Grafiet

Grafiet is een vorm van het element koolstof. Koolstof komt ook voor als Buckminsterfullereen en diamant.

Grafiet is één van de zachtste vaste elementaire materialen. De kristalstructuur is hexagonaal. Grafiet bestaat atomair gezien uit lagen, die gemakkelijk van elkaar af kunnen schuiven. Deze eigenschap zorgt ervoor dat het afgeeft en daardoor toepasbaar is in potloden. Grafiet wordt daarom ook wel als smeermiddel gebruikt.

Grafiet komt op verschillende plaatsen in de bodem voor. Er bestaat echter ook synthetisch gemaakt grafiet: dit wordt geproduceerd uit cokes, vermengd met teer, voorgebakken en uiteindelijk volgens het Acheson-proces onder hoge stroomsterkten omgezet in elektrografiet. Toepassingen van dit elektrografiet zijn onder andere koolborstels voor elektromotoren, hoge temperatuur toepassingen, zelfsmerende glijlagers, en in gemodificeerde vorm als pakkingmateriaal.

Grafiet is in tegenstelling tot diamant een elektrische geleider.

Categorie: Mineraal

Hexagonaal

Hexagonaal is de benaming voor een type tralie, of kristalstelsel, dat de hexagonale dichtste stapeling bezit. Het behoort tot één van de veertien Bravaistralies. Mineralen met een hexagonale structuur zijn onder meer cadmium en magnesium.

Wanneer een tralie zich herhaalt in dezelfde stand, in drie onafhankelijke richtingen (zodat er een heel groot rooster ontstaat van tralies naast elkaar), en er op ieder traliepunt een atoom of ion wordt ingevuld, noemt men het resultaat een hexagonaal kristalrooster. De atomen of ionen hebben zich dan op dezelfde manier gerangschikt zoals te zien is in het plaatje met het hexagonale rooster.

De structuur kent meerdere varianten:

Ten opzichte van een materiaal met een kubisch rooster (zoals k.v.g. en k.r.g.) heeft een materiaal met een hexagonaal kristalrooster minder glijvlakken. Om precies te zijn treedt de afschuiving alleen op aan de {001}-vlakken, in de <100>-richting. Door het geringe aantal mogelijkheden in afschuiving, is er in hexagonale roosters dan ook meer kans op de vorming van tweelingen.

In tegenstelling tot bij kubische roosters, geeft het rekenen met drie assen bij hexagonale roosters soms problemen. Om deze problemen te ondervangen kan een vierde as aan het coördinatenstelsel worden toegevoegd. In de praktijk wordt deze vierde as door kristallografen niet echt meer gebruikt sinds de komst van geschikte rekensoftware, maar binnen sommige andere vakgebieden komt het gebruik ervan nog voor. Het coördinatenstelsel kent een z-as en drie assen (a1, a2 en a3) in het grondvlak. Deze assen zijn ten opzichte van elkaar 120 graden gedraaid.

Koolstof

Koolstof is een scheikundig element met symbool C en atoomnummer 6. Het is een kleurloos niet-metaal.

Koolstof werd al in de prehistorische oudheid ontdekt en gebruikt in de vorm van houtskool, dat bereid werd door organisch materiaal (meestal hout) te verhitten in een zuurstofarme omgeving. Het Engelse carbon is dan ook afgeleid van het Latijn, waar carbo houtskool betekent.

Ook diamanten, die een andere allotrope vorm van koolstof zijn, zijn sinds lang bekend. Pas sinds enkele decennia is het mogelijk deze synthetisch te vervaardigen. Fullerenen, de derde allotrope vorm, werden in de jaren 80 (20e eeuw) bij toeval ontdekt.

De voornaamste toepassing van koolstof is in de vorm van koolwaterstoffen, met name de fossiele brandstoffen aardgas en ruwe olie. Uit ruwe olie wordt in de petrochemische industrie onder andere petroleum, benzine en kerosine gedestilleerd en het dient als basis voor veel synthetische stoffen, waaronder plastics.

Andere toepassingen zijn:

Buckminsterfullereen

Fullerenen zijn moleculen die geheel bestaan uit koolstof, in de vorm van een holle bol, ellipsoïde of buis. Bolvormige fullerenen worden in de wandeling buckyballs genoemd en cilindrische fullerenen buckybuizen (buckytubes) of (koolstof) nanobuizen (nanotubes).

De klasse moleculen is genoemd naar Richard Buckminster Fuller, een bekend architect die de geodetische koepel beroemd heeft gemaakt. Buckminsterfullereen (rechts) heeft een daarmee vergelijkbare vorm.

Fullerenen lijken qua structuur op grafiet, dat bestaat uit een laag van verbonden zeshoekige ringen, maar fullerenen bevatten vijfhoekige (of soms zevenhoekige) ringen die voorkomen dat de laag vlak is. Het kleine fullereen zonder aangrenzende vijfhoeken - wat destabiliseert - is C60, buckminsterfullereen.

C60 heeft als structuur een afgeknotte icosaëder, wat lijkt op een voetbal die is opgebouwd uit vijf- en zeshoeken, met een koolstofatoom op de hoeken van elke zeshoek en een binding langs elke zijde. De ionisatie-energie van C60, dat is de energie die nodig is om één elektron van C60 te verwijderen, bedraagt 7,55 eV. C60 heeft bijzondere elektronische en mechanische eigenschappen die de aanzet hebben gevormd tot veel onderzoek. Als C60 door middel van een ion of foton energie opneemt kan het in trilling gebracht, geioniseerd of gefragmenteerd worden. Een voorbeeld van fragmentatie is de herhaaldelijke verdamping van een C2-molecuul, waardoor er C60-2n-moleculen ontstaan.

