سرد[1] مطرح شوند.
[1] – Super Cooled
تک هیدروکربن هایی که به عنوان ماده اولیه مطرح هستند عبارتند از:
1- آنتراسین
2-فنانترین
3- نفتالین
مورد آخری به عنوان ماده اولیه برای تولید فیبرهای کربن استفاده می شود.
از بازیابی و تقطیر Coal-tar در دمای بین C 230-170 نفتالین و بیش از C 270 آنتراسین و فنانترین، حاصل می شود.
دیگر مشتقات Coal – tar عبارتند از بیفنیل و تروکسین .
این محصولات می توانند به تنهایی یا همراه سایرافزودنی های محلول و دیگر مواد به منظور بهینه سازی خواص گرافیته شدن و کربونیزه شدن آنها استفاده شوند.

کربونیزاسیون پلیمرها
پلیمرها مواد آلی با مولکول های بزرگ هستند که از تکرار تعداد زیادی واحد به نام « مر » تشکیل شده اند. پلیمرهای اصلی برای تولید گرافیت سنتز شده و ساختار شیمیایی آنها در 1سلاید بعد ذکر شده اند.
پلیمرها میزان کربن حاصل کمتری نسبت به هیدروکربن های آروماتیک دارند چون آنها به علاوه هیدروژن و کربن شامل عناصر با وزن مولکولی بیشتری مثل نیتروژن، اکسیژن و کلر نیز هستند. این عناصر باید خارج شوند. مکانیزم کربونیزاسیون پلیمرها معمولاً پیچیده تر از هیدروکربن های آروماتیک است زیرا ترکیب آنها پیچیده تر است. کربن حاصل در بسیاری از موارد مشخص نیست.
در پلیمرهای خطی ( که غیر آروماتیکی هستند) مثل پلی اتیلن و پلی استایرن، زنجیره. پلیمری شکسته می شود و به صورت افزایشی به مولکول های کوچک تر تبدیل می شود که در نهایت گازی می شوند. در نتیجه این مواد میزان کربن حاصل کمی دارند و به عنوان ماده اولیه نمی توان آنها را در نظر گرفت. در حقیقت گازی شدن در اغلب موارد کامل می شود و عملاً کربنی برجا نمی ماند.
دیگر پلی مرها مثل پلی اکریلونیتریل (PAN)، فورفوریل الکل و فنولیک ها، کروزن وزن مولکولی بالا دارند و آروماتیزه شدن (یعنی با چند حلقه بنزن) آنها بیشتر است، کربن حاصل آنها بیشتر است. در طول کربونیزاسیون زنجرهای پلیمری شکسته نمی شوند و مثل هیدروکربن های آروماتیک یک مرحله پلاستیکی یا مایع را نمی پیمایند. یک استثنا پلی وینیل کلراید ( PVC ) است که شبیه به یک هیدروکربن آروماتیک کربونیزه می شود.

تفرق اشعه X از مواد گرافیتی
تفرق اشعه X یک تکنیک آنالیزی مفید برای تشخیص تغییرات ساختاری که در طول گرافیته شدن اتفاق می افتد است.
مثل همه مواد کریستالی با یک الگوی تفرق دندانه دندانه، تک کریستال گرافیت نیز چنین وضعی دارد. این الگو به صورت شماتیک در اسلاید بعد نشان داده شده است. مشخصه کریستال آن از پیک های 002 ، 004 و 101 مشخص می شود.
اندازه کریستال توسط اشعه X از پهنای خط (110 ) و ( 002 ) محاسبه می شود. این مقادیر بدست آمده اندازه واقعی کریستال نمی باشد ولی یک میزان نسبی مفید برای تعیین درجه گرافیته شدن به ما خواهد داد. فاصله بین صفحه ای هم توسط تفرق اشعه X بدست می آید که معیار دیگری برای میزان گرافیته شدن خواهد داد.

کک و زغال
گرافیته شدن را می توان تغییر حالتی از مواد گرافیتی بی نظم (به معنی کربن) به یک ساختار گرافیتی منظم شده، در نظر گرفته می شود. این اتفاق در طول عملیات حرارتی در دمایی بیش از C 2500 اتفاق می افتد. این تغییر ساختار، با یک افزایش زیاد در هدایت حرارتی و الکتریکی ماده، افزایش دانسیته تک کریستال گرافیت و کاهش در سختی که ماشین کاری را آسان می کند، همراه خواهد بود. میزان گرافیته شدن مواد اولیه کربنی بسته به آنکه از کک یا زغال تشکیل شود، بسیار متفاوت است.
گرافیته شدن هیدروکربن های کک ساز
کک ها توسط کربونیزاسیون اغلب هیدروکربن های آروماتیک و برخی پلیمرها تشکیل می شوند و به آسانی به ساختار گرافیتی با نظم زیاد، تبدیل می شوند.
هیدروکربن های آروماتیک کک ساز مانند نفتالین، آنتراسین و اسنفتالین یک ساختار خطی دارند. شکل این ساختارها و تشکیل یک مزوفاز دو عامل اصلی در تبدیل آسان ساختارهای بی نظم به یک ساختار منظم است.

[1] – Aliphatic
[2] – Hydro gent Aromatic
قطران مخلوطی ازاین هیدروکربن های آروماتیک کک ساز است. همان طورکه انتظار داریم به آسانی گرافیته می شود و میزان گرافیته شدن آن تابعی از نسبت هیدروژن آروماتیک به هیدروژن آلیفاتیک[1] است.
نسبت آروماتیکی هیدروژن[2] در قطران که نسبت اتم های هیدروژن آروماتیک به کل اتم های هیدروژن است بین 9/0ـ 3/0 تغییر می کند. هرچه این نسبت بیشتر باشد قابلیت گرافیته شدن بیشتر است.
برخی ترکیبات آروماتیک به جای کک، زغال می سازند.
[1] – Aliphatic
[2] – Hydrogen Aromatic

مکانیزم گرافیته شدن کک ها
گرافیته شدن در چند مرحله اتفاق می افتد.
1-گرافیتاسیون با افزایش درجه حرارت از دمای کربونیزاسیون یعنی C 1200 آغاز می شود هیدروژن، گوگرد و دیگر عناصر که ممکن است بعد از کربونیزاسیون باقی بمانند، از ماده خارج می شود و زمانی که دما به C 2000 می رسد دیگر هیچ مقداری از این مواد باقی نمی مانند.
2- در بالای دمای C 1800 تبدیل ساختار نامنظم به ساختار گرافیتی ، در ابتدا آهسته شروع می شود و زمانی که دما از C 2200 می گذرد این تبدیل سرعت می گیرد. گرافیته شدن تدریجی ساختار به راحتی با تفرق اشعه X تایید می شود .
اندازه کریستال (LC) از حدود nm 5 برای کریستال های بی نظم شروع به افزایش می کند و بهnm 100 یا بیشتر می رسد. در همین زمان فاصل بین لایه ای (d) از nm344/0 کاهش و به حداقل nm 335/0 می رسد، که فاصله بین صفحه ای کریستال گرافیت است.
علاوه افزایش LC و کاهش d مکانیزم گرافیته شدن شامل مراحل زیر است:
(الف) خروج اکثر عیوب در درون لایه های گرافیت.
(ب) جابجایی تدریجی و رشد کریستال ها
(ج) حذف باندهای Cross – linking ،
(د) شکل گیری تدریجی لایه های ABAB ـ
( هـ ) تغییر حلقه های کربن یا جابجایی اتم های کربن برای پرکردن لایه والانس و حذف کردن نابجایی ها.
گرافیته شدن با کاهش وزن همراه است که این کاهش وزن به خروج شیمیایی از بین لایه ها نسبت داده می شود
اکثر موادی که قابلیت گرافیته شدن را دارند (کک ها) نیاز به دمایی حدود C 3000 دارند تا به گرافیته شدن کامل و کمترین فاصله بین لایه ای، برسند.
در دمای C 3000 گرافیته شدن کامل معمولاً در حدود 2 تا 3 ساعت به طول می انجامد. در دماهای کمتر مطمئناً نیاز به زمان بیشتری می باشد.

فرآیند گرافیته شدن با حضور یک کاتالیزور فلزی و یا یک گاز اکسید کننده می تواند تسریع شود.
در مورد تاثیر گاز اکسید کننده، موانعی که برای منظم شدن لایه ها وجود دارد مانند مناطق با نقص ساختاری و یا باندهای Cross – link به طور ترجیحی اکسید می شوند.
با اعمال فشار می توان گرافیته شدن را افزایش داد. در یک دمای ثابت با افزایش فشار، میزان گرافیته شدن بیشتر خواهد شد. اعمال فشار باعث کاهش دمای عملیات حرارتی و یا کاهش زمان عملیات حرارتی می شود.
مقدار انرژی فعال سازی فرآیند گرافیتاسیون حدود Kj/mol 60 962 گزارش شده است.

گرافیته شدن آروماتیک ها:
همان طور که شرح داده شد همه آروماتیک ها تشکیل کک نمی دهند. برخی مثل فنافترین و بیفنیل گرافیته نمی شوند و به عنوان زغال سازها مطرح هستند. این ترکیبات آروماتیک های شاخه ای هستند (که در مقابل ساختار خطی آروماتیک های کک ساز قرار می گیرند) با محورهای مرجح رشد تشکیل شده اند. این ویژگی از تشکیل صفحه های گرافیتی گسترده و نامحدود و مزوفاز مایع جلوگیری می کند.

گرافیته شدن آلیفاتیک ها
زغال ها از کربونیزاسیون هیدروکربن های آلیفاتیک (با زنجیرهایی که در انتها باز هستند) و اکثر پلیمرها ساخته می شود. آنها به سادگی گرافیته نمی شوند. ساختار بدون نظم آنها و جهت گیری تصادفی کریستال های آنها عملاً بدون تغییر باقی می مانند بدون توجه به دما و زمان عملیات حرارتی، هر چند در برخی موارد می تواند با یک عملیات پرتودهی و یا با حضور کاتالیزورهای فلزی یا معدنی گرافیته شدن را افزایش داد. فرآیند کاتالیزه کردن شامل تجزیه ذرات کربن در محل کاتالیزورها و رسوب گرافیت می باشد.
گرافیته کردن پلیمرها
همان طور که در بالا توضیح داده شد اکثر پلیمرها زغال ساز هستند و گرافیته نمی شوند (البته به استثنای پلی وینیل کلراید (PVC) ) هر چند مشاهده می شود که فاصله های بین لایه ای کاهش می یابد. این فاصله (d) برای اکثر پلیمرها از nm344/0 کمتر نمی شود. درشکل بعد تغییرات فاصله صفحه ها[3] برای پلی اکریلونیتریل ( PAN ) کربونیزه شده به عنوان تابعی از دمای گرافیته شدن ترسیم شده است. اندازه کریستال ( LC ) کوچک باقی می ماند و از nm 5/1 ~ به nm 8/2 ~ می رسند. فیبرهای پایه قیری به عبارتی کک ها به راحتی گرافیته می شوند.
[1] – Extensive – random network of graphitic ribbons
[2] – Montmorillonite [3] – d – spacing
یک شبکه گسترده ـ تصادفی[1] از نوار های گرافیتی در طول گرافیته شدن PAN شکل می گیرد که شکلی پایدار دارد. به علاوه تصور می شود برخی پیوندهای چهار وجهی (SP3) (الماس) شکل می گیرد (که می تواند دلیل سخت شدن این مواد باشد). حضور ساختار الماس در یک ماده مشابه مثل کربن شبه الماسی ثابت گردیده است (DLC).
این دو مولفه، شبکه باریک و پیوندهای چهاروجهی، بعداً از منظم شدن ساختار و ایجاد ساختار گرافیتی، بدون توجه به دمای گرافیته شدن ، جلوگیری می کند.
[1] – Extensive – random network of graphitic ribbons

گرافیت های قالب گیری شده

Molded graphite
گرافیت قالبگیری شده یک محصول سنتز شده ( یا مصنوعی) است که آن را از متراکم کردن مخلوطی حاوی کربن و چسب آلی[1] بدست آورده و سپس آنرا کربونیزه یا گرافیته می کنند. از این روش قطعه هایی با وزن و ابعاد بزرگ در حد چند صد کیلوگرم بدست می آید. مثل الکترودها که در شکل بعد نمایش داده شده است.
اصول و مبانی این فرآیند توسط ای. جی. آچسون اختراع شد که برای اولین بار گرافیت را در سال 1896 قالبگیری کرد. کاربرد اصلی آن برای الکترودها در کوره های قوس الکتریکی و در پروژکتورها بود. از آن پس کاربرد گرافیت قالبگیری شده رشد روز افزون یافته است.
بدست آوردن جزئیات خاص این فرآیند کار سختی است به خصوص که در این زمینه اطلاعات اندکی منتشر شده است. جزئیات فرآیند توسط تولید کنندگان پنهان می شود و آنها ادعا می کنند که به علت هزینه های بالای تولید و رقابت شدید در بازار این پنهان کاری لازم و ضروری است.
[1] – Organic binder
انتخاب ماده خام:
انتخاب مواد خام (مواد اولیه) اولین مرحله و گامی مهم در فرآیند تولید است. در حقیقت قیمت و خواص محصول نهایی است که مشخص می کند از چه ماده خامی باید استفاده شود. در انتخاب ماده اولیه باید به اندازه ذرات، میزان خاکستر کک ها، درجه کربونیزه شدن قیر، ساختار ذرات دوده، ناخالصی ها و اندازه ذرات گرافیت طبیعی باید دقت کرد.
به عنوان مثال وقتی یک آند زمینی برای حفاظت های الکترولیتی را طراحی می کنیم، استفاده از مواد خام گران و با کیفیت بالا کاری بسیار اشتباه و از نظر اقتصادی مردود است زیرا در این مورد نیاز به خواص ویژه ای نداریم ولی در کاربردهای هسته ای که نیاز به گرافیتی با کمترین میزان ناخالصی و بیشترین خواص مکانیکی داریم باید از مواد خام مرغوب و با کیفیت عالی استفاده کنیم. این خود مستلزم صرف هزینه است.

مواد خام به چهار دسته اصلی تقسیم می شوند:
1- پرکننده ها
2- اتصال دهنده ها[1]
3- تلقیح کننده ها[2]
4-افزودنی ها
[1] – Binder
[2] – Impregnates
پرکننده ها :
پرکننده معمولاً از مواد کربنی ای انتخاب می شود که به راحتی گرافیته شود. همان طور که قبلا توضیح داده شد چنین موادی اغلب کک ها هستند که در صنعت آنها را به عنوان «پرکننده های نرم» می شناسند و در دمای بالای C2700 به راحتی گرافیته می باشند
دیگر پرکننده های مهم گرافیت های سنتز شده ای هستند که از الکترودهای بازیابی شده[1]، گرافیت طبیعی و کربن سیاه بدست می آید.
Petroleum coke برای اکثر کاربردها به عنوان پرکننده انتخاب می شود. این ماده یکی از محصولات فرعی صنعت نفت خام است و در دمای اتاق یک جامد کربنی خالص است. می توان با تغییر دادن مولفه های فرآیند و تغییر مبنع نفت خام مورد استفاده، انوع پرکننده های Petroleum – Coke را بدست آورد. در صنعت سه دسته از این مواد به طور متداول استفاده می شود:
[1] – Recycled electrodes
1-کک سوزنی، یک ماده با کیفیت بالا و با ذرات سوزنی شکل که در کاربردهایی که نیاز به مقاومت به شوک حرارتی بالا و مقاومت الکتریکی کم است، مورد استفاده قرار می گیرد.
2-کک آند برای Less Demanding Applications .
3- کک ایزوتروپ در جاهایی که نیاز به خواص ایزوتروپی و ساختار دانه ریز داریم.

اتصال دهنده ها:
شناخته شده ترین بایندر یا اتصال دهنده قیر زغال سنگی[1] است که ماده ای سخت، ترد و شیشه ای است. این ماده یکی از محصولات فرعی در تولید کک متالوژیکی[2] است، این ماده از تصعید یا عملیات حرارتی قطران[3] بدست می آید.
ترکیب قیر زغال سنگی پیچیده است. دو مولفه مهمی که بر کیفیت گرافیته شدن قیر اثر می گذارد عبارت است از:
(الف) نقطه نرم شدن،
(ب) میزان کوئینولین (C9H7N) غیر قابل حل. که این مقدار از قیری به قیر دیگر بسیار متفاوت است
دیگر اتصال دهنده ها مثل قیرهای نفتی و رزین های ترموست برای موارد خاص به کار می روند
[1] – Coal – tar pitch
[2] – Metallurgical – Coke
[3] – Coal – tar
فرآیند تولید
در شکل مقابل مراحل تولید گرافیت قالبگیری شده، نشان داده شده است.
خرد کردن و به اندازه رساندن:
پرکننده ها و اتصال دهنده ها باید آسیاب شوند تا اندازه ذرات به اندازه مورد نظر برسد. اندازه آنها ممکن است از m 1 ( گرد ) تا ‍Cm 25/1 باشد.
برای آنکه به دانسیته بالاتر و فشردگی بهتر برسیم معمولاً از ذراتی با چند اندازه مختلف استفاده می کنیم. جدول اسلاید بعد اندازه دانه های انواع گرافیت قالبگیری شده و تاثیر آنها بر خواص محصول ذکر شده است.

