מהו המיקרו-מבנה (מבנה הגביש) של קוק נפט שעבר גרפיטיזציה?

א. מאפייני מבנה הגביש

מבנה שכבתי: מבנה הגביש של קוק נפט שעבר גרפיטיזציה מורכב מרשתות מישוריות של אטומי פחמן משושים. רשתות מישוריות אלו נערמות שכבה אחר שכבה ויוצרות מבנה שכבתי טיפוסי. השכבות מחוברות באמצעות כוחות ואן דר ואלס חלשים יחסית, המעניקים לגרפיט יכולת סיכה ואניסוטרופיה.
קבועי סריג: לאחר טיפול בגרפיטיזציה, קבועי הסריג (a₀ ו-c₀) של קוק נפט מתקרבים לאלה של גרפיט טבעי, דבר המצביע על דרגה גבוהה של דמיון במבני הגביש שלהם. תכונה מבנית זו מאפשרת לקוק נפט שעבר גרפיטיזציה להציג מוליכות חשמלית ותרמית מצוינת.
פרמטרים מיקרו-גבישיים: באמצעות דיפרקציית קרני רנטגן, ניתן לחשב פרמטרים כגון מרווח בין השכבות (d₀₀₂), קוטר השכבה הממוצע (Lₐ) וגובה הערימה (Lc) של המיקרו-גבישים בקוק נפט שעבר גרפיטיזציה. פרמטרים אלה משקפים את גודל וסידור המיקרו-גבישים ומשמשים כאינדיקטורים חשובים להערכת מידת הגרפיטיזציה.

II. השפעות תהליך הגרפיטיזציה

מעבר ממצב אמורפי למצב גבישי: לפני הגרפיטיזציה, מבנה הפחמן של קוק נפט הוא אמורפי, המאופיין במבנה חומר "לא מסודר לטווח ארוך, מסודר לטווח קצר". באמצעות טיפול גרפיטיזציה (המבוצע בדרך כלל בטמפרטורות גבוהות הנעות בין 2500°C ל-3000°C), הפחמן האמורפי הופך בהדרגה למבנה גבישי גרפיט תלת-ממדי מסודר.
עלייה בגודל המיקרוקריסטליט: במהלך הגרפיטיזציה, העובי הממוצע (Lc) והרוחב (Lₐ) של פתיתי סריג הפחמן גדלים, בעוד שהמרווח בין השכבות (d) קטן. התוצאה היא עלייה בגודל המיקרוקריסטליט ולמבנה גבישי מושלם יותר.
הפחתת התנגדות: ככל שרמת הגרפיטיזציה עולה, ההתנגדות של קוק נפט שעבר גרפיטיזציה יורדת משמעותית. הסיבה לכך היא שבמהלך הגרפיטיזציה, סידור אטומי הפחמן הופך מסודר יותר, מה שמאפשר לאלקטרונים לנוע בחופשיות רבה יותר בתוך מישורי השכבה, ובכך לשפר את המוליכות החשמלית.

ג. הקשר בין מיקרו-מבנה לתכונות

מוליכות חשמלית: מבנה הגביש השכבתי של קוק נפט גרפיט מאפשר לאלקטרונים לנוע בחופשיות בתוך מישורי השכבה, וכתוצאה מכך מוליכות חשמלית מצוינת. תכונה זו הופכת קוק נפט גרפיט לשימוש נרחב בתחומים כמו חומרי אלקטרודה ותוספים מוליכים.
מוליכות תרמית: בשל כוחות ואן דר ואלס המחברים את השכבות, חום יכול לעבור במהירות בתוך מישורי השכבה. כתוצאה מכך, קוק נפט גרפיטיזד מציג גם מוליכות תרמית טובה, מה שהופך אותו מתאים לייצור חומרי פיזור חום ויישומים אחרים.
תכונות מכניות: המבנה הגבישי של קוק נפט גרפיטיז מעניק לו חוזק מכני מסוים. עם זאת, בהשוואה לחומרים מתכתיים, המבנה השכבתי שלו גורם לקשר בין שכבות חלש יותר, מה שמוביל לחוזקי כיפוף ודחיסה נמוכים יחסית. מאפיין ביצועים זה מעניק לקוק נפט גרפיטיז יתרון יישום בתרחישים בהם הוא צריך לעמוד בלחצים מסוימים אך אינו דורש חוזק גבוה.