كيف تبدو البنية المجهرية (البنية البلورية) لفحم الكوك البترولي المتبلور؟

أولاً: خصائص البنية البلورية

البنية الطبقية: تتكون البنية البلورية لفحم الكوك البترولي المُجرافن من شبكات مستوية من ذرات الكربون السداسية. تتراص هذه الشبكات المستوية طبقةً تلو الأخرى، مُشكلةً بنيةً طبقيةً نموذجية. وترتبط الطبقات بقوى فان دير فالس الضعيفة نسبيًا، مما يُكسب الجرافيت خصائص التزييت والتباين.
ثوابت الشبكة البلورية: بعد معالجة الجرافيت، تقترب ثوابت الشبكة البلورية (a₀ و c₀) لفحم الكوك البترولي من ثوابت الجرافيت الطبيعي، مما يدل على تشابه كبير في بنيتهما البلورية. هذه الخاصية البنيوية تُمكّن فحم الكوك البترولي المُجرافيت من إظهار موصلية كهربائية وحرارية ممتازة.
المعايير الميكروكريستالية: باستخدام حيود الأشعة السينية، يمكن حساب معايير مثل المسافة بين الطبقات (d₀₀₂)، ومتوسط ​​قطر الطبقة (Lₐ)، وارتفاع التراص (Lc) للبلورات الميكروية في فحم الكوك البترولي المُجرافيت. تعكس هذه المعايير حجم البلورات الميكروية وترتيبها، وتُعد مؤشرات مهمة لتقييم درجة التجرافيت.

ثانيًا: آثار عملية التغرافيت

التحول من الحالة غير المتبلورة إلى الحالة المتبلورة: قبل عملية التبلور، تكون بنية الكربون في فحم الكوك البترولي غير متبلورة، وتتميز ببنية مادية "غير منتظمة على المدى البعيد، منتظمة على المدى القريب". من خلال معالجة التبلور (التي تُجرى عادةً عند درجات حرارة عالية تتراوح بين 2500 و3000 درجة مئوية)، يتحول الكربون غير المتبلور تدريجيًا إلى بنية بلورية جرافيتية ثلاثية الأبعاد منتظمة.
زيادة حجم البلورات الدقيقة: أثناء عملية التغرافيت، يزداد متوسط ​​سمك (Lc) وعرض (Lₐ) رقائق شبكة الكربون، بينما تقل المسافة بين الطبقات (d). ينتج عن ذلك زيادة في حجم البلورات الدقيقة وبنية بلورية أكثر مثالية.
انخفاض المقاومة: مع ازدياد درجة التغرافيت، تنخفض مقاومة فحم الكوك البترولي المتغرافيت بشكل ملحوظ. ويعود ذلك إلى أنه خلال عملية التغرافيت، يصبح ترتيب ذرات الكربون أكثر انتظامًا، مما يسمح للإلكترونات بالتحرك بحرية أكبر داخل طبقات الكربون، وبالتالي تعزيز التوصيل الكهربائي.

ثالثًا: العلاقة بين البنية المجهرية والخواص

الموصلية الكهربائية: يسمح التركيب البلوري الطبقي لفحم الكوك البترولي المُجرافن للإلكترونات بالتحرك بحرية داخل طبقاته، مما ينتج عنه موصلية كهربائية ممتازة. هذه الخاصية تجعل فحم الكوك البترولي المُجرافن واسع الاستخدام في مجالات مثل مواد الأقطاب الكهربائية والمضافات الموصلة.
الموصلية الحرارية: بفضل قوى فان دير فالس التي تربط الطبقات، يمكن نقل الحرارة بسرعة داخل مستويات الطبقات. ونتيجة لذلك، يتميز فحم الكوك البترولي المُجرافن بموصلية حرارية جيدة، مما يجعله مناسبًا لتصنيع مواد تبديد الحرارة وغيرها من التطبيقات.
الخواص الميكانيكية: يمنح التركيب البلوري لفحم الكوك البترولي المُجرافن قوة ميكانيكية معينة. مع ذلك، بالمقارنة مع المواد المعدنية، ينتج عن تركيبه الطبقي روابط أضعف بين الطبقات، مما يؤدي إلى انخفاض نسبي في مقاومة الانحناء والضغط. تمنح هذه الخاصية فحم الكوك البترولي المُجرافن ميزة تطبيقية في الحالات التي تتطلب تحمل ضغوط معينة دون الحاجة إلى قوة عالية.