در جدول زیر تاثیر اندازه دانه های انواع گرافیت قالبگیری شده و تاثیر آنها بر خواص محصول را ذکر شده است.

مخلوط سازی :
پرکننده ها و اتصال دهنده ها به نسبت دقیق توزین شده و با مخلوط کننده های بزرگ به هم آمیخته می شوند تا به صورت یکنواخت و همگن درآیند.
در این حالت هر ذره توسط اتصال دهنده ها پوشیده می شود.
مخلوط کردن در دمای C 170 ـ 160 انجام می شود البته ممکن است دما به C 315 نیز برسد.
اگر مخلوط سازی در دمای پایین انجام شود (دمایی که در آن اتصال دهنده ها هنوز جامد هستند) برای انتشار و مخلوط سازی بهتر محلول های فراری مثل استون یا الکل به مخلوط اضافه می شود.
خواص محصول نهایی توسط مولفه های این مخلوط خمیری شکل کنترل می شود یعنی:
(الف) پارامتر دما
(ب) رفتار رئولوژیکی این خمیر
(ج) واکنش های هیدرودینامیکی که بین ذرات پرکننده اتفاق می افتد.

تکنیک های فرم دهی :
سه تکنیک مهم و اصلی برای شکل دادن به این مخلوط تهیه شده، به کار می رود:
1- اکستروژن
2- فشرده سازی یا فشردن ( بار تک محوری)
3-پرس ایزواستاتیک.
در شکل مقابل این سه تکنیک نشان داده شده اند.

اکستروژن :
برای تولید محصولاتی به کار می رود: که مقطع ثابت دارند مثل الکترودها.
مخلوط دمای بالا را تا دمایی بالاتر از نقطه نرم شدن آن ( حدود C125) سرد می کنیم و این مخلوط از دهانه اکستروژن خارج شده و به اندازه های دلخواه برش می خورد و سپس به سرعت سرد می شود تا اعوجاج در قطعه به وجود نیاید. شکل نهایی بدست آمده در صنعت به عنوان شکل خام » معروف است.
فشار اکستروژن در حدود MPa 7 ( Psi 100 ) است و به علت آنکه برخی ذرات پرکننده کک در جهت اکستروژن هم جهت می شوند باعث می شود در محصول نهایی آنیزوتروپی ایجاد شود. البته به مقدار جزئی می توان با:
1-تغییر فرمولاسیون مخلوط
2- هندسه اکستروژن
این آنیزوتروپی را کنترل کرد.
در قسمت های مرکزی، کیفیت محصول کمتر از قسمت های نزدیک به لبه و خارجی است و در این حالت عیوبی مثل flow lines و تورق غیرقابل پیشگیری است. هزینه های تولید از این روش در مقایسه با سایر روش ها کمتر است و برای تولید قطعه های بزرگی مثل الکترودها گزینه مناسبی است. بیشترین تناژ مصرفی گرافیت قالبگیری شده از این روش تولید می شود.
قالبگیری فشاری (تک محوری):
در این روش معمولاً از پودرهای ریز (گَرد) استفاده می شود(در اکستروژن از دانه های زبرتر و درشت تر استفاده می شود).
قالب های به کار رفته از جنس کاربید تنگستن است
فشار اعمال شده حدود MPa 280-28 (Psi 40000-4000) می باشد.
با این روش می توان اشکال پیچیده را تولید کرد
اصطکاک دیواره قالب و اثر لبه ای قالب باعث می شود تا عدم یکنواختی دانسیته در محصول نهایی ایجاد شود.
قالب گیری ایزواستاتیک:
در این روش فشار از تمام جهات بر قالب لاستیکی اعمال می شود در واقع قالب لاستیکی در محفظه ای پر از مایع غوطه ور است و فشار اعمال شده به مایع به قالب لاستیکی منتقل می شود.
محصول بدست آمده از این روش یکنواختی زیاد و خواص ایزوتروپی زیادی دارد
معمولاً میزان عیوب آن پایین است.
هزینه تولید محصول به این روش از سایر روش ها گران تر است.

در جدول زیر مزایا و معایب این روش ها نمایش داده شده است
کربونیزاسیون ـ گرافیته شدن و ماشینکاری
کربونیزاسیون:
1-مرحله بعدی فرآیند، کربونیزه کردن نمونه خام است ( که به عنوان پختن آن را می شناسیم)
2- کربونیزاسیون درکوره های بااتمسفر خنثی یا احیایی انجام می شود.
3-با توجه به مواد تشکیل دهنده نمونه خام و اندازه و هندسه آن، ممکن است این مرحله از چند روز تا چندین هفته به طول بینجامد.
4-ابتدا دما به آهستگی تا C600 بالا می رود. در این گام اتصال دهنده آلی نرم می شوند
5- ترکیبات فرّار خارج می شوند
5- ماده شروع به انقباض و سخت شدن می کند. مقدار انقباض حدود 6% است و برای آنکه از شکم دادن و خم شدن نمونه در این مرحله جلوگیری شود باید توسط موادی ثابت نگه داشته شود.
6- دما به C980 – 670 افزایش داده می شود ( در برخی موارد خاص ممکن است دما را به بیش از C 1200 نیز برسانیم).
7-در این مرحله می توانیم سریع تر از مرحله قبل، دما را افزایش دهیم. زیرا مواد فرار خارج شده اند و ماده تقریباً سخت شده است و مشکل شکم دادن و خم شدگی نیز وجود نخواهد داشت.

تلقیح :
1- بعد از آنکه کربونیزاسیون صورت گرفت نمونه مقدار زیادی تخلخل خواهد داشت. برای آنکه دانسیته را افزایش دهیم لازم است قیر زغال سنگی و یا پلیمری مثل فنولیک را به آن تلقیح کنیم.
2-تلقیح در اتوکلاو در فشار بالا انجام می شود و فرآیند کربونیزاسیون دوباره تکرار می شود.
3-اگر مواد غیرکربنی مثل فلوئورید لیتیم و فلوئورید نقره را تلقیح شود ماده خواص ویژه ای مثل افزایش هدایت الکتریکی پیدا کند.

گرافیته شدن:
1-در طول گرافیته شدن به قطعه ها تا بالای C3000 حرارت داده می شوند
2- طول این مرحله کوتاهتر از مرحله کربونیزاسیون است وبستگی به اندازه قطعات دارد. مدت آن از چند ساعت تا سه هفته به طول می انجامد.
3-گرافیته شدن معمولاً در کوره های مقاومتی (مطابق فرآیند اصلی اَچسون ) و یا در کوره القائی فرکانس متوسط انجام می گیرد.
4-گرافیته کردن باعث می شود مقاومت ماده به شوک های حرارتی و مواد شیمیایی افزایش پیدا کند.
پُف کردن :
پف کردن یک انبساط برگشت ناپذیر است که در طول گرافیته شدن اتفاق می افتد و علت آن جدا شدن مواد فراری مثل گوگرد از کک است. پف کردن به علت آنکه باعث ایجاد ترک و دیگر عیوب ساختار می شود مضر است. البته با حرارت دهی دقیق و افزودن فلزات یا ترکیباتی که میل ترکیب شدن با گوگرد را دارند، می توان این مرحله را به حداقل رساند.

خالص سازی :
برای کاربردهای خاص مثل ترکیبات نیمه هادی و برخی گرافیت های هسته ای نیاز به خلوص بالایی داریم و برای این کار ماده را در اتمسفر هالوژن عملیات حرارتی می کنیم. در این عملیات حرارتی ناخالصی هایی مثل آلومینیوم، بور، کلسیم، آهن، سیلیسیم ، وانادیم و تیتانیوم به حدی کمتر از ppm 5/0 می رسد. هالوژن با فلزات واکنش داده و تشکیل یک هالید فرار می دهد که می تواند به خارج از گرافیت نفوذ کند. بدیهی است که با افزایش سطح مقطع نمونه مدت زمان عملیات حرارتی افزایش می یابد.
ماشینکاری :
برای رسیدن به ابعاد نهایی، ماده گرافیته شده ماشینکاری می شود. برای همه گرافیت ها ماشینکاری فرآیندی نسبتاً ساده است و بسیار مناسب است زیرا از آلودگی ماده توسط آب جلوگیری می شود، اغلب ابزارهای برش از جنس کاربید تنگستن، سرامیک و الماس است و یک سیستم نیز برای جمع آوری براده ها لازم است.
در فرآیند تولید گرافیت قالبگیری شده جزئیات فرمولاسیون مواد و تجهیزات از تولید کننده ای تا تولید کننده دیگر بسیار متفاوت است. در بعضی موارد تولید کنندگان به منظور حفظ بقای اقتصادی آنها در عرصه رقابت این جزئیات را پوشیده و پنهان نگه می دارند.
ویژگی ها و خواص گرافیت قالبگیری شده:
در مورد گرافیت قالبگیری شده به این ویژگی ها توجه می شود:
1-دانسیته ظاهری
2-مقاومت الکتریکی
3-مدول یانگ
4-ضریب انبساط حرارتی (CTE)
5-استحکام خمشی
روش تست این خواص و دیگر خواص در اسلاید بعد ذکر شده است. این آزمایش ها در «راستای دانه ها» و در جهت « عمود بر راستای دانه ها» انجام می شود.

استحکام خمشی:
1- آزمایش استحکام خمشی حساسیت ویژه ای دارد و به علت اندازه نمونه ها، هندسه وروش تست های مختلف نتایج حاصل در محدوده وسیعی پراکنده شده اند.
2- مقدار استحکام خمشی برای نمونه ای که سطح مقطع مربع دارد و با یک فیکسچر چهار نقطه ای تست می شود.
3-این آزمایش برای نمونه ای با مقطع دایره ای و با یک فیکسچر سه نقطه ای آزمایش می شود.
4-مقایسه استحکام خمشی گرافیت های قالبگیری شده وقتی روش های آزمایش متفاوت است، کاری بی معنی خواهد بود.
5- ضریب انبساط حرارتی ( CTE ) گرافیت قالبگیری شده با تغییرات دما، تغییر می کند پس باید محدوده دمایی آزمایش حتماً ذکر شود.
6-وقتی که آزمایش در دمای بالای C 350 انجام می شود برای آنکه از اکسیداسیون جلوگیری شود باید تست در اتمسفر خنثی انجام گیرد.
دانسیته و تخلخل
1- دانسیته واقعی گرافیت قالبگیری شده g/Cm3 32/2-2/2 است در این اندازه گیری تاثیر تخلخل های باز وارد محاسبات نشده اند ولی مسلماً این اندازه گیری شامل تخلخل های بسته می شود.
2- عدد ذکر شده به دانسیته تئوری کریستال گرافیت (g/Cm3 52/2 ) نزدیک است و این نشان می دهد تخلخل های داخلی کوچک هستند و ساختار ماده منظم است.
3-دانسیته ظاهری گرافیت قالبگیری شده که شامل تخلخل های باز نیز می شود به علت وابستگی به عواملی مثل نوع فرآیند، چرخه تلقیح و دیگر مولفه ها تغییرات زیادی دارد. مقدار دانسیته ظاهری که در صنعت بیان می شود بین g/Cm3 2 ـ 4/1 است. این عددها با توجه به حدود %35 ـ 10 تخلخل باز ذکر شده است.
4-روش متداول اندازه گیری دانسیته ظاهری روش اووگادرو ( یا وزن تر ) است. ماده باید قبل از تست کاملاً خشک باشد و حین اندازه گیری وزن تر باید حباب های هوا محو شوند تا از خطا در آزمایش جلوگیری شود.
5-اندازه ذرات (دانه ها ) تاثیر زیادی روی خواص گرافیت قالبگیری شده خواهد داشت.

6- با کاهش اندازه ذرات (دانه ها) دانسیته ظاهری افزایش یافته که دلیل آن کم شدن تخلخل ها است.
7-استحکام خمشی نیز افزایش یافته و چند برابر شده است
8-مقدار CTE نیز تقریباً دو برابر شده است. البته افزایش CTE منجر به آن می شود که مقاومت به شوک حرارتی کاهش یابد. اثر مقاومت الکتریکی بر اثر تغییر اندازه ذرات هنوز مشخص نشده است.
9-اندازه دانه اثر دیگری نیز بر قطعه دارد و آن در مراحل پایانی و در حین ماشینکاری است. در هنگام ماشینکاری برخورد ابزار برش با قطعه باعث کنده شدن ذرات و دانه ها از سطح خواهند شد.
پس هر چه ذرات بزرگتر باشد این حفره ایجاد شده بزرگتر واگر کوچک تر باشند حفره کوچکتر است و در نتیجه سطح قطعه صاف تر و تمیزتر خواهد بود. پس در اینجا نیز حسن استفاده از ذرات کوچکتر مشخص است.

تعیین دانسیته:
یکی دیگر از بررسیهایی که روی قطعات بدست آمده انجام می شود محاسبه دانسیته قطعات است. برای محاسبه دانسیته ابتدا می بایست نمونه ها طبق مراحل زیر آماده شوند.
1- انتخاب نمونه های سالم و بدون ترک
2- اندازه گیری وزن نمونه ها در هوا با دقت 0.001 .(A)
3- غوطه ور کردن نمونه ها در آب مقطر در حال جوش به مدت 5 ساعت.
4- پس از مدت 5 ساعت منبع حرارتی را خاموش کرده و اجازه می دهیم نمونه ها در آب مقطر به مدت 24 ساعت غوطه ور باشند.
5- اندازه گیری وزن نمونه خیس در آب توسط ترازویی که کفه آن توسط یک بازوی دیگر در ظرف آب مقطر غوطه ور باشد با دقت 0.001 اندازه گیری شد (B).
6- اندازه گیری وزن نمونه خیس در هوا با دقت 0.001 بعد از زدایش آب اضافی روی سطح نمونه با یک پارچه(C).
7- پس از مراحل فوق محاسبات بر اساس مقادیر بدست آمده بصورت زیر جهت تعیین دانسیته انجام می شود.
دانسیته واقعی T=A/(A-B)
تعیین تخلخل :
برای محاسبه تخلخل از مقادیر بدست آمده در بالا استفاده می کنیم.
تخلخل ظاهری یا میزان جذب آب P=(C-A)/(C-B)*100

اثر جهت گیری دانه ها بر روی خواص قطعه:
1- با توجه به روش تولید ، میزان جهت گیری دانه ها متفاوت خواهد بود. این جهت گیری دانه ها اثرات زیادی بر خواص گرافیت قالبگیری شده می گذارد که در جدول بعد ذکر شده است.
2- در فرآیند اکستروژن جهت و راستای ذرات به سمت سیلان ماده متمایل می شود و در نتیجه باعث می شود گرافیت اکسترود شده آنیزوتروپی پیدا کند. فرآیند فشردن ایزواستاتیک باعث می شود ماده بسیار یکنواخت تر و به طور کلی محکم تر باشد.

خواص مکانیکی
مدول و استحکام:
1- رفتار مکانیکی گرافیت قالبگیری شده شیشه ای یا سرامیکی است یعنی اینکه ماده تردی است و استحکام آن تابع استحکام پیوند بین کریستال ها است. در دمای محیط، پیوندها در مقابل تغییر فرم پلاستیک مقاومت می کنند در نتیجه شکست مکانیکی گرافیت قالبگیری شده یک شکست ترد است. البته تخلخل هاف ترک ها و عیوب ساختاری باعث می شوند که تمرکز تنش ایجاد شود و در نتیجه استحکام آن از استحکام تئوری کریستال گرافیت کمتر خواهد بود.
2- با بالا رفتن دما ترک های ریز و عیوب ساختاری با بازپخت کاهش می یابند و این باعث تنش گیری از ماده شده و در نتیجه تغییر فرم پلاستیک ممکن می شود. پس با افزایش دما مدول و استحکام ماده افزایش می یابد.
3- در دمای C 2500 استحکام ماده دو برابر مقداری می شود که در دمای اتاق دارد و وقتی دما از C2500 بالاتر می رود تغییر فرم پلاستیک افزایش می یابد و استحکام کم می شود.
4- در دمای محیط الانگیشن ناچیز است ولی مقدار آن در دمای C 2800 به 20% می رسد.
در شکل بعد اثر دما بر مدول و استحکام گرافیت قالبگیری شده مشخص شده است.
5- به علت آنکه گرافیت قالبگیری شده در دمای محیط تغییر فرم پلاستیک چندانی ندارد پس اندازه گیری استحکام کششی آن سخت و غیرواقعی است. در عوض بهتر است که استحکام خمشی ماده اندازه گیری شود زیرا این آزماش نتایج بهتر و واقعی تری به ما می دهد که با انجام دوباره آزمایش می تواند صحت آزمایش ها و نتایج قبلی را تایید کنند. استحکام کششی معمولاً 50 تا 60 % استحکام خمشی است .
6-استحکام گرافیت قالبگیری شده در دمای اتاق و در مقایسه با فلزات و اکثر سرامیک ها کمتر است ولی این وضعیت در دماهای بالا تغییر می کند و در دمای بالاتر از C2000 گرافیت قالبگیری شده ( و دیگر محصولات گرافیتی) به عنوان یک ماده ساختاری عالی، کارکرد خوبی از خود نشان می دهند. این موضوع به وضوح در شکل بعد نشان داده شده و استحکام ویژه گرافیت و دیگر مواد با هم مقایسه شده است. چون دانسیته گرافیت قالبگیری شده در قیاس با دیگر مواد دیرگداز کمتر است لذا استحکام ویژه آن بالاتر است.