Een gepolymeriseerde enkelwandige nanobuis is een stof die bestaat uit gepolymeriseerde fullerenen waarin koolstofatomen van de ene buckybuis binden met koolstofatomen in een andere nanobuis.

Smeermiddel

Een smeermiddel is een stof die gebruikt wordt om het langs elkaar glijden van twee vaste delen, bijvoorbeeld in een motor, te vergemakkelijken.

Er bestaan zowel vaste als vloeibare smeermiddelen. Voorbeelden van vaste smeermiddelen zijn grafiet, hexagonaal boornitride en molybdeensulfide. Al deze stoffen bezitten een plaatstructuur, dat wil zeggen een structuur opgebouwd uit min of meer stijve lagen die gemakkelijk langs elkaar kunnen glijden. Voor vloeibare smeermiddelen worden verschillende oliën gebruikt, maar ook water is een smeermiddel. Daarom mogen waterpompen nooit lang drooglopen.

Zie ook: Glijmiddel

Het woord wordt ook wel overdrachtelijk gebruikt om aan te geven dat het een bepaalde zaak iets soepeler kan doen verlopen.

Categorie: Motortechniek

Cokes

Cokes (in de industrie wordt ook de spelling kooks gebruikt) is het product van droge destillatie van steenkolen bij temperaturen tussen de 900 en 1100 °C.

Cokes wordt gebruikt als reductiemiddel bij de productie van ruw ijzer. Daarnaast dient cokes ook als dragermateriaal in een hoogoven voor de pellets en sinter. De derde functie van cokes in een hoogoven is het doorlaatbaar houden van de lading zodat de hete wind door de hoogoven kan stromen zonder groot drukverschil.

Door de droge destillatie van vermalen steenkool ontstaat cokes. De steenkool wordt plastisch bij temperatuur van ongeveer 300 tot 600 °C, en stolt weer wanneer de vluchtige componenten zijn ontweken. Door het vervluchtigen van een deel van de kolen ontstaat een poreuze structuur. Deze behandeling geeft de cokes eigenschappen waardoor het geschikt wordt voor gebruik in hoogovens.

De vluchtige bestandsdelen die tijdens het vercokesen vrijkomen worden later deels weer gecondenseerd, als kolenteer. Het overige gas, voornamelijk methaan en waterstof, wordt na een aantal reinigingsstappen veelal voor energiewinning gebruikt. Tijdens de reinigingsstappen kunnen stoffen als ammoniak, zwavelwaterstof, benzeen, tolueen en xyleen worden gewonnen. Het ammoniak kan gebruikt worden om bijvoorbeeld kunstmest te maken en het zwavelwaterstof voor zwavelzuur of zwavel.

Ter vervanging van cokes worden in de hoogovens ook vermalen kolen rechtstreeks geinjecteerd. Dit kan slechts tot een bepaald niveau omdat kooks meerdere functies heeft in een hoogoven.

Koolborstel

Een koolborstel is een onderdeel van een elektromotor of een generator, bedoeld om de stroom over te brengen van het statische deel(stator) naar het roterende deel (anker) en terug. Wanneer een elektromotor koolborstels heeft zijn dat er tenminste twee. Er zijn ook elektromotoren zonder koolborstels, zoals asynchrone-, synchrone en stappen- motoren. Hierbij wordt het magnetische veld van de rotor met permanente magneten verkregen (synchrone en stappenmotoren) of via inductie opgewekt (asynchrone motoren). Een gelijkstroommotor is wel met koolborstels uitgevoerd en dan hebben die meteen de functie om de wisselstroom steeds zó om te schakelen dat een gelijkstroom ontstaat. Dat gebeurt doordat de sleepring in aparte sectoren is verdeeld zodat bij een bepaalde stand van de rotor en een bepaalde polarisatie van de magnetische polen een bepaalde richting van de stroom hoort. Een in sectoren verdeelde sleepring heet commutator. Een stofzuigermotor is bijvoorbeeld een gelijkstroommotor die als wisselstroommotor gebruikt kan worden. Dat kan omdat de zelfinductie van de spoelen niet te groot is gekozen (seriemotor) en zowel de stator als de rotor beide tegelijk ompolen, zodat de kracht dezelfde kant op blijft werken. (min maal min is plus)

Een koolborstel bestaat uit een kabelschoen, een geleidende draad (litze), en een grafietblokje met zelfsmerende eigenschappen. Een koolborstel is verbonden met de stator, het statische deel van de motor, en maakt van daaruit verend contact met de collector of cummutator, het roterende deel (anker). Op deze wijze schuift of wrijft de koolborstel over het roterende deel.

Het grafiet heeft, afhankelijk van de aan de motor gestelde eisen, een samenstelling met een bepaald percentage kool of koper. Omdat het grafiet zachter is dan de commutator slijt deze meer en blijft de levensduur van het roterende deel hoog. Een koolborstel is daarom zó gemaakt, dat hij gemakkelijk te vervangen is.

Het voordeel van grafiet is dat het een negatieve temperatuurscoëfficiënt heeft d.w.z. dat de elektrische weerstand bij een hogere temperatuur lager wordt. Door de wrijving van de koolborstel over de commutator ontstaat warmte. Bij de meeste materialen zouden daardoor de elektrische weerstand en de verliezen groter worden, bij koolstof (grafiet) niet.

Ook bij een pantograaf, de stroomafnemer bij treinen, wordt grafiet om dezelfde redenen gebruikt. Om de slijtage niet te groot te laten worden en om de slijtage van de sleper gelijkmatig te laten verlopen, wordt de bovenleiding zigzaggend aangelegd.