7- استحکام خمشی گرافیت قالبگیری شده در دمای اتاق بین MPa 100-10متغییر است و مدول یانگ آن در دمای اتاق بین GPa 10-5 تغییر می کند. این محدوده از داده به خاطر آن است که گرافیت قالبگیری شده gradeهای مختلف دارد که از اختلاف در مواد خام و روش های تولید آنها ناشی می شود. در اغلب تست ها که با بارگذاری سه نقطه ای انجام می شود سطح مقطع نمونه مربع شکل است و ابعاد آن (in 200/0 ) mm 08/5 یا ( in 125/0) mm 18/3 است. فاصله پایه ها می تواند 05/3 یا 52/1 میلیمتر باشد.
استحکام توسط فرمول زیر:

سختی :
فاصله صفحه های اصلی کریستال گرافیت به نسبت زیاد است ( nm 334/0 ) و این صفحه ها با پیوندهای ضعیف واندروالس (Kj/mol 7/1) به هم متصل شده اند. فاصله بین صفحه ها با وجود عیوب شبکه، اتم های بین نشین خارجی و دیگر بی نظمی ها، افزایش می یابد: نتیجه آنکه این صفحه ها به راحتی می توانند روی هم بلغزند و گرافیت تغییر فرم پلاستیک داده و تسلیم می شود.
این ویژگی ها باعث شده تا اندازه گیری سختی گرافیت کار سختی باشد مگر با روش فرو رونده توپی شکل[1]. در نتیجه «سختی تماسی[2]» این گونه تعریف می شود: میزان متوسط فشار برای آنکه عمقی برابر دو صدم شعاع این کره روی نمونه ایجاد شود.
دیگر روشهای سختی سنجی مثل اِسکلروسکوپ (عمق اثر چکش الماسه) آسان و راحت است ولی به علت آنکه اصول آن با روش فرو رونده کروی شکل متفاوت است این سختی ها قابل ارتباط به یکدیگر نیستند.
در جدول اسلاید بعد، سختی های تماسی و اسکلروسکوپ برای چندین نوع گرافیت قالبگیری شده نمایش داده شده است.
[1] – ball – indentation
[2] – Contact hardness

خواص اصطکاکی :
1- به علت آنکه لغزش صفحه های اصلی در گرافیت آسان است این مواد اصطکاک کمی دارند و استحکام برشی آنها پایین است.
2- وقتی گرافیت بر سطح یک فلز یا سرامیک مالیده می شود یک فیلم نازک روی سطح تشکیل می شود. اگر این فیلم نازک به خوب سطح را پوشش دهد ضریب اصطکاک به کمتر از 01/0 می رسد. این فیلم کربنی فقط در حضور بخارهای قابل جزیی مثل بخار آب، اکسیژن و گازهای آلی پایدار است، ولی اگر اتمسفر محیط شامل گازهای خالص خنثی و یا گاز نیتروژن باشد و یا اینکه اتمسفر خلاء داشته باشیم این فیلم نازک گرافیتی تشکیل نمی شود و اگر تشکیل شود نیز به زودی شکسته می شود و در نتیجه ضریب اصطکاک بالا می رود ( 0/1 ~ ) و در این شرایط ساییدگی سطح زیاد می شود. این پدیده به عنوان " Dusting " معروف است. در این شرایط گرافیت خاصیت روانسازی نخواهد داشت.
خواص حرارتی
هدایت حرارتی :
1- انتقال حرارت توسط ارتعاش و لرزش شبکه انجام می گیرد و هدایت حرارتی همان طور که قبلاً گفته شد در مسیر صفحه های اصلی (راستای ab 200 برابر بیشتر از راستای عمود بر صفحه ها (راستای c) است. این خاصیت از آنیزوتروپی کریستال گرافیت ناشی می شود.

2- مقدار این آنیزوتروپی برای گرافیت ها و کربن های قالبگیری شده کمتر است و گزارش ها وداده ها نشان می دهد هدایت حرارتی به صورت ایزوتروپ است. در جدول بعد مقدار هدایت حرارتی گرافیت و دیگر موادی که هدایت بالا دارند با هم مقایسه شده است.
3- رابطه بین هدایت حرارتی گرافیت قالبگیری شده و تغییرات دما مثل رابطه هدایت حرارتی تک کریستال گرافیت و دما است. یعنی بعد از یک افزایش ابتدایی ( که به علت افزایش گرمای ویژه آن است) هدایت حرارتی کاهش می یابد ( که به علت افزایش پراکنده شدن و متفرق شدن فونون ها است). در دمای C 2000 مقدار هدایت حرارتی کمتر از مقدار هدایت حرارتی در دمای اتاق است.

انبساط حرارتی :
1- این خاصیت برای کریستال ایده آل گرافیت دارای یک آنیزوتروپی واضح است و مقدار آن در راستاهای ab کم و در راستای c بیشتر است.
2- حالت آنیزوتروپی انبساط حرارتی برای گرافیت های قالبگیری شده بسیار کمتر است. زیرا کریستال ها در این ماده به صورت تصادفی جهت گیری کرده اند و همچنین تخلخل هایی که در ماده وجود دارد باعث می شود که اثر انبساط کاهش پیدا کند. در حقیقت مقداری از انبساط توسط این تخلخل ها جذب می شود. البته درباره گرافیت قالبگیری شده که توسط فرآیند اکستروژن تولید شده آنیزوتروپی هنوز وجود دارد.
3- CTE برای گرافیت ایزواستاتیک، ایزوتروپ است. CTE با افزایش دما افزایش می یابد در دمای C1500 مقدار CTE دو برابر آن چیزی است که در دمای اتاق وجود دارد. البته در مقایسه با دیگر موادی که در جدول 8-5 ذکر شده اند هنوز مقدار کمی است.

شوک حرارتی :
مدول پایین ، هدایت حرارتی بالا و انبساط حرارتی کم در گرافیت های قالبگیری شده باعث شده تا این مواد مقاومت عالی به شوک حرارتی داشته باشند.
مقاومت الکتریکی :
مقاومت الکتریکی کریستال گرافیت دارای آنیزوتروپی زیادی است یعنی مقاومت الکتریکی در راستاهای ab کم و در راستای C زیاد است. مقاومت الکتریکی گرافیت های قالبگیری شده از مقاومت الکتریکی راستاهای ab در تک کریستال، بیشتر است ولی هنوز به عنوان یک رسانای الکتریکی مطرح است.
در جدول بعد مقاومت الکتریکی کربن و گرافیت قالبگیری شده و چند ماده دیگر مقایسه شده است.
مقاومت الکتریکی گرافیت قالبگیری شده مثل کریستال گرافیت و فلزات بعد از دمای C400، با افزایش دما، کاهش می یابد. در بالای حدود C400 این ماده مثل فلزات ضریب مقاومت مثبت با دما دارد و در دمای کمتر از C400 ضریب مقاومت آن با دما منفی است. گرافیت در دمای بالا رسانایی بهتری نسبت به دیگر فلزات دیرگداز دارد. در شکل 10-5 اثر دما بر مقاومت نسبی گرافیت قالبگیری شده نمایش داده شده است.

نشر یا گسیل[1]:
نشر یا گسیل به صورت نسبت انرژی گسیل شده از یک نمونه یا یک قطعه به انرژی ای که از یک جسم سیاه کامل با سطح برابر گسیل می شود تعریف می شود.
بر اساس قانون بولتزمن، جسم سیاه کامل ماده ای ایده آل است که حداکثر میزان انرژی را از خود ساطع کند.
گسیل مواد بستگی به ساختار و حالت و کیفیت سطحی آنها دارد.
گرافیت قالبگیری شده سیاه است و میزان گسیل آن بالا است. این ویژگی در کاربردها و استفاده های در دمای بالا مزیت بسیار خوبی است. جدول بعد گسیل چندین نوع کربن و گرافیت قالبگیری شده با برخی فلزات مقایسه شده است.
[1] emissivity

کاربردها و بازار گرافیت قالبگیری شده
تکنولوژی تولید گرافیت قالبگیری شده متنوع و وسیع است و توسعه محصولات آن ادامه دارد و همچنین جستجو برای یافتن کاربردهای جدید نیز در حال گسترش و پیشرفت است.
در بیست سال اخیر گرافیت قالبگیری شده کاربردهای وسیع و مهمی پیدا کرده است و همچنین توانسته بازار بزرگی در میان محصولات متنوع صنعتی پیدا کند. به خاطر آنکه کاربردهای گرافیت قالبگیری شده بسیار گوناگون است، طبقه بندی آنها مهم و نیاز به دید صنعتی دقیق دارد.
کالاهای ویژه گرافیتی که در جدول بالا از آن نام برده شده شامل محصولاتی هستند که از گرافیت قالبگیری شده تهیه می شود مثل نیمه هادی ها، کاربردهای شیمیایی، الکتریکی، هسته ای، بیوپزشکی، مکانیکی و صنایع هوا و فضا.

استفاده در صنایع فرآوری فلزات
الف) الکترودهای کوره های قوس الکتریکی برای تولید فولاد
الکترودها در صنایع فرآوری فولاد و آلومینیوم چه از لحاظ وزن و چه از لحاظ قیمت بیشترین کاربرد و استفاده را دارند. الکترودها یکی از اصلی ترین کاربردها گرافیت های قالبگیری شده هستند و تقریباً یک قرن است تولید این محصول تقریباً بدون تغییر ادامه یافته است.
بیشترین استفاده این الکترودها در زمینه تولید فولاد و در کوره های قوس الکتریکی است که این کوره ها بیشتر برای بازیافت قراضه های آهنی مورد استفاده قرار می گیرد. پس الکترودهای مورد استفاده باید رسانایی الکتریکی خوب، خواص دیرگدازی خوب و قیمت پایین داشته باشند. این الکترودها به تدریج فرسوده می شوند و نیاز است که به صورت دوره ای آنها را تعویض کنیم.
جالب است بدانیم تولید جهانی فولاد به صورت آهسته در حال رشد است در حالی که تولید کوره های قوس الکتریکی برای صنعت فولاد رشدی به مراتب سریع تر دارد. سرعت رشد آن به %28 کل محصولات تولید شده در سال 1991 می رسد. تولید کننده های اصلی اروپا، آمریکای شمالی و ژاپن هستند.
رشد تولید محصولات فولادی که توسط کوره های قوس الکتریک تولید می شوند به معنای افزایش تناژ مصرف گرافیت های تولید شده نیست این کاهش مصرف نتیجه دو تحول مهم است:
(الف) بهبود خواص مواد گرافیتی به خصوص کاهش انبساط حرارتی و در نتیجه افزایش مقاومت در برابر شوک حرارتی
( ب ) توسعه تکنیک ها و روش های کوره های قوس الکتریک.

الکترودهای به کار رفته در تولید آلومینیوم :
فرآیند تولید آلومینیوم یک فرآیند الکتروشیمیایی است و همان طور که درجدول مشخص است تولید الکترود برای صنایع آلومینیوم بعد از کاربرد در صنایع فولاد بیشترین کاربرد را دارد. در اینجا آندهای تولید شده شبیه به آنهایی هستند که برای صنایع فولاد ساخته می شود. در فرآیند الکتروشیمیایی، آلومینیوم در کنار بلوک های کاتدی بزرگ جمع می شود این کاتدها در گذشته از جنس کربن پخته شده بود ولی در سال های اخیر با بهینه شدن محصولات، به جای آن از گرافیت قالبگیری شده بر پایه کک نفتی استفاده می شود.
تولید جهانی آلومینیوم در سال 1990 حدود 106 * 2/14متر ـ تن[1] خواهد شد.
[1] – Metric ton
ذوب ، تصفیه و ریخته گری فلزات:
گرافیت های قالبگیری شده استفاده های گوناگونی در فرآوری فلزات و آلیاژهای آهنی و غیرآهنی دارند :
1- مس، فلزات گرانبها، چون خاکستری و داکتیل، برخی کاربردهای آن
2-قالب های ریخته گری گریز از مرکز برای بوش ها و مهره های برنجی و برنزی
3-قالب های ریخته گری فشاری برای تولید ورقه های فولادی و چرخ های قطار
4-قالب ها[1] برای ریخته گری پیوسته و اکستروژن آلومینیوم و فلزات غیرآهنی دیگر
5-قالب ها و پیستون های Hot – Pressing
6-پمپ هایی برای آلومینیوم و روی مذاب
7-نگهدارنده ها
8-آستر کوره ها
9-سینی ها و قایق های زینتر
[1] – Dies

برای آنکه یک grade مناسب برای گرافیت قالبگیری شده انتخاب کنیم باید عوامل زیر را در نظر داشته باشیم:
1-هدایت حرارتی بالا برای کاهش تنش های حرارتی
2- سختی بالا برای کاهش ساییدگی پوشش و افزایش عمر قالب
3- دانسیته بالا، دانه های ریز و تخلخل کم برای آنکه تخریب های ناشی از مواد شیمیایی به حداقل برسد
در اسلاید بعد چند نوع قالب ریخته گری نمایش داده شده است.

نیمه هادی ها و کاربردهای مرتبط با آن:
در سال 1947 باردین، بوتادین و شالکی کارکرد ترانزیستور را که آلیاژی از ژرمانیوم بود تشریح و تعریف کردند. از این تاریخ به بعد صنعت نیمه هادی های جامد آغاز می شود. و بعد از آن دوران IC ها در سال1959 آغاز می شود. به این ترتیب اجزای زیادی می توانند در یک چیپ قرار گیرند.
با توسعه نیمه هادی ها و IC ها قیمت هر واحد اطلاعات ( بیت ) کاهش پیدا کرد به علاوه اندازه نیز کاهش پیدا کرد و امروزه IC ها به جایی رسیده اند که می توان بیش از یک میلیون جزء را در یک چیپ کوچک جای داد.
این پیشرفت ها مسلماً به علت پیشرفت و توسعه تکنیک های سرامیک و شیشه بوده است و تولید تک کریستال ها و تولید فیلم های بسیار نازک مثل تکنیک CVD نیز نقش بسزایی در این توسعه ایفا کرده است.
چنین پیشرفت هایی به آن دلیل ممکن شده است که گرافیت های قالبگیری شده با خلوص بسیار زیاد در دسترس قرار گرفته و در حقیقت استفاده وسیع این مواد باعث چنین رشد و توسعه ای در زمینه نیمه هادی ها شده است. استفاده گسترده گرافیت قالبگیری شده به عنوان بوته ها، قالب ها و دیگر مواردی که در زیر به آنها اشاره خواهیم کرد.
گرافیت قالبگیری شده برای کشیدن کریستال:
تک کریستال های سیلیسیم، ژرمانیوم و نیمه هادی های 7-111 و 71-11 به طور معمول از کشیدن تک کریستال به روش چوچرالسکی بدست می آیند. این فرآیند به طور شماتیک در اسلاید بعد نشان داده شده است. گرافیت در این فرآیند چه نقش کلیدی و اصلی بر عهده دارد. بوته ای که ماده مذاب در آن قرار دارد از جنس گرافیت با خلوص بسیار بالا است. در برخی موارد بوته ها بانیترید بور پیرولیتی و توسط تکنیک CVD پوشش داده می شوند. دیگر کاربردهای گرافیت های قالبگیری شده در صنعت نیمه هادی ها در زیر آورده شده است:
الکترودها برای رسوب دهی سیلیکون پلی کریستالی
قایق هایی برای حرارت دهی در اتمسفر احیایی برای اکسید ژرمانیوم
آندها برای رکتیفایرهای ولتاژ بالا و تویوپ های نیرو
در برخی از این کاربردها نیاز است که سطح گرافیت قالبگیری شده با پوشش های خنثی تری مثل گرافیت های پیرولیتی، نیترید بور ( BN ) و یا کاربید سیلیسیم ( SiC ) پوشیده شود تا در دمای بالا واکنش نداده و آلودگی تولید نشود. این پوشش ها معمولاً توسط CVD انجام می گیرد

کاربردهای الکتریکی
کاربردها و موارد استفاده گرافیت قالبگیری شده در زمینه های الکتریکی به وضوح روشن است و ویژگی های آن مثل خنثی بودن شیمیایی، رسانایی الکتریکی خوب و توانایی مقاومت در برابر حرارت قوس باعث شده این ماده مصارف الکتریکی بسیاری پیدا کند. در زیر کاربردهای دیگری از این ماده شرح داده می شود.
بوش ها برای موتورهای الکتریکی
المنت های حرارتی برای کوره های دما بالا
الکترودها برای ماشین های تخلیه الکتریکی (EMD) ، برای lighting و کوره های قوس الکتریک
اجزای پیل سوختی
آندها، کاتدها و buss bar های کلرید روی، برومید روی و دیگر باتری های جدید و پیشرفته.

کاربردهای مکانیکی
داشتن دانه های ریز، دانسیته بالا و تخلخل کم در گرافیت های قالبگیری شده باعث شده است تا به طور گسترده در کاربردهای آببندی و یاتاقان ها به خصوص در دماهای بالا ( بیش از C600 ) کاربرد وسیعی پیدا کند زیرا در این شرایط روانسازهای مایع به سرعت تخریب می شوند. گرافیت قالبگیری شده روانسازی عالی و خواص اصطکاکی بسیار خوبی دارد. مقاومت آن به مواد شیمیایی و هدایت حرارتی آن بالا است و این ویژگی کک می کند تا گرمای تولید شده در اثر سایش به سرعت از ماده خارج شود. همچنین در دمای بالا استحکام فشاری آن عالی تر از مواد مهندسی دیگر است.
گرافیت قالبگیری شده در یاتاقان های که در تماس با مواد شیمیایی مخرب مثل aqua regain ، اسید پرکلریک و اولیوم ( بخار اسید سولفوریک هستند) ، نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد
ممکن است در یاتاقان ها شکست به علت وجود مواد ساینده و تخریب کننده ای مثل اسیدکرومیک، اکسید کرومیک، اجزای کرومی صفحه ای شکل، دی کرومات پتاسیم ـ کرومات سدیم و دی کرومات سدیم، اتفاق بیفتد.

در زیر قسمتی از کاربردهایی را که به عنوان آب بندی و یاتاقان استفاده می شود، ذکر می کنیم:
رینگ های آب بندی در توربین های گازی در حالتی که گازها حدود C600 دما دارند.
رینگ های آب بندی در پمپ های شیمیایی که مواد خورنده را منتقل می کنند و سرعت حرکت مواد خورنده در آنها حدود m/s 150 است و دما C100 و مدت زمان کارکرد آنها 000/10 ساعت است.
رینگ های آب بندی در پمپ های آب صنعتی و موتورهای دیزل در شرایط دمایی C120 ( Psi 25 ) N/mm2 18/0 و 000/20 ساعت کار کرد.
رینگ های آب بندی برای کومپرسورهای فرئون در سیستم های تهویه مطبوع در شرایط ( Psi 250 ) N/mm2 75/1 و C93 .
رینگ های آب بندی برای ماشین های لباسشویی خانگی و پمپ های ماشین ظرف شویی در شرایط N/mm2 28/0 و C66 برای 10 سال کارکرد.
یک گروه دیگر از کاربردها مربوط است به استفاده مواد گرافیتی قالبگیری شده در صنایع هوا و فضا. این کاربردها اغلب شامل نازل راکت ها و در دماغه های مخروطی شکل به کار می رود.
در این موارد گرافیت قالبگیری شده بسیار مناسب است زیرا مقاومت بالایی به شوک حرارتی دارد و همینطور از استحکام لازم برخوردار است.
کاربردهای شیمیایی
توضیح دادیم که گرافیت قالبگیری شده در زمینه آب بندی کاربرد و استفاده های گوناگون دارد. اگر ویژگی دیگر این ماده یعنی مقاومت عالی در مقابل مواد شیمیایی را به آن اضافه کنیم می توان از آن در راکتورهای شیمیایی ، مبدل های حرارتی، جت های بخار و ملزومات CVD ، حفاظت کاتدی در خط لوله ها، دکل های نفتی، خطوط قدرت جریان DC (مستقیم) و ساختمان ها و غیره می تواند به صورت گسترده به کار برده شود.

7-4- کاربردهای هسته ای
این ماده یکی از بهترین گزینه ها برای استفاده در صنایع هسته ای است. البته تشعشع هسته ای بر شبکه کریستال اثر می گذارد که به دلیل برخورد نوترون های پرسرعت به اتم های کربن است و باعث اعوجاج در ماده می شود. به همین دلیل خواص ماده تغییر می کند. در اثر این پدیده استحکام و سختی بالا می رود و در دمای بالا باعث می شود تغییرات ابعادی زیادی ایجاد شود.
گرافیت های هسته ای از کک های با کیفیت بالا استفاده می شود. کک ها به عنوان پرکننده و قیر به عنوان اتصال دهنده انتخاب می شود و سپس توسط هالوژن ها آنها را خالص می کنند.
به علاوه گرافیت قالبگیری شده در راکتورهای توکامک و بسیاری موارد از این دست، مورد استفاده قرار می گیرد.

کربن زجاجی

Vitreous carbon
or
glassy carbon
گرافیت قالبگیری شده[1] که در فصل قبل مورد مطالعه قرار گرفت از موادی بدست می آیند که به راحتی گرافیته می شوند. موادی مثل کک های نفتی[2] و قطران. در این مواد مقدار آنیزوتروپی متفاوت است. از نظر خواص و ویژگی ها، در برخی موارد شبیه به کریستال ایده آل گرافیت هستند.
در این مبحث یکی از گروه های شناخته شده مواد کربنی به نام کربن های زجاجی، مورد بحث قرار می گیرد. کربن زجاجی (یا شیشه ای) همانند گرافیت های قالبگیری شده از کربونیزاسیون (پیرولیز) یک ماده اولیه آلی بدست می آید ولی برعکس گرافیت های قالبگیری شده به راحتی گرافیته نمی شود. رفتار و خواص این مواد ذاتاً ایزوتروپ است. تفاوت میان این دو گروه از مواد به علت آن است که مواد اولیه آنها متفاوت است.
[1] – Molded Graphite
[2] – Petroleum Coke
کربن زجاجی ساختاری دارد که بسیار شبیه به ساختار مواد شیشه ای (به معنای غیرکریستالی) است. رفتار شکست آن شبیه به شیشه است. به همین علت است که آن را زجاجی (یا شیشه ای) می نامند. به جای کربن زجاجی از عنوان کربن پلیمری نیز بسیار استفاده می شود زیرا که از کربونیزاسیون مواد پلیمری ناشی می شود. کربن زجاجی، شیشه ای و کربن های پلیمری یک معنا دارند.
کربن زجاجی ماده جدیدی است که در دهه 1960 توسعه پیدا کرد. این ماده خواص خوبی مثل استحکام بالا، مقاومت زیاد در برابر مواد شیمیایی دارد.
کربن زجاجی جای خود را در صنعت کربن باز کرده است و اگر چه جایگاه آن پایین تر از گرافیت های قالبگیری شده است ولی کاربردهای مهم صنعتی دارد و بازار آن روبه رشد است.

مواد اولیه و فرآوری
کربن های زجاجی از کربونیزاسیون پلیمرهای آلی بدست می آیند. این پلیمرها به عنوان پلاستیک ها مشهور هستند. انواع این پلیمرها، مکانیزم و فرآیند کربونیزاسیون انها در فصلهای قبل مورد بحث قرار گرفت.
مواد اولیه پلیمری
پلیمری که به عنوان ماده اولیه برای تولید کربن زجاجی انتخاب می شود باید شرایط و ویژگی های زیر را داشته باشد:
ساختار مولکول باید سه بعدی باشد و دارای پیوندهای جانبی در هر سه بعد باشد.
کربونیزاسیون باید در حالت جامد و بدون تشکیل مزوفاز اتفاق بیفتد.
وزن مولکولی باید بالا باشد همینطور درجه آرماتیک شدن ( به عبارتی تعداد حلقه های بنزن) باید بالا باشد برای اینکه محصول با کربن[1] بالایی داشته باشیم.
مواد پلیمری که در زیر شرح داده می شود یا برای تولید کاربرد دارند و یا اینکه در مورد آنها آزمایش هایی صورت گرفته و بر روی آنها تحقیق شده است.
[1] – Carbon yield

پلی فورفوریل الکل:
پلی فورفوریل الکل یک رزین ترموست است که از پلیمریزاسیون مونومر الکل فورفوریل در کنار کاتالیزور اسید مالئیک بدست می آید. ساختار شیمیایی آن به صورت زیر است:
علاوه بر این که این ماده یک ماده اولیه برای تولید کربن زجاجی است، یک تلقیح کننده متداول در زمینه الکترودهای گرافیتی نیز محسوب می شود .

فنولیک ها:
فنولیک ها با ترکیب شیمیایی (C15O2H20)n یک دسته از پلیمرها هستند که توسط واکنش متراکم سازی[1] بین فنول و فورمالدئید و حذف آب، بدست می آید. ساختار مونومر آن به صورت زیر است:
وقتی که تا بالای دمای C 250 حرارت داده می شود، پیوندهای جانبی گسترده ای ایجاد می شود و در نتیجه یک پلیمر سخت، صلب و غیرقابل حل بدست خواهد آمد.
[1] – Condensation reaction

پلی مید[1] :
پلی مید (C22H10O5N2)n برخلاف انتظار بعد از کربونیزه شدن به جای تبدیل به زغال در دمای C3000 تبدیل به گرافیت می شود.
پلی اکریلونیتریل:
پلیمر پلی اکریلونیتریل (PAN) به طور گسترده برای تولید فیبرهای کربن استفاده می شود.
سلولوز :
سلولوز تشکیل دهنده اصلی چوب و دیگر گیاهان است. کتان و رایون اغلب از سلولوز خالص تشکیل شده اند و رایون به عنوان ماده اولیه برای تولید فیبرهای کربنی استفاده می شود.
[1] – Polyimide

دیگر پلیمرها:
دیگر پلیمرهایی که به عنوان ماده اولیه برای تولید کربن زجاجی مورد تحقیق و آزمایش قرار گرفته اند عبارتند از:
1- پلی وینیلیدین کلراید (CH2CCl2)n
2- پلی وینیل کلراید (CH2CHOH)
3- پلی فنیلین اکسید
4-اپوکسی آروماتیک
این دو مورد آخر که ذکر شد میزان محصول کربن زیادی دارند.
فرآوری و کربونیزاسیون
قالبگیری :
ماده اولیه پلیمری اغلب با مواد دیگری مثل حلال ها ترکیب می شوند تا قالبگیری صورت بپذیرد و بعد از کربونیزاسیون خواص مطلوب حاصل شود. بعضی از این ترکیبات و فرآیندهای آنها تحت مالکیت تولید کنندگان است.
مواد اولیه حرارت داده می شوند و برای آنکه به شکل مورد نظر درآیند، قالبگیری می شوند. این کار توسط فرآیندهای شناخته شده شکل دادن به پلاستیک ها صورت می پذیرد. مثل قالبگیری تزریقی، اکستروژن و یا قالبگیری فشاری.
چون کربونیزاسیون با انقباض زیاد همراه خواهد بود باید محاسبات طوری انجام شود که بعد از کربونیزاسیون به اندازه های نهایی بسیار نزدیک باشیم و نیاز به ماشینکاری به حداقل برسد.
کربونیزاسیون :
1-قطعه قالبگیری شده در اتمسفر خنثی یا احیایی به آهستگی حرارت داده می شود تا کربونیزه شدن صورت بپذیرد. یک مثال برای سیکل حرارتی به این صورت است که:
min/C 5-1 تا دمای C800 و min/C 10-5 از دمای C1000 ـ 800 .
2- سرعت حرارت دهی تابعی از سرعت خروج مواد فرّار است.
3-سرعت خروج مواد فرار باید آهسته باشد تا از گسیختگی و به هم ریختگی ساختار کربن جلوگیری شود. در قسمت های ضخیم تر مسلماً باید سرعت خروج مواد فرّار کمتر باشد.
4-برای قسمت های خیلی نازک یعنی m 10 یا کمتر فقط به چند دقیقه زمان نیاز داریم ولی برای قسمت های ضخیم تر ممکن است کربونیزاسیون هفته ها به طول بینجامد. به همین دلیل نباید ضخامت از mm 4 تجاوز کند.

جزئیات دقیق کربونیزاسیون هنوز به صورت حدس و گمان است اما این واضح است که مکانیزم آن به میزان پیوندهای جانبی در مواد اولیه وابسته است.
ترکیبات فرّار ، CH2 , CO2 , CO , H2 و H2O وقتی که دما به C1300 رسید به آهستگی به بیرون نفوذ می کنند و در این حالت ماده تماماً کربن است.
در طول کربونیزاسیون، زنجیره های پلیمری شکسته نمی شوند و مثل مواد ککی به مرحله مزوفاز نمی روند.
کربونیزاسیون پلیمرهای فنولی یک مسیر ساده را طی می کند.
کاهش وزن و تغییرات ابعادی :
کم شدن وزن نتیجه خروج تشکیل دهنده های غیرکربنی است که این کاهش وزن بعد از C1000 کم کم متوقف می شود. همانطور که در شکل می بینید. فنول فرمالدئید مجموعاً 40% کاهش وزن دارد و محصول کربن آن 85% است.

در شکل مقابل تغییرات ابعادی برای رزین فنولی نشان داده شده است. در این نمودار ملاحظه می کنید که انقباض حجمی حدود 50% است ولی کاهش وزن حدود 40% است. دلیل ایجاد این حالت می تواند به خاطر دانسیته بالاتر کربن زجاجی (g/Cm3 47/1 ~ ) نسبت به رزین فنولی (g/Cm3 2/1 ~ ) باشد.

گرافیته شدن :
1- کربن زجاجی ذاتاً به فرم زغال است و معمولاً به هیچ اندازه ای گرافیته نمی شود.
عملیات حرارتی در C1800 باعث تولید ماده ای می شود که فاصله بین لایه ای ( d ) آن nm 36/0 و اندازه کریستال آن nm (Lc) 5/1 است. اندازه کریستال ها را از پهن شدن خط های ( 110 ) و ( 002 ) در الگوی تفرق اشعه X تخمین می زنند.
2- الگوی تفرق برای کربن زجاجی حتی وقتی در دمای C2750 نیز عملیات حرارتی می شوند تغییری نمی کند ولی برعکس کک نفتی بعد از عملیات حرارتی کاملاً گرافیته می شود.
3- اندازه کریستال ها برای کربن زجاجی همانطور کوچک باقی می ماند (حدود nm 3 ) و فاصله بین لایه ها ( d ) فقط یک کاهش بسیار کم پیدا می کند و حداقل به nm 349/0 می رسد.
4- عملیات حرارتی تا بالای دمای C3000 باعث انبساط حجمی به میزان %5 می شود.

ساختار و خواص کربن زجاجی
ساختار
1-بعد از کربونیزاسیون ماده ای که باقی می ماند تماماً کربن است و از نظر ساختاری، کربن زجاجی است.
2- یک ماده وقتی به عنوان زجاجی ( یا شیشه ای ) شناخته می شود که در ساختار آن نظم بلند دامنه وجود نداشته باشد.
3- در کربن زجاجی کریستال ها کوچک هستند و جهت گیری این کریستال ها تصادفی است یعنی راستای کریستال ها هیچ جهت مشخصی ندارد و در تمام راستاها جهت گیری کرده اند. (Lc بیش از nm 3 ~ ).
4- در هر کریستال فاصله بین لایه ها با آنچه در کریستال ایده آل گرافیت وجود دارد حدود %5 انحراف دارد چه در صفحه های اصلی ( راستاهای ab ) و چه در بین صفحه ها ( راستای c ).
5- ساختار تصادفی ویژگی کربن زجاجی است و همانطور که در شکل بعد به صورت شماتیک نشان داده شده ساختار آن به شکل شبکه ای گسترده و پایدار از نوارهای گرافیتی است. این نوار مانندهای در هم پیچیده مولکول های آروماتیکی هستند که با پیوندهای جانبی کوالانسی کربن ـ کربن به هم متصل شده اند. انرژی این پیوندها نیز مقادیر مختلفی است. بعضی از این پیوندها تحت کشش و پیچ خوردگی زیادی قرار دارند.
محققان حدث می زنند که ساختار کربن زجاجی علاوه بر پیوندهای گرافیتی 2SP (سه وجهی) شامل پیوندهای 3SP (چهار وجهی) نیز باشد که از ویژگی های پیوندهای الماس است. این حالت باعث ایزوتروپی، استحکام بالا و سختی ماده می شود.
وجود ساختار الماس در ماده ای شبیه به کربن زجاجی یعنی در کربن شبه الماسی، به خوبی به اثبات رسیده است.
این دو ویژگی یعنی شبکه نواری شکل و پیوندهای SP3 از شکل گیری نظم در ساختار جلوگیری می کند بدون آنکه دمای گرافیته شدن در آن تاثیر داشته باشد.

تخلخل
کربن زجاجی دانسیته کمی دارد ( حدود 3/2 آنجه در کریستال ایده آل گرافیت وجود دارد) که نشان دهنده تخلخل بالا است. اما استثناًئا قابلیت نفوذ پذیری نیز پایین است. به عنوان مثال نفوذ پذیری هلیوم که توسط روش Vacuum – drop انجام شده فقط Cm2/s11-10 است. این عدد نشان می دهد که خلل و فرج بسیار ریز هستند و برای نفوذ هلیوم غیرقابل دسترس هستند. قطر خلل و فرج nm 3/0-1/0 گزارش شده است. اندازه آنها حدود nm 25/0 بعد از عملیات حرارتی در C220 و حدود nm 35/0 بعد از عملیات حرارتی در دمای C3000 گزارش شده است.
این تخلخل های بسیار ریز به ساختار کربن زجاجی ویژگی یک الک مولکولی را داده است که اجازه می دهد فقط بعضی از مولکول های بسیار ریز را جذب خود کند. این موضوع در جدول بعد نشان داده شده است.

انواع کربن زجاجی
کربن زجاجی می تواند به سه نوع اصلی تولید شود. این سه نوع از نظر ریزساختار مشابه هم هستند ولی macrostructure آنها متفاوت است:
1- جامد ( یا یکپارچه)
2- فوم ( یا مشبک)
3-کروی ( یا ذره ای)
. در ادامه درباره هر یک از این سه نوع بحث خواهیم کرد.
کربن زجاجی جامد
خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی:
1- به دلیل ساختار تصادفی، خواص کربن زجاجی ایزوتروپ است.
2- دانسیته آن کم است
3- ساختاری یکنواخت و معمولاً عاری از عیوب دارد.
4- سختی ، استحکام ویژه و مدول کربن زجاجی بالا است.
این خواص (بعد از کربونیزه شدن و عملیات حرارتی در C3000 ) در جدول بعد ذکر شده است.
برای مقایسه خواص برخی انواع گرافیت قالبگیری شده وگرافیت پیرولیتی نیز آورده شده است. خواص مکانیکی کربن زجاجی معمولاً بالاتر و هدایت حرارتی آن کمتراز انواع دیگر کربن است.
هدایت حرارتی، ضریب انبساط حرارتی و مقاومت الکتریکی ، همانطور که در شکل بعد از آن مشخص شده ، با تغییرات دما تغییر می کند.

خواص شیمیایی
در اغلب موارد خواص شیمیایی کربن شبیه به کریستال گرافیت است. چون ماده دارای نفوذپذیری بسیار کمی است پس عملاً غیر متخلخل است و از عیوب سطحی عاری است و می توان آن را با درصد ناخالصی های کم تولید کرد.
پس مقاومت آن در مواجه با مواد شیمیایی بسیار عالی است و یکی از ویژگی های مورد توجه آن محسوب می شود. در بسیاری موارد مقاومت شیمیایی آن بسیار بالاتر از دیگر فرم های کربن مثل گرافیت های قالبگیری شده و پیرولیتی است. وجود ناخالصی ها (خاکستر) بسیار تعیین کننده است. به عنوان مثال وقتی میزان ناخالصی ها افزایش می یابد سرعت اکسیداسیون نیز به همان مقدار افزایش می یابد که این موضوع در شکل بعد نشان داده شده است. این شکل نشان می دهد اکسیداسیون کربن زجاجی خیلی کمتر از گرافیت های قالبگیری شده است.
کربن زجاجی با اسیدنیتریک، اسید هیدروفلوئوریک و اسدی کرومیک واکنش نمی دهد و توسط هالوژن ها حتی در دمای بالا نیز تخریب نمی شود. برعکس دیگر مواد گرافیتی که به سرعت مورد تخریب قرار می گیرند.
سرعت واکنش کربن زجاجی با مواد گوناگون در جدول 3-6 آورده شده است.
کربن زجاجی با اسیدنیتریک، اسید هیدروفلوئوریک و اسدی کرومیک واکنش نمی دهد و توسط هالوژن ها حتی در دمای بالا نیز تخریب نمی شود. برعکس دیگر مواد گرافیتی که به سرعت مورد تخریب قرار می گیرند.
سرعت واکنش کربن زجاجی با مواد گوناگون در جدول بعد آورده شده است.

کربن زجاجی با اسیدنیتریک، اسید هیدروفلوئوریک و اسید کرومیک واکنش نمی دهد و توسط هالوژن ها حتی در دمای بالا نیز تخریب نمی شود. برعکس دیگر مواد گرافیتی که به سرعت مورد تخریب قرار می گیرند.
سرعت واکنش کربن زجاجی با مواد گوناگون در جدول مقابل نمایش داده شده است.

انقباض و ماشینکاری
همانطور که تشریح شد انقباض ماده اولیه پلیمری زیاد است و در محاسبات قالب باید این انقباض درنظر گرفته شود تا شکل حاصل به شکل نهایی نزدیک باشد. معمولاً برای رسیدن به ابعاد نهایی ماشینکاری لازم خواهد بود و با توجه به سختی بالای کربن زجاجی این کار باید توسط ابزارهای الماسه انجام گیرد.
کـاربردها
کاربردهای شیمیایی
بسیاری از کاربردهای کربن زجاجی براساس مقاومت عالی آن در مقابل مواد شیمیایی پایه ریزی شده است. این کاربردها شامل تهیه ظروف برای فرآیندهای شیمیایی و شیمی آنالیز است مثل بوته ها، ظرف ها، قایق ها، تویوپ های واکنش، آستر کردن برای محفظه های تحت فشار و غیره.
کاربردهای متالوژیکی و تولید شیشه ها:
کربن زجاجی با فلزات مذابی که تشکیل کاربید می دهند، به سرعت واکنش می دهد مثل عناصر گروه VI , V , IV یعنی W , Ta , Nb , Hf , Zr , Ti . ولی با دیگر فلزات مذاب واکنش نمی دهد و توسط مذاب آنها تر نمی شود به همین دلیل به طور گسترده برای ذوب فلزات نجیب وآلیاژهای خاص به ویژه در تکنولوژی دندانسازی مورد استفاده قرار می گیرد.
مقاومت آن به شوک حرارتی بسیار عالی است و می توان آن را با سرعت های زیاد گرم و یا سرد کرد.
کربن زجاجی توسط شیشه مذاب تر نمی شود و به عنوان قالب برای لنزها و دیگر محصولات شیشه ای به کار می رود.
الکترود باتری ها
خنثی بودن شیمیایی و هدایت الکتریکی خوب کربن زجاجی این ماده را به عنوان انتخابی مناسب برای الکترود باتری های اسیدی تبدیل کرده است.

کربن زجاجی فومی
کربن زجاجی می تواند به شکل یک فوم با تخلخل های باز تولید شود که به عنوان کربن زجاجی مشبک (RVC ) معروف است. مواد اولیه همان پلیمرهایی است که برای تولید کربن زجاجی جامد از آن استفاده می شود ولی پیش از کربونیزاسیون به شکل فوم در می آیند. فرآیند کربونیزاسیون آن یکسان است.
ساختاراین ماده با تخلخل های باز در شکل بعد نمایش داده شده است.
ویژگی ها و خواص:
کربن زجاجی رامی توان با اندازه تخلخل های مختلف تولید کرد و تعداد خلل و فرج در هر اینچ (PPI) مقیاسی برای شناختن اندازه تخلخل ها است.
فوم های 24، 39، 60، 78، 100 و 200 تخلخل در هر اینچ) به صورت تجاری تولید و در دسترس هستند.
دانسیته این فوم ها کم است و خواص آنها در جدول بعد آورده شده است.
کربن زجاجی فومی مستعد به اکسیداسیون است زیرا میزان سطح آن زیاد است. کاربرد آن در اتمسفر اکسید کننده و دمای بالای C500 منتفی است.

کـاربـردها:
الکترودها
خنثی بودن شیمیایی، محدوده گسترده ای که پتانسیل آن مفیداست (1/0- تا 2/1 ولت) و مزایای هیدرودینامیکی و ساختاری این ماده که نتیجه تخلخل های باز آن است. همه این ویژگی ها باعث شده است تا کربن زجاجی فومی ماده ای مناسب برای الکترودهای یون لیتیم و دیگر انواع باتری ها باشد. این ماده قابلیت های زیادی در کاربردهای الکتروشیمی دارد.
عایق های حرارتی دما بالا
یک قابلیت کربن زجاجی این است می توان از آن به عنوان عایق حرارتی در دماهای بالا البته در اتمسفر خلاء یا غیراکسید کننده، استفاده کرد. چندین مولفه با هم جمع می شوند تا یک عایق حرارتی مناسب بدست آید:
(الف) کسر حجمی پایین فاز جامد که خود فاز جامد نیز هدایت کمی دارد.
(ب) اندازه کم حفره ها که باعث می شود همرفتی از بین برود و تشعشع کاهش پیدا کند که این به خاط جذب / انعکاس های بسیار از دیواره حفره ها است و باعث می شود تشعشع کاهش پیدا کند.
(ج) هدایت گازی (یا خلاء) که در این حفره ها محصور شده پایین است. به علاوه این مزایا، مقاومت به شوک حرارتی این ماده عالی است. با این ویژگی های گفته شده می توانیم شیب حرارتی زیادی را ایجاد کنیم.

جذب گازهای هیدروکربن و دیگر گازها
اگر کربن زجاجی فومی را به شکل فعال در آوریم می تواند گرانول های کربن فعال شود بدون اینکه نیازی به نگهدارنده داشته باشند. مزیت عمده آنها امکان بازیابی آنها است.
دیگر کاربردها
کربن زجاجی فومی را می توان به عنوان فیلتر نیز به کار برد به طور مثال برای فیلتر کردن مذاب فلزات. البته آنهایی که تشکیل کاربید نمی دهند. 0-6- کربن زجاجی کروی و گلوله ای[1]
کربن زجاجی رامی توان به شکل کره های بسیار ریز یا گلوله های ریز تهیه کرد. این ذرات کروی یا گلوله ای شکل در زمینه کاتالیزورها کاربردهای فراوان دارند.
[1] – Vitreous Carbon Spheres and Pellets
فرآوری
در شکل بعد به صورت شماتیک مراحل تولید کربن زجاجی کروی نشان داده شده است.
ماده اولیه برای این فرآیند پلیمری است که به صورت جزئی گرافیته شده است. به عنوان مثال الکل فورفوریل همراه با کاتالیزور p – toluene Sulfonic acid که با استون مخلوط می شود. استون به آن اضافه می شود تا ویسکوزیته آن برای اتمایزینگ مناسب باشد. ماده ای به آن اضافه می شود تا ایجاد تخلخل کند. این ماده می تواند یک ماده آلی با نقطه جوش بالا و یا ذراتی باشند که اندازه آنها زیر میکرون است مثل کربن سیاه.
فرآیند اتمایزینگ در یک راکتور حرارتی انجام می شود که شکل آن به صورت شماتیک در شکل بعد نمایش داده شده است.
زمان پخت کوتاه است به علت آنکه اندازه دانه ها کوچک است. (~ 45 m ) . سپس این ذرات کروی ریز در دمای C1330 ـ 530 عملیات حرارتی می شوند.

کاربـردها
کاتالیزور
کربن زجاجی کروی به عنوان کاتالیزور برای آهن و دیگر فلزات به کار می رود. این ماده مزایای بسیار خوبی دارد. مثل پایین بودن درصد ناخالصی های آلی و همین طور ساختار متخلخل آن به صورت یکنواخت تویع شده است. مکانیزم فعالیت و خواص و ویژگی های مواد کاتالیزوری به صورت مفصل در فصل 10 بخش 0-4- بحث خواهد شد.
دیگر کاربردهـا
دیگر کاربردهای این ماده شامل این موارد است. فوم ها ، فیلترهای با دانسیته پایین برای پلاستیک ها و عایق های حرارتی برای دماهای بالا.

گرافیت پیرولیتی Pyrolytic graphite
1- تولید گرافیت ریختگی و کربن زجاجی در دو فصل گذشته توضیح داده شد که درباره کربونیزاسیون (پیرولیز) مواد غیرآلی مثل قطران، مشتقات نفت خام و یا پلیمر بود.
2- در این فصل مروری بر یکی دیگر از مواد کربنی که اساساً با فرآیندی متفاوت تولید می شود و بر پایه یک ماده اولیه گازی به جای جامد و یا مایع است. فرآیند به عنوان رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار ( CVD ) شناخته می شود و گاهی از تولید کربن وگرافیت پیرولیتی به عنوان پیروکربن و یا پیروگرافیت نیز یاد می شود. برای سادگی، بدون توجه به میزان گرافیته شدن آن، گرافیت پیرولیتی می پردازیم.
3- گرافیت پیرولیتی از جنبه های دیگر نیز متفاوت است، اگر چه به صورت بالک تولید می شود ولی استفاده اصلی آن به شکل پوشش است که بر روی زیرلایه هایی مثل گرافیت ریختگی، فیبرهای کربن یا ساختارهای متخلخل کربن ـ کربن رسوب داده می شود به همن جهت بخشی از یک ساختار کامپوزیتی است و به راحتی قابل تشخیص از دیگر فرم های کربن نیست.
4- گرافیت پیرولیتی تنها ماده گرافیتی است که به طور موثر می توان آنرا برای پوشش، تولید کرد.
این پوشش می تواند ضخیم باشد به قدری که بعد از خارج کردن زیرلایه به عنوان یک شیئی یکپارچه[1] باقی بماند.
[1] ) Free – Standing

گرافیت پیرولیتی یک عنصر کلیدی در تکنولوژی کربن است و به طور گسترده برای پوشش دهی به خصوص برای گرافیت های ریختگی و در فرآیند مواد کربن ـ کربن مورد استفاده قرار می گیرد.
تاریخچه
CVD مواد کربنی چیز جدیدی نیست، اولین کار عملی در دهه 1880 توسعه پیدا کرده. برای افزایش استحکام رشته هایی که در لامپ ها استفاده شده است.
فرآیند CVD طی پنجاه سال بعد آهسته آهسته پیشرفت کرد و به متالورژی استخراجی و پیرومتالورژی محدود شد و البته کارهای کمی در زمینه رسوب گرافیت انجام شد.
تنها بعد از جنگ جهانی دوم بود که CVD گرافیت یک رشد تصاعدی و سریع را آغاز کرد و محققانی که توانایی این تکنیک برای ایجاد پوشش و اشکال یکپارچه را درک کردند، نقش بسزایی در این گسترش به عهده داشتند.
[1] ) Patent
فرآیند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار
اکنون CVD یک فرآیند شناخته شده و کاملاً مشخص است که به عرصه تولید محصولات مهمی مثل نیمه هادی ها و ابزارهای برش، وارد شده است. CVD یک فرآیند فاز بخار است که بر واکنش شیمیایی یک بخار نزدیک و یا روی سطح حرارت داده شده، تکیه دارد. در نهایت یک رسوب جامد تشکیل و گاز حاصل این واکنش ها خواهد بود.
گرافیت پیرولیتی به عنوان پوشش
همانطور که در بالا تشریح شد، اگرچه گرافیت پیرولیتی خودش به عنوان یک ساختار یکپارچه مثل بوته یا نازل راکت استفاده می شود ولی استفاده اصلی آن برای تشکیل پوشش روی زیرلایه ای مثل گرافیت ریختگی، فوم کربن، فیبرهای کربن، فلزات و سرامیک ها می باشد.
جدول بعد شرح مختصری از ویژگی های سطحی است که به وسیله پوشش های گرافیتی پیرولیتی می تواند ایجاد و یا اینکه بهینه شود.
[1] ) Composite Nature of Coatings

CVD گرافیت پیرولیتی
CVD گرافیت پیرولیتی از نظر تئوری آسان است و براساس تجزیه حرارتی (پیرولیز) یک گاز هیدروکربن انجام می شود. مکانیزم واقعی تجزیه شدن پیچیده است و هنوز به درستی مشخص نشده است. این مسئله شاید به خاطر آن باشد که اکثر مطالعات انجام گرفته روی تجزیه هیدروکربن ها، بیش از آنکه بر رسوب پوشش تمرکز کرده باشد بر افزایش بازده سوخت و جلوگیری از تشکیل کربن ( مثل دوده ) تمرکز کرده است.
هر چند برخی مطالعات CVD گرافیت باعث فهم بهتر ما از واکنش پیرولیز شده است به نظریه پردازی های بیشتر، جستجوهای آزمایشی و ترمودینامیکی و سینتیکی بیشتر نیاز است.

آنالیزهای ترمودینامیکی و سینتیکی
کیفیت و کمیت گرافیت پیرولیتی را می توان با متغیرهای زیر کنترل کرد.
1- منبع کربن (گاز هیدروکربن)
2- روش فعال کردن واکنش تجزیه (حرارتی، پلاسما، لیزر و غیره)
3- متغیرهای رسوب دهی (دما، فشار، دبی گاز و غیره)
انجام کار تجربی برای بدست آمدن یک میزان بهینه کارسخت و دشواری است و برای نتیجه صحیح باید با آنالیزهای تئوری تلفیق شود.
این چنین آنالیزی یک گام ارزشمند و مهم است اگر بتواند پیش گویی کند که برای واکنش چه اتفاقی خواهد افتاد، ترکیب رسوب حاصل چه خواهد بود (استوکیومتری)، انتظار چه نوع ساختار کربنی را داریم و مکانیزم واکنش ( به معنای مسیر واکنش که منجر به تولید رسوب شده) چه بوده است.
آنالیز عموماً شامل دو مرحله است:
1- محاسبه تغییر انرژی آزاد تشکیل[1] در محدوده دمایی داده شده. گامی ساده و مقدماتی که اطلاعاتی را درباره عملی بودن واکنش بدست می دهد.
2- مینیمم کردن انرژی آزاد تشکیل که آنالیز خیلی کاملتری است و توسط کامپیوتر انجام می شود.
2- محاسبات G و عملی بودن[2] واکنش
CVD کربن (مثل همه واکنش های CVD ) توسط دو عامل کنترل می شود:
( الف ) ترمودینامیک، که نیروی راننده ای[3] است که مسیر واکنش را در فرآیند، هدایت می کند
( ب ) سینتیک، پیشرفت فرایند را برای ما تعریف می کند و مکانیزم های کنترل سرعت واکنش را مشخص می کند و بیان می کند واکنش چقدر تند انجام می شود.
ترمودینامیک شیمیایی مربوط است به رابطه فرم های گوناگون انرژی و انتقال انرژی از یک سیستم شیمیایی به سیستم دیگر. این کار توسط قانون اول و دوم ترمودینامیک صورت می گیرد. در مورد CVD این انتقال زمانی انجام می شود که ترکیبات گازی به محفظه واکنش وارد شوند و واکنش برای تشکیل رسوب کربن انجام شود ( و گازهای حاصل از واکنش تولید شوند).
[1] ) Energy of Formation
[2] ) Feasibility
[3] ) Driving Force

محاسبات G
اولین گام برای آنست که بدانیم واکنش در دمای داده شده انجام می شود یا نه. این است که انتقال انرژی (یعنی همان تغییر انرژی آزاد واکنش که به عنوان G می شناسیم) منفی باشد. برای محاسبه G لازم است خواص ترمودینامیکی هر ترکیب را بشناسیم، به خصوص انرژی آزاد تشکیل را (که به عنوان انرژی آزاد گیبس نیز شناخته می شود)، Gf . مقدار Gr واکنش دهنده ها و محصولات واکنش برای هر دمایی از جدول های ترمودینامیکی بدست می آیند.
باید دقت کنیم که تغییر انرژی آزاد منفی که یک معیار معتبر برای امکان انجام واکنش است تنها برای واکنش های در حال تعادل معتبر و قابل استناد است.
حداقل کردن انرژی آزاد گیبس
آزمایش ها نشان می دهد که بهترین، بالاترین دانسیته و یک رسوب کربن همگن در یک مقدار منفی و بهینه از G بدست می آید. برای مقدارهای منفی تر G ، سرعت واکنش بسیار کُند و برای مقادیر مثبت تر رسوب از فاز بخار و تشکیل دوده اتفاق می افتد. چنین مولفه هایی هیچ گاه در محاسبات ساده تغییر انرژی آزاد آشکار نمی شود و نیاز به آنالیزهای بسیار کامل تری است.
اساس آنالیز بر پایه حداقل کردن انرژی آزاد گیبس است.
1- یک محاسبه براساس قوانین ترمودینامیک که مشخص می کند وقتی انرژی آزاد گیبس حداقل است، سیستم باید در حال تعادل باشد.
2- موضوع بعدی حداقل کردن مجموع انرژی آزاد سیستم و محاسبه معادله در دما، حجم یا فشار ثابت است.
انجام این محاسبات پیچیده و طولانی است ولی خوشبختانه برنامه های کامپیوتری در دسترس، کار را بسیار ساده کرده است.

این برنامه ها اطلاعات زیر را ارائه می دهد:
1- ترکیب و مقدار ماده رسوب کرده در دمای داده شده، فشار و غلظت گاز ورودی. به صورت تئوری.
2- انواع گازهای در حال تعادل و فشار جزئی آنها.
3-امکان انجام واکنش های گوناگون با توجه به آنکه زیر لایه نیز می تواند وارد واکنش شود.
برای انجام یک جستجوی کامل و موثق باید محاسبات تئوری را با آزمایش های تجربی همراه کرد. خوشبختانه آزمایش های رسوب دهی کربن نسبتاً ساده طراحی می شوند و به تجهیزات گران قیمت نیاز نیست و نتایج معمولاً سریع و قابل اعتماد است.
واکنش های CVD برای رسوب دهی گرافیت پیرولیتی
1-واکنش های CVD برای رسوب دهی گرافیت پیرولیتی براساس تجزیه حرارتی (پیرولیز) هیدروکربن ها است.
2- متداول ترین ماده اولیه متان (CH4) است که معمولاً در C1100 یا بالاتر و در محدوده وسیعی از فشار از حدود (atm 001/0) Pa100 تا (atm1) pa 105 ، پیرولیز می شود. به شکلی ساده می توان واکنش ها را به صورت زیر ارائه کرد:
Eq(1) CH4  C + 2H2
3- ماده اولیه متداول دیگر اتیلن (C2H6) و استیلن (C2H2) است. استیلن می تواند در دمایی پایین تر ( C750 ـC 300 ) و فشار بیش از یک اتمسفر، درحضور کاتالیزور نیکل تجزیه شود.
4- ماده اولیه متداول دیگر پروپیلن (C3H6) است که در دمایC1400ـ 1000 و در فشار پایین ( Torr 100 یا Pa 104 * 3/1 ~) می تواند تجزیه شود.
انرژی های فعال ساز برای تجزیه این مواد اولیه گازی هنوز به دقت مشخص نشده است و پراکندگی داده ها زیاد است. مقادیر گزارش شده به عبارت زیر است:

Kcal/g.mol106-78 متان
Kcal/g.mol86-60 اتان
Kcal/g.mol50-30 استیلن

مکانیزم رسوب دهی . پیرولیز ی هیدروکربن مانند آنچه در معادله ( 1 ) نشان داده شد در حقیقت یک سری از واکنش های پیچیده است که شامل مولکول هایی می شوند که بتدریج اندازه آنها افزایش می یابد.
.
مطالعه با آنالیز طیف سنجی از محصولات واکنش تجزیه شدن متان، تشکیل مقادیر زیادی استیلن، اتیلن و بنزن را نشان می دهد به علاوه ترکیبات گوناگونی که اغلب شامل هیدروکربن های پلی آروماتیک (PAH) مثل نفتالین، آنتراسین، فنانترین، استفتالین، پیرن و فلورانتین هستند، و همچنین گرافیت پیرولیتی ته نشین شده نیز مشاهده می شوند.
برخی از این مواد تشکیل دوده یا tar – like می دهند که بیشتر بر روی دیواره راکتور CVD ته نشین می کند.
به شکل ساده و به طور کلی واکنش های رسوب دهی به صورت زیر پشت سرهم قرار می گیرند:
کربن  هیدروکربن های پلی آروماتیک  بنزن  متان

سیستم رسوب دهی و دستگاه آن:
یک دستگاه متداول CVD برای رسوب گذاری گرافیت پیرولیتی، به عنوان راکتور دیوار سرد[1] نامیده می شود. این راکتور نیاز به کوره ای که زیرلایه را به طور مستقیم حرارت بدهد، ندارد و معمولاً توسط القاء حرارت دهی می شود.
واکنش های تجزیه برای رسوب گرافیت پیرولیتی اِندوترمیک هستند یعنی برای انجام واکنش گرما جذب می کنند. در نتیجه رسوب دهی به صورت مرجح در مناطقی انجام می گیرد که دمای بیشتری دارند. در حالی که دیواره های راکتور که سردتر هستند پوشش داده نمی شود.
یک نوع محفظه ساده واکنش برای رسوب دهی گرافیت پیرولیتی در شکل بعد نشان داده شده است.
زیر لایه یک دیسک گرافیت ریختگی است که می چرخد تا رسوب دهی گرافیت به صورت یکنواخت انجام پذیرد. با یک کویل القائی فرکانس بالا ( KHz 450) حرارت داده می شود و رسوب دهی در فشار پایین ( Pa 500 ) اتفاق می افتد. دما با یک ترموکوپل کنترل و نمایش داده می شود.
هم اکنون سیستم های تولید با یک طراحی ساده توانسته اند قطعاتی با اندازه های بزرگ تولید شوند مثلاً کوره های CVD با قطر m 2/1 و ارتفاع m 2 به صورت تجاری اکنون در دسترس است.
[1] -Cold – Wall

نفوز کردن شیمیایی از فاز بخار (CVI)[1] یک فرآیند CVD خاص و ویژه است که در آن واکنش دهنده گازی به یک ماده متخلخل مثل فوم غیرآلی یا فیبر بافته شده نفوذ می کند. رسوب دهی روی فیبرها آغاز می شود و ساختار به صورت تدریجی متراکم می شود تا یک کامپوزیت را تشکیل دهد.
شیمی و ترمودینامیک CVI شبیه به CVD است اما سینتیک آن متفاوت است زیرا واکنش دهنده ها مجبور هستند در درون ساختار متخلخل نفوذ کنند و محصولات واکنش مجبور هستند به سمت خارج نفوذ کنند. این فرآیند به صورت گسترده در تولید محصولات کربن ـ کربن به کار می رود.
[1] – Chemical Vapor infiltration

CVD بستر سیال[1]
بستر سیال یک تکنیک ویژه است که در ابتدا برای پوشش دادن ذراتی مثل سوخت هسته ای به کار می رفته است. یک گاز دمنده خواص نیمه سیال را به ذرات می دهد.
گاز سیلان یافته معمولاً متان، هلیوم و یا گاز غیرفعال دیگری است. مولفه هایی که برای رسیدن به سیلان مناسب باید به آنها دقت کرد، دانسیته و اندازه ذراتی که می خواهیم پوشش دهیم به علاوه سرعت، دانسیته و ویسکوزیته گازها است. اگر سرعت خیلی کم باشد ذرات به مدخل ورودی گاز می افتند و اگر خیلی زیاد باشد به خارج از بستر پرتاب می شوند. برای مواد سنگین یا بزرگ لازم است که آنها را در بستر سیال به حالت معلق در آوریم.
سرعت گاز، Vm، به وسیله روابط زیر بدست می آید
[1] – Fluidized – Bed CVD

استفاده های اصلی کربن پیرولیتی که توسط بستر سیال تولید می شود در تولید اجزای بیوپزشکی[1] مثل دریچه قلب به علاوه پوشش کاربید اورانیوم و کاربید توریوم ذرات سوخت هسته ای است.
که در راکتورهای دمای بالای گاز سرد[2] مورد استفاده قرار می گیرد. کربن از رسوب پروپان (C3H8) یا پروپیلن (C3H6) در دمای C1350 و یا از متان (CH4) در دمای C1800 بدست می آید و ساختار آن معمولاً ایزوتروپ است
[1] – Biomedical
[2] – Gas cooled

CVD پلاسما:
رسوب دهی گرافیت می تواند توسط CVD پلاسما انجام شود با ویژگی های زیر:
گازها : پروپیلن ـ آرگون یا متان ـ آرگون
پلاسما : فرکانس رادیویی ( RF ) در MHz 5/0
فشار Pa> 1300
دما : C 500 ـ 300
در یک واکنش پلاسمای فعال شده[1] دمای زیرلایه می تواند خیلی کمتر از دمای زیر لایه در حالت CVD حرارتی باشد.
این ویژگی قابلیت پوشش دهی موادی که مواد حساسی از نظر حرارتی هستند را ممکن می سازد. ویژگی ها و خواص پوشش شبیه به پوشش های رسوب دهی شده در دمای بالا است ( > 1000 C ) فعال سازی پلاسما استفاده گسترده ای در رسوب دهی الماس پلی کریستالی و کربن شبه الماسی (DLC) دارد.
[1] – Plasma – activated
ساختار گرافیت پیرولیتی:
ساختارهای گوناگون گرافیت پیرولیتی
گرافیت پیرولیتی توده ای از کریستال های گرافیت است که ابعاد آن ( LC ) ممکن است به چند صد nm برسد
یک ساختار بی نظم با صفحه های به هم تنیده و با نقص های شبکه ای و عیوب کریستالی دارد.
در درون دانه ها، کریستال ها جهت گیری های مختلفی دارند و وقتی که موازی هم قرار می گیرند طبیعت و خواص رسوب به نحو قابل قبولی با کریستال ایده آل گرافیت هماهنگ می شود.
ساختار رسوب گرافیت پیرولیزی می تواند ستونی، لایه ای یا ایزوتروپی باشد و بستگی به آن دارد که متغیرهای رسوب دهی مثل دما، فشار، ترکیب گازهای ورودی چگونه تعیین شوند.

ساختارهای ستونی و لایه ای
1- ساختار ستونی گرافیت پیرولیتی در شکل بعد نشان داده شده است کریستال ها با صفحه های اصلی ( راستاهای ab ) موازی با سطح رسوب رسوب داده می شوند.
2- ساختار آنها به سمت ستونی ( مخروطی شکل ) متمایل می شود
3- اثر هندسه زیر لایه. صاف و صیقلی بودن زیر لایه یک مولفه مهم است.
شکل بعد به صورت شماتیک رشد رسوب گرافیت را در بالای یک برآمدگی کوچک نشان می دهد. این برآمدگی می تواند اثر ناهمواری های سطحی یا ذرات غبار باشد ودر چنین عیوب سطحی ای رسوب تمایل به حجیم شدن پیدا می کند. برای رسیدن به رشد یکنواخت گرافیت پیرولیتی باید سطح صاف باشد.

جوانه زنی پیوسته ساختار به ضخامت رسوب نیز وابسته است. به عنوان مثال وقتی ضخامت افزایش می یابد اندازه دانه افزایش می یابد و ساختار دانه ستونی[1] وقتی که ضخامت فیلم بیشتر می شود، متحمل تر می شود. چنین ساختارهای ستونی ای به خاطر آثار زیان آور رشد دانه، نامطلوب هستند. تشکیل این ستون ها باعث می شود ساختار ضعیف شود و ناخالصی ها سریع تر در مرزدانه ها نفوذ کنند.
درشت شدن دانه ها می تواند در جاهایی که ستون های جدید به وجود می آیند، متوقف شود. این اثر به صورت شماتیک در شکل بعد نمایش داده شده است. وقتی که فشار و برانگیختگی بیش از میزان مورد نیاز است از فاز گازی دوده تشکیل می شود که در حقیقت این دوده ها هستند که مناطق جدیدی را برای رشد دانه ها به وجود می آورند.
[1] – Columnar – grain

ساختار لایه ای : در ساختار لایه ای گرافیت پیرولیتی شامل لایه های موازی هم است (یا قشرهای متحدالمرکز اگر که روی ذرات و فیبرها رسوب داده شوند). این موضوع در شکل قبل نمایش داده شده است.
ساختارهای لایه ای و ستونی از نظر نوری به نور دو قطبی حساس هستند و معمولاً خواص فیزیکی مشابهی دارند.
3-3- ساختار ایزوتروپ
نوع دیگری از ساختار پیرولیتی، کربن ایزوتروپ است که ویژگی گرافیتی کمی دارد و از نظر نوری فعالیتی ندارد. از دانه های بسیار ریز تشکیل شده که جهت گیری مشخصی ندارند و به همین دلیل بیشتر به عنوان کربن ایزوتروپ شناخته می شود تا به عنوان گرافیت ایزوتروپ. اغلب از رسوب دهی بستر سیال تهیه می شود. یک ساختار ایزوتروپ در شکل بعد که توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری تصویر برداری شده مشاهده می شود.

تاثیر مولفه های رسوب دهی

اثر فـشار : پوشش های گرافیت پیرولیتی با یکنواختی بیشتر و کیفیت مناسب تر معمولاً در فشارهای پایین تر تولید می شوند. فشار ضخامت لایه ها را در مرزدانه کنترل می کند و به این ترتیب در فرآیند نفوذ تاثیر می گذارد. با عملیات در فشار پایین، نفوذ به حداقل می رسد و در رسوب دهی در فشار پایین ساختار به سمت ایزوتروپ تمایل پیدا می کند.
در فشار بالاتر (یعنی فشارهای اتمسفری) گاز واکنش دهنده باید توسط یک گاز غیرفعال مثل هیدروژن یا آرگون رقیق شود. برای اینکه از ته نشین شدن غیر کنترل شده جلوگیری شود. در حالی که در فشار کم هیچ نیازی به رقیق سازی وجود ندارد. هرچند که راکتورهای فشار اتمسفری ساده تر و ارزان تر هستند و با کنترل صحیح مولفه های رسوب دهی می توان به رسوب رضایت بخشی دست یافت.
اثر نسبت C/H : نسبت C/H مخلوط گاز ( H2 و CH4 ) ورودی به محفظه واکنش، مولفه مهمی در کنترل طبیعت رسوب است. در نسبت های C/H بالا ( 1/4 ) به سمت رسوب دهی لایه ای تمایل دارد و در نسبت های پایین ( 1/14 ) به سمت رسوب دهی ایزوتروپی تمایل دارد.
اثر دما: معمولاً رسوب های ایزوتروپی در دماهای بالاتر (بیش از C1400 ) بدست می آیند و رسوب های لایه ای و ستونی در دماهای پایین تر حاصل می شود.
به طور خلاصه در دماهای بالا و فشار پایین و نسبت کربن ( C ) به هیدروژن ( H ) پایین رسوب های ایزوتروپ و در حالت عکس به سمت رسوب های ستونی و لایه ای پیش می رویم.

عملیات حرارتی گرافیته شدن:
1- مکانیزم گرافیته شدن گرافیت پیرولیتی شبیه آن جیزی است که برای pitch coke در فصول قبل توضیح داده شد.
گرافیته شدن رسوب های ستونی و لایه ای: رسوب های ستونی و لایه ای که در بالا توضیح داده شد معمولاً ساختاری بی نظم دارند. فاصله بین لایه ای زیاد ( nm 344/0 ~ ) آنها توسط تفرق اشعه C مشخص شده است. وقتی که در دمای C 2500 به مدت 90 دقیقه عملیات حرارتی شود به سادگی گرافیته می شود.
عملیات حرارتی در C2500 باعث می شود ساختار دوباره منظم شود. صفحه های اصلی به هم پیوسته می شوند و موازی تر و به یکدیگر نزدیک تر می شوند. عیوب کریستالی گوناگون مثل جای خالی ها، نقص چیدن ، نابجایی ها و بی نظمی های گردشی[1] اصلاح و محو می شوند. اندازه کریستال (LC ) افزایش یافته، خط 002 خیلی باریک می شود و به حالتی که در گرافیت ایده آل وجود دارند، نزدیک می شود. فاصله بین لایه ها کاهش می یابد برای رسیدن به آنچه که در کریستال ایده آل گرافیت ( nm 3354/0) وجود دارد. این کاهش مشاهده شده در فاصله بین لایه ای به خروج عنصرهایی که اغلب کربن هستند، نسبت داده می شود.
[1] – Rotational Disorders
وقتی که گرافیت های پیرولیتی ستونی یا لایه ای در دمای C 2700 بازپخت[1] می شوند، معمولاً نظم بیشتری می یابند و از ساختار صفحه ها و بین صفحه ها تنش گیری می شود. این ماده به عنوان « گرافیت پیرولیتی بسیار هم سو شده[2]» (HOPG) شناخته می شود. نرم است و از نظر ساختاری به کریستال ایده آل گرافیت با انحرافی بسیار ناچیز، شبیه است.
گرافیته شدن رسوب های ایزوتروپ : برعکس رسوب های پیرولیتی ستونی و لایه ای، کربن ایزوتروپ به سادگی گرافیته نمی شود و در اینجا شبیه کربن زجاجی است. برخی اوقات کاهش در فاصله بین لایه ای ( d ) مشاهده می شود ولی بندرت این مقدار کمتر از nm 344/0 کاهش می یابد و اندازه کریستال (LC) کوچک باقی می ماند.
[1] – Annealed
[2] – Highly oriented Pyrolitic Graphite

خواص گرافیت پیرولیتی
خواص گرافیت های پیرولیتی ستونی و لایه ای
ساختار گرافیت های ستونی و لایه ای بسیار به کریستال ایده آل گرافیت نزدیک هستند. در این کریستال ها به میزان زیادی کریستال ها در مسیرهای مرجح جهت گیری شده اند و این موضوع به خصوص بعد از عملیات حرارتی بیشتر است و خواص آنها به سمت آنیزوتروپی متمایل است.
نقطه ذوب، نقطه تصعید، گرمای تبخیر، آنتروپی، آنتالپ، گرمای ویژه و خواص شیمیایی آن شبیه به کریستال گرافیت است ولی دیگر خواص آن برجسته و قابل توجه است.
خواص گرافیت پیرولیتی در جدول بعد آورده شده است. پراکندگی داده ها می تواند اندکی به خاطر تفاوت مواد و یا به خاطر روش های گوناگون تست کردن باشد. به عنوان مثال اندازه گیری خواص مکانیکی به طور گسترده ای به هندسه نمونه و روش آزمایش وابسته است.
خواص مکانیکی : خواص مکانیکی گرافیت پیرولیتی شبیه خواص کریستال ایده آل گرافیت است که با افزایش دما، افزایش می یابد. همانطور که در شکل بعد نشان داده است. بعد از C2600 استحکام به سرعت کاهش می یابد.

هدایت حرارتی :
هدایت حرارتی در کریستال ایده آل گرافیت در راستاهای ab بالا است. این مقدار برای اکثر گرافیت های پیرولیتی خیلی کمتر است (بیش از w/m.k 390 در C 25 ) ولی همین مقدار آنقدر بالا هست که به ماده عنوان یک هادی حرارتی خوب مثل مس ( در C 25 ، w/m.k 385) اطلاق شود.
هدایت حرارتی در راستای C در C 25 حدود w/m.k 2/0 است ودر این راستا گرافیت به عنوان یک عایق خوب با پلاستیک ها قابل قیاس است.
انبساط حرارتی گرافیت پیرولیتی شبیه کریستال ایده آل گرافیت است. آنیزوتروپی واضحی نشان می دهد. در راستاهای ab کم (کمتر از اکثر مواد) ولی در راستای C این مقدار بسیار بالا است.
چنین آنیزوتروپی زیادی می تواند منجر به مشکلات ساختاری مثل ورقه ورقه شدن بین لایه ها ، به خصوص در مناطق ضخیم تر یا ماده ای که برگوشه های تیز رسوب داده شدهРج بشود.

خواص الکتریکی . خواص الکتریکی گرافیت پیرولیتی انعکاسی از آنیزوتروپی ان است و یک اختلاف زیاد در مقاومت در راستاهای C , ab وجود دارد. گرافیت پیرولیتی در راستاهای ab به عنوان یک رسانای الکتریکی خوب و در راستای C به عنوان یک عایق عمل می کند. مقاومت الکتریکی بادما، تغییر می کند که در شکل بعد نشان داده شده است
خواص کربن پیرولیتی ایزوتروپ
همانطور که گفته شد ساختار کربن پیرولیتی اساساً ایزوتروپ است
سختی : از کریستال های ریز با جهت گیری های تصادفی تشکیل شده است. کربن پیرولیتی ایزوتروپ لغزیدن آسان بین لایه ای خود را که ویژگی ساختارهای ستونی و لایه ای هم سو شده است، از دست داده و در نتیجه بسیار سخت شده است. لذا پولیش آن آسان و ماده می تواند جلا پیدا کند.
خواص مکانیکی
کربن پیرولیتی ایزوتروپ از گرافیت پیرولیتی هم سو شده و از کربن زجاجی محکم تر است و می توان آن را با ساختارهای سرامیکی ترد مقایسه کرد.

کاربردهای گرافیت و کربن پیرولیتی
1- محفظه های دمای بالا و محصولات یکپارچه
محفظه ها و دیگر بخش های یک پارچه با رسوب دهی کربن و گرافیت پیرولیتی روی یک ماندرل گرافیتی، تولید می شوند. بعد از آنکه رسوب دهی کامل شد. ماندرل توسط ماشین کاری خارج می شود.
رسوب دهی گرافیت پیرولیتی بر روی اشکالی که شعاع های تیز دارند به علت پدیده ورقه ورقه شدن، سخت است. این ورقه ورقه شدن به وسیله تنش هایی که پایه آن اختلاف در انبساط حرارتی در راستاهای C , ab است تولید می شود و استحکام بین لایه ای را کاهش می دهد. ولی این ورقه ورقه شدن در کربن پیرولیتی ایزوتروپ اتفاق نمی افتد.

کاربردهای عمومی گرافیت پیرولیتی عبارتند از:
1- قایق ها و بوته ها برای اپتیکسی فاز مایع[1]
2- بوته هایی برای اپتیکسی molecular – beam
3- محفظه های واکنش برای اپتیکسی فاز گاز III – V
4- برای مواد نیمه هادی مثل آرسیند گالیم
5- کربن پیرولیتی ایزوتروپ یکپارچه انتخاب مناسبی برای نازل های راکت است. به خاطر استحکام، سختی و طبیعت ایزوتروپ، می تواند در مقابل فرسایش های مکانیکی مقاومت کند که مکانیزم شکست ویژه و برجسته ای در دمای بالاتر از C 3200 است.
[1] – Liquid – Phase epitaxy
– المنت های حرارتی مقاومتی
به علت ویژگی های خوب الکتریکی و دیرگدازی، گرافیت پیرولیتی به طور گسترده برای المنت های مقاومتی دما بالا استفاده می شود. در ترکیب با نیترید بور پیرولیتی (P-BN) یک سیستم حرارتی کاملی را فراهم می آورد که گرافیت به عنوان مقاومت و (PBN) به عنوان یک زیرلایه عایق عمل می کند. هر دو محصول توسط فرآیند CVD تولید می شوند و از آنها برای منابع تولید حرارت برای تبخیر فلزات و اپتیکسی نیمه هادی ها و به عنوان منبع حرارتی برای رشد کریستال ها و غیره استفاده می شود.
– کاربردهای هسته ای
کربن پیرولیتی ایزوتروپ پایداری بسیار بالایی در برابر تشعشعات نوترونی دارد. این خاصیت با استحکام بالا، ساختار ایزوتروپ متراکم و عدم نفوذ پذیری گازها این ماده را تبدیل به انتخابی مناسب برای پوشش دهی ذرات هسته ای کرده است. پوشش دهی توسط بستر سیال انجام می شود
کاربردهای بیوپزشکی
در کاربردهای بیوپزشکی نیاز به ماده ای داریم که استحکام خوب، مقاومت به خستگی خوب، مقاومت فرسایشی بالا، خنثی بودن شیمیایی و سازگار با خون و بافت های بدن داشته باشد.
کربن پیرولیتی ایزوتروپ این خواص را در خود جمع کرده است و به صورت گسترده در ابزارهای بیوپزشکی مثل دریچه های قلب، کاشته های دندانی ـ در جایی که کار آن بهتر از دیگر فرم های کربن مثل گرافیت پیرولیتی یا کربن زجاجی است مورد استفاده قرار می گیرد.

پوشش دهی گرافیت های ریختگی
یک پوشش گرافیتی پیرولیتی بر روی یک زیر لایه گرافیت ریختگی اعمال می شود تا برای ما صافی سطحی بدست آید و این سطحی که تخلخل های سطحی آن پوشیده شده مقاومت شیمیایی مناسبی پیدا می کند. برای کاربردهایی که نیاز به خنثی بودن شیمیایی در دمای بالا داریم (در اتمسفر غیراکسید کننده) مثل:
wafer Trays برای تجهیزات CVD پلاسما
قایق ها برای اپتیکسی فاز مایع
قایق ها و دیگر اجزاء برای رسوب دهی بخار III – V
مواد نیمه هادی مثل آرسنید گالیم
سخت افزارها برای کار بر فلزات
پوشش دهی فیبرها
فیبرهای غیرآلی مثل کاربید سیلیسیم یا آلومینا، زمینه های فلزی یا سرامیکی را مستحکم می کنند تا یک کامپوزیت دیرگداز بدست بیاید. این فیبرها اغلب در طول فرآیند، با ماده زمینه وارد واکنش می شوند و یا اینکه در طول کارکرد در دمای بالا با زمینه واکنش می دهند. این واکنش ها ترکیبات بین فلزی و دیگر ترکیباتی به وجود می آورند که خواص کامپوزیت را تنزل می دهد. یک پوشش گرافیت پیرولیتی که بر روی فیبرها اعمال می شود به عنوان یک مانع برای نفوذ عمل می کند و از این واکنش های نفوذی جلو گیری می کند.
دیگر کاربرد پوشش فیبرها در فیبرهای نوری است. یک پوشش کربن پیرولیتی ایزوتروپ که بر روی فیبرها اعمال می شود خواص سایشی ، خستگی و خمشی فیبرها را بهبود می دهد.
نفوذدهی کربن ـ کربن[1]
کربن یا گرافیت پیرولیتی برای تراکم دهی ساختارهای کربن ـ کربن توسط فرآیند نفو دهی[2] به کار می رود. کاربردهای آن شامل نازل های راکت، ترمزهای دیسکی هواپیما، heat shields و دیگر بخش های هوافضا استفاده می شود.

[1] – Carbon – Carbon infiltration
[2] – Infiltration

گرافیت طبیعی و پودر گرافیت
Natural graphite and graphite powder
گرافیت طبیعی
در واقع گرافیت طبیعی یک کانه است که در بسیاری از نقاط جهان و به صورت فراوان یافت می شود و قرن هاست که توسط بشر شناسایی و استفاده شده است.
در سال 1885 شخصی به نام برودی توانست گرافیت خالص را تهیه کند و نشان داد که گرافیت آلوتروپ کربن است. امروزه اگر چه محصولات مهم و اصلی از طریق سنتز گرافیت بدست می آیند ولی هنوز هم در برخی موارد گرافیت طبیعی کاربرد دارد.
ویژگی ها و خواص
این ویژگی ها و خواص همان است که برای تک کریستال گرافیت ذکر گردید. پیوندهای ضعیف بین لایه ای اجازه می دهد صفحه ها به آسانی روی هم بلغزند و به همین خاطر گرافیت ماده ای نرم است.
گرافیت طبیعی سیاه رنگ و براق است ( یعنی بدون براق کردن و جلا دادن نور را منعکس می کند) و به خاطر آنکه ماده ای نرم است بر روی مواد دیگر از خود اثر سیاه باقی می گذارد
دانسیته کم ( g/cm3 3/2 ـ 1/2 بسته به نوع آن )
ماده ای مات و تیره است حتی در قسمت هایی که بسیار نازک است.
در دمای معمول از نظر شیمیایی پایدار است.
هدایت حرارتی و رسانایی الکتریکی بالا.
ضریب انبساط حرارتی پایین.
ضریب اصطکاک پایین.
حالت چرب بودن.

انواع گرافیت طبیعی
گرافیت طبیعی به سه دسته اصلی تقسیم می شود:
1- پولکی[1]،
2-کریستالی
3-آمورف
هر سه دسته از نظر ظاهر، خواص فیزیکی، ترکیب شیمیایی و ناخالصی ها متفاوت از یکدیگر هستند. این تفاوت ها از نوع مواد اولیه و نوع فرآیند طبیعی ای که گرافیت بدست می آید، ناشی می شود. جدول بعد ویژگی های این سه دسته گرافیت را نشان می دهد.
[1] – Flake

تشکیل گرافیت طبیعی
گرافیت پولکی در کوارتزهای غنی از سیلیسیم و سنگ های مرمر یافت می شود.
گرافیت کریستالی در صخره های شیب دار، سنگ های آتشفشانی و Metamorphic rocks به وجود می آید. تولید این مواد بر اثر دگرگون شدن و تحول مواد اولیه نفتی است. گرافیت آمورف در نتیجه تحول و دگرگونی زغال سنگ در فشار بالا ایجاد می شود. به علاوه در شهاب سنگ ها نیز گرافیت مشاهده شده است.
به جز آمریکا دیگر تولید کننده های عمده و مهم دیگر عبارتند از : برزیل (پولکی)، کانادا (پولکی)، چین (پولکی و آمورف)، کره (آمورف) ، ماداگاسکار (پولکی)، مکزیکو (آمورف) و سریلانکا (پولکی) می باشند.
مجموع تولید جهانی در سال 1991 ، بیش از 000/650 تن تخمین زده می شود. که به طور میانگین برای هر تن گرافیت پولکی 1400 دلار و برای هر تن گرافیت آمورف 165 دلار قیمت در نظر گرفته شده است.
فرآوری و کاربردها
بعد از عملیات آنفجار برای خارج کردن کانه ها، گرافیت های پولکی و کریستالی خرد و آسیاب می شوند. این کار توسط آسیاب کننده های گلوله ای[1] انجام می شود.
اگر درصد گرافیت پولکی در مواد استخراج شده زیاد باشد می توانیم از آن برای ساختن بوته های دیرگداز در صنایع فلزات، استفاده کنیم.
یک گرافیت پولکی با کیفیت بالا دارای بیش از 90% کربن است و مش آن بین 20 تا 90 است.
دیگر استفاده هایی که از این ماده می شود عبارت است از محصولاتی که تحت اصطکاک قرار می گیرند، روانسازهای روغنی و گریس ها، روانسازهای خشک به صورت یک فیلم نازک، باتری ها، پوشش های هادی جریان الکتریکی، افزودنی های کربنی، تولید مواد و دیگر موارد.
[1] – Ball – mill

مشتقات کربنی پودری و ذره ای شکل:
یک دسته از مواد سنتز شده، پودرها و ذراتی هستند که از کربن مشتق می شوند. این گروه جزء دسته کربن سیاه قرار می گیرند. این مواد وقتی تشکیل می شوند که هیدروکربن ها در هوای با اکسیژن ناکافی بسوزند. ذرات کربن سیاه در حقیقت توده ای از میکروکریستال های گرافیتی هستند و اندازه آنها فقط در حدود چند برابر پارامتر شبکه است و آنقدر کوچک هستند که معمولاً با تکنیک های تفرق قابل تشخیص نخواهند بود. خواص فیزیکی این مواد بستگی به طبیعت و اندازه سطح آنها دارد.
کربن سیاه
کربن سیاه به دو شیوه اصلی ساخته می شود که عبارتند از: فرآیند کانال و فرآیند حرارتی .
1- فرآیند کانال
به این صورت است که تعداد بسیار زیادی شعله های کوچک که از گاز طبیعی تغذیه می شوند به یک سطح فلزی سرد برخورد می کنند. این سطح فلزی می تواند چند شکل مختلف داشته باشد، می تواند مانند یک کانال، یک غلتک و یا یک دیسک گردان باشد. در اثر برخورد شعله ها با این سطح سرد کربن سیاه بر روی آنها می نشیند. اندازه ذرات نشسته بر سطح بسیار کوچک و شکل آن کروی است. اگر سطح مورد استفاده کانال شکل باشد ذرات بدست آمده کمترین اندازه ( ~ 10 nm ) و بیشترین میزان سطح آزاد را دارا هستند.
2- فرآیند حرارتی
مبنای آن تجزیه حرارتی گاز طبیعی در غیاب هوا است. که این کار در
Preheated fire brick – lined chamber انجام می شود. در این فرآیند اندازه ذرات حدوداً nm 500 و مسلماً اندازه سطح آزاد بیشتر است.

کاربردها
مهم ترین کاربرد کربن سیاه به عنوان ماده پرکننده در لاستیک ها است کاربرد کربن سیاه استحکام، سختی، سفتی و مقاومت حرارتی و سایشی لاستیک را افزایش می دهد.
این ماده پایه اغلب جوهرهای تایپ است و دارای بازار بسیار بزرگی در این زمینه است. حدود %13-11 جوهرها را کربن سیاه تشکیل می دهد و به طور متوسط برای چاپ هر تن کاغذ kg 16 جوهر نیاز است. دیگر کاربردهای آن در دوات ها ، گرافیت و کربن قالبگیری شده است.
دوده[1]
دوده یکی از قدیمی ترین اشکال کربن محسوب می شود. در چین باستان این ماده با جمع آوری دوده حاصل از سوختن روغن بدست می آمده. دوده چه در گذشته و چه حال به عنوان رنگ دانه سیاه برای جوهرها و رنگ ها مورد استفاده قرار می گیرد.
[1] – Lamp Black

تولید دوده
دوده در کوره های چند محفظه ای تولید می شود. ماده اولیه coal-tar و روغن نفتی که قبلاً پیشگرم شده اند در یک دبی مشخص از هوا، سوزانده می شوند. سپس ذرات بدست آمده را با یک جریان گاز خشک می کنیم تا نفت و دیگر ترکیبات آروماتیکی آن خارج شود و بعد این ذرات همراه جریان گاز وارد یک محفظه بزرگ می شوند. در این محفظه بزرگ ذرات به علت جاذبه ته نشین می شوند. پارامتری که در این فرآیند بسیار مهم است نسبت تغذیه به هوا است که این نسبت در ویژگی های محصول نهایی اثر مستقیم دارد.
اندازه ذرات
اندازه ذرات دوده حدود nm 200 – 100 است. اندازه ذرات کنترل کننده رنگ و جذب روغن است

خواص
دوده ماده ای نرم، آمورف است. دانسیته ظاهری آن به شکل ذرات و گازهایی که همراه ماده است بستگی دارد. این گازها شامل هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و ترکیبات گوگردی است که از منبع Coal – tar سرچشمه گرفته اند.
ترکیب
ترکیب یک نوع دوده که در دمای C105 خشک شده است به صورت زیر است:

کربن % 67/90
هیدروژن % 20/1
نیتروژن traces
اکسیژن % 41/7
گوگرد % 66/0
استیلن سیاه
استیلن سیاه از تجزیه حرارتی استیلن (C2H2) بدست می آید. این گاز در لوله هایی وارد می شود و در غیاب هوا و در دمای C800 حرارت داده می شود و به این ترتیب استیلن تجزیه می شود. این واکنش بسیار گرمازا است و نیاز به حرارت اضافی چندانی ندارد.
ترکیب و خواص
استیلن مثل دوده ای با کیفیت بالا است. خلوص آن بالاتر، ظرفیت جذب آن بیشتر و رسانایی الکتریکی آن بیشتر است. در جدول بعد خواص و ترکیب این ماده آورده شده است.

کاربردها
کاربردهای آن عبارتند از استفاده در پیل های خشک و به عنوان ماده پرکننده در لاستیک ها و پلاستیک ها به خصوص اگر نیاز به رسانایی الکتریکی داشته باشیم
ترکیبات بین نشین
وقتی یک اتم، مولکول یا یون خارجی در بین لایه های گرافیت قرار بگیرد یک ترکیب از گرافیت بدست می آید. این ترکیبات بر دو دسته هستند:
(الف) ترکیبات کووالانسی
(ب) ترکیبات بین نشین
ترکیبات کووالانسی گرافیت
در این ترکیبات یک پیوند کووالانسی بین اتم خارجی و اتم کربن برقرار می شود و باعث شکسته شدن پیوند  بین لایه ها می شود و در نتیجه الکترون های  که قبلاً می توانستند آزادانه حرکت کنند اکنون نمی توانند. به این ترتیب کاهش محسوسی در رسانایی ماده ایجاد می شود، ساختار لایه لایه به هم می ریزد و تبدیل به ساختاری متراکم شبیه الماس می شود. فاصله بین صفحه ها افزایش می یابد و به nm 7/0 می رسد.

اکسید گرافیت
فرمول آن به شکل C2O است که اتم های اکسیژن تشکیل پل های C–O–C می دهند. این ماده با واکنش میان گرافیت (معمولاً گرافیت طبیعی پولکی ) با یک ماده اکسید کننده قوی مثل پرمنگنات پتاسیم (K2MnO4) ، کلرات پتاسیم (KClO3) و یا بخار اسیدنیتریک (HNO3) بدست می آید.
ساختار اکسید گرافیت هنوز به درستی مشخص نشده است و مدل های گوناگونی برای آن ارائه شده. فاصله بین لایه ها در این ماده nm 7/0-6/0 است. در شکل بعد ساختار این ماده نشان داده شده است.
اکسید گرافیت بسیار رطوبت گیر است و میزان جذب رطوبت آن از سیلیکا ژل نیز بیشتر است.
فلورید گرافیت
وقتی که گرافیت (معمولاً گرافیت طبیعی پولکی) با فلوئور ترکیب می شود، فلوئورید گرافیت تشکیل می شود. این فلوئورید ممکن است ترکیبات مختلفی به شکل CFx (1/1 – 3/0 = X ) داشته باشد. وقتی که نسبت های استوکیومتری به درستی رعایت شود CF به راحتی بدست می آید و فاصله بین لایه ای به nm 8/0 خواهد رسید.
ساختار فلوئورید گرافیت در شکل بعد نشان داده شده است. الگوی تفرق اشعه X نیز برای اکسید گرافیت، فلوئورید گرافیت و اکسید گرافیت فلوئورینه شده در شکل مشخص شده است.

ترکیبات بین نشین گرافیت
این ترکیبات نیز مثل ترکیبات کووالانسی از قرار گرفتن اتم های خارجی در درون شبکه گرافیت تشکیل می شود ولی در این ترکیبات نوع پیوندها متفاوت است و به صورت یک charge – transfer interaction است. در این ترکیبات واکنش های الکترونی باعث می شود که رسانایی الکتریکی در راستاهای ab افزایش یابد.
انواع آن:
این نکته لازم به ذکر است که مقادیر مختلفی از مواد خارجی می توانند در بین شبکه گرافیت قرار بگیرند. یعنی اینکه ترکیبات بین نشین گرافیتی گسترده هستند.
در حالتی که حداکثر ماده بین نشین در شبکه گرافیت قرار می گیرد، نوع اول ترکیبات بین نشین بدست می آید.
ترکیبات الکترون گیرنده و ترکیبات الکترون دهنده:
اگر ماده بین نشین، یک الکترون به لایه گرافیت مجاور خود بدهد، به عنوان دهنده شناخته می شود ولی اگر یک الکترون از لایه مجاور بگیرد به عنوان گیرنده شناخته می شود. ترکیبات الکترون دهنده مثل پتاسیم و ترکیبات الکترون گیرنده مثل پنتافلوئورید آرسنیک می باشند.
کاربردهـا
روانسازهای جامد
استفاده اصلی ترکیبات کووالانسی و بین نشین به عنوان روانسازهای جامد است. روانسازهای جامد باعث می شوند اصطکاک و سایش بین سطوح کاهش یابد. مزیت گرافیت نسبت به روانسازهای مایع در جدول بعد ذکر شده است.

گرافیت و ترکیبات آن، دی سولفید مولیبدن (MOS2) ، پلی تترافلوراتیلن (تفلن) بهترین روانسازهای جامد شناخته شده هستند ولی این مواد برای تمام شرایط محیطی مناسب نیستند. به علاوه اگر برای حرکت سطوح یا قطعات از یک جزء غلتکی شکل نیز استفاده شود باعث می شود تا بازده کاری این مواد افزایش چشمگیری داشته باشد. خواص گرافیت و فلوئورید گرافیت در شکل بعد نشان داده شده است.
گریفویل[1]
این ماده معمولاً از گرافیت طبیعی با ماده بین نشین اسیدسولفوریک یا اسیدنیتریک تشکیل شده است. در واقع وقتی ماده ای که در بالا ذکر شد را به سرعت حرارت دهی می کنیم و دمای آن را بالا می بریم به صورت پوسته پوسته یا ورقه ورقه در می آید. این پوسته ها یا پولک ها پرس می شوند و به صورت فویل در می آیند. سپس بازپخت می شوند. فویل به دست آمده دانسیته کمی دارد، بدون شکل است و سطح آن صاف و صیقلی است. کاربردهای متعددی نیز دارد به طور مثال برای آب بندی و درزگیری در دماهای بالا.
[1] – Gray foil

کاربردهای الکتروشیمیایی
گرافیت توانایی بی نظیری در بین نشین کردن یون های مثبت و منفی در میان لایه های خود دارد. همین موضوع باعث شده است تا گرافیت بین نشین مصارف الکتروشیمیایی متعددی داشته باشد. به عنوان مثال در باتری ها. یک نمونه مهم از باتری ها که دانسیته انرژی آنها بالا است توسط لیتیم و فلوئورین ساخته می شود. لیتیم آند است و کاتد آن فلوئورید گرافیت می باشد. همچنین فیبرهای گرافیتی ای ساخته شده که فلوئورین در آن به صورت بین نشین قرار گرفته است.
فعال سازی ، جذب ، کاتالیزوری
زغال چوب و فعال سازی
زغال چوب
زغال چوب نوعی کربن متخلخل است که در اثر تقطیر مواد آلی در غیاب هوا بدست می آید. مواد حاصل از این تقطیر عبارتند از Wood tar ، الکل چوب، اَستون و ترکیبات گازی. ماده اولیه آن پوست نارگیل است که زغال خوبی تولید می کند. می توان زغال را از حرارت دادن استخوان حیوانات نیز بدست آورد. ماده ای که به این صورت بدست می آید به اسم استخوان سیاه شناخته می شود.
[1] – Gray foil
فعال سازی
فعال سازی یعنی افزایش تخلخل ها و افزایش اندازه سطح مواد کربنی . وقتی مواد کربنی را تولید می کنیم تخلخل کمی دارند و در ساختار آنها ترک های ریز و درزهای زیادی وجود دارد که در هنگام کربونیزاسیون توسط موادی مانند قطران[1] پُر می شوند. پس به همین دلیل تخلخل ها بسته می شوند و برای باز کردن این تخلخل ها نیاز است فرآیند فعال سازی روی آنها انجام گیرد. فرآیند فعال سازی
برای فعال سازی دو روش وجود دارد
1- یکی اکسیداسیون جزئی توسط بخار آبی که دمای بالا دارد. در این حالت کربن های محبوس در تخلخل ها خارج خواهند شد.
2- دوم اینکه به جای بخار آب از اکسید کربن در این فرآیند استفاده شود. البته می توان ترکیبی از دو فرآیند فوق را به کار برد.

این واکنش ها گرماگیر هستند و برای آنکه واکنش در دمای ثابت انجام گیرد باید به آن دما بدهیم. برای آنکه میزان تخلخل ها را افزایش دهیم می توانیم از مواد افزودنی مثل KOH, H3PO4, ZnCl2 و غیره استفاده کنیم.
C + H2O  CO + H2 H = + 117 Kj/mol توسط بخار ( 1 ) Eq
C + CO2  2CO2 H = + 150 Kj/mol با اکسید کربن ( 2 ) Eq

مولکول های H2O کوچکتر از مولکول های CO2 هستند و سریع تر به درون تخلخل ها نفوذ می کنند پس سرعت واکنش Eq ( 1 ) بیشتر است و فعال سازی با بخار بسیار موثرتر و متداول تر است.
[1] – Tar – like
خواص کربن فعال شده در جدول بعد ارائه شده است. فعال سازی توسط بخار ، درKPa 82 ـ 57 و برای 12 – 10 ساعت انجام گرفته است.

فعال سازی روشی ساده برای آن است که اندازه سطوح داخلی کربن را افزایش دهیم. در این فرآیند ما می توانیم اندازه تخلخل ها را کنترل کنیم.اندازه سطح داخلی کربن حدود m2/g 1500 – 500 است.
2-4- جذب سطحی
جذب سطحی را می توان به این صورت تعریف کرد ؛ تشکیل یک لایه مایع یا گاز بر روی سطح جامد. چون اندازه سطح کربن های فعال شده بسیار زیاد است پس جذب آنها نیز بالا خواهد بود. البته اندازه تخلخل ها تعیین می کند که اندازه مولکول های جذب شده چقدر باشد. این نکته را نیز می دانیم که با فرآیند فعال سازی می توانیم اندازه تخلخل ها را کنترل کنیم. کربن های فعال شده که مورد استفاده قرار می گیرند اغلب شکل دانه ای و ذره ای دارند. البته فیبرهای فعال شده ای مثل پلی وینیلیدین کلراید ( سَرَن ) نیز برای کاربردهای متفاوت و خاص، موجود می باشد.
کاربردها
کاربرد کربن های فعال شده زیاد است و بازاری بزرگ و روبه رشد دارد. کاربردهای کربن فعال شده عبارتند از : 1- جدا کردن و خارج کردن رنگ و بو
2-در خالص سازی آب
3-خارج کردن گازهای سمی
4- تصفیه هوا
5- جذب یون های فلزی برای بازیابی فلزات
6- رنگ زدایی و تصفیه شکر
7- داروسازی، عکس های رنگی و بسیاری موارد دیگر.

کاتالیزورها
کاتالیزورها استفاده بسیار زیادی دارند و امروزه به جزئی مهم در صنعت شیمی تبدیل شده اند. یک گروه مهم از کاتالیزورها را پلاتین تشکیل می دهد. این گروه از کاتالیزورها به صورت گسترده در اکسیداسیون گازها، در صنایع نفت و صنایع داروسازی، پیل های سوختی برای تولید انرژی و بسیاری موارد دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. دیگر کاتالیزورهای مهم عبارتند از آهن، نیکل و برخی فلزات انتقالی.
این کاتالیزورها به صورت یک فیلم نازک بر روی یک تکیه گاه، رسوب داده می شوند. نقش این تکیه گاه آن است که اندازه سطح این کاتالیزور را تا حد ممکن افزایش دهد. به علاوه این تکیه گاه نباید با حلال، حل شوند. و محصولات وارد واکنش شود و باید در شرایط دمایی فرآیند پایدار باشد.
دو گروه اصلی از این تکیه گاه ها عبارتند از : کربن های فعال شده ( که عموماً به اسم زغال چوب فعال شده شناخته می شوند) و آلومینای فعال شده.
پالادیم ، پلاتین و یا دیگر نمک های فلزی به کربن فعال شده تلقیح می شود.
آلومینای فعال شده اندازه سطح بسیار کمتری دارد ( m2/g 350 vs. 75 ) و ظرفیت جذب سطحی آن نسبت به زغال چوب کمتر است.

1-برای ساخت نازل یک راکت در صورتی که از مواد ذیل استفاده شود کارایی قطعه ساخته شده را چگونه برآورد می کنید؟ توضیح دهید
الف-گرافیت پیرولیتی لایه ای
ب- گرافیت پیرولیتی ستونی
ج- کربن ایزوتروپ
2-تفاوتCVD رآکتور بستر سیال با راکتور دیواره سرد و پلاسما در چیست؟ با کدامیک از ایین تجهیزات می توان قطعات گرافیت پیرولیتی لایه ای تهیه نمود. شرح دهید.
3- دلایل دانسیته کمتر کربن پیرولیتی ایزو تروپ نسبت به نوع لایه ای و ستونی را شرح دهید.
4-تاثیر عملیات حرارتی را بر کربن های پیرولیتی(هر سه نوع) را توضیح دهید
5- تاثیر نوع فرآیند شکل دهی را بر خواص فیزیکی و مکانیکی گرافیت قالب گیری شده را شرح دهید
6- برای ساخت نازل موشک کدامیک از این ترکیبات را توصیه می کنید چرا؟
الف) کربن زجاجی ب)کربن پیرولیتیک ایزو تروپ ج) گرافیت قالب گیری شده با پرس ایزو استاتیک سرد ریز دانه
7- تاثیر اندازه دانه را بر ریز ساختار و خواص فیزیکی و مکانیکی قطعات گرافیت قالب گیری شده شرح دهید.