Глава 17. УГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КОМПОЗИЦИИ

Материалы этого типа с одной стороны относятся к неорганическим, а с другой стороны, искусственно получают их из органического сырья. Таким образом, они являются как бы переходными от органических к неорганическим материалам.

В природе углерод встречается в виде алмаза, графита и сажи. Искусственно получены ещё несколько форм углерода: карбин, фуллерены, нанотрубки.

Алмаз

Кристаллическая решётка алмаза относится к атомному типу. Элементарная ячейка представляет собой тетраэдр, в центре и четырёх вершинах которого расположены атомы углерода. Координационное число решётки алмаза равно 4, все атомы углерода в кристаллической решётке расположены друг от друга на одинаковом расстоянии 1,54 Å. Каждый из них связан друг с другом неполярной ковалентной связью. Любой кристалл алмаза, следовательно, можно рассматиривать как гигантскую молекулу. Решётка алмаза, не имеющая искажённых валентных углов, сильно сопротивляется любым видам деформации. По этой причине алмазу свойственны высокая твёрдость (наибольшая из всех известных веществ), высокая прочность, заметная хрупкость, тугоплавкость (он возгоняется при 3700^оС). Плотность алмаза 3510 кг/м³.

В природе алмазы образовались от 1750×10⁶ до 90×10⁶ лет тому назад на большой глубине (около 150 – 200 км) в мантии земли, где стабильные давление (Р ³ 45 ГПа) и температура (900 – 1400 ^оС), а затем магмой были вынесены в земную кору. Искусственное получение алмазов было осуществлено в 1897 году Муассеном путём насыщения расплава железа углеродом (графитом) и резким охлаждением слитка. Такая технология имитировала природные условия образования алмазов. С 1955 года алмазы получают в промышленных масштабах из графита при ~ 3000 ^оС и давлениях 10 ГПа. В настоящее время разработаны технологии синтеза не только изолированных кристаллов, но и поликристаллических блоков алмазов (алмазитов) при более мягких условиях (Р ³ 7,5 ГПа, Т=1500…2000^оС, катализатор).

Графит

Графит – более устойчивая форма, чем алмаз. При нагревании до высокой температуры в отсутствии воздуха алмаз превращается в графит. Природный графит имеет вид землистой или слоистой тёмно-серой массы с металлическим блеском, холодной и жирной на ощупь. Графит имеет гексагональную кристаллическую решётку, атомы углерода расположены в параллельных слоях (базисных плоскостях). В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, связь в 6 раз слабее, чем в слоях. Из-за этого отдельные слои легко скользят относительно друг друга и это свойство используется при создании антифрикционных материалов. Другой особенностью графита является высокая электропроводность (однако, ниже, чем у металлов и сплавов), значительная теплопроводность и стойкость к воздействию неблагоприятных климатических факторов. Эти свойства обусловили применение графита в электро- и радиотехнике.

Известен ряд способов получения искусственного графита путём термической перекристаллизации углей при температуре 2200 – 2500 ^оС. Благодаря испарению зольных примесей искусственные графиты более чистые, чем природные.

Путём термического разложения паров углеводородов в вакууме или в среде инертного газа при температуре ³ 900 ^оС получают пиролитический углерод. По своим свойствам и структуре пиролитический углерод приближается к графиту. Расстояние между слоями с/2 несколько больше, чем у графита и достигает 3,7 Å. Наоборот, расстояния между атомами в слоях меньше, чем у графита и составляет 1,39 Å. Плёнки пиролитического углерода имеют сравнительно высокое электрическое сопротивление и применяются для получения резисторов поверхностного типа.

Сажи

Сажи – это продукт неполного сгорания или термического разложения углеродсодержащих веществ. В зависимости от исходного сырья и метода получения сажи подразделяются на: газовые (канальную, печную, термическую, специальную), ацетиленовую, антраценовую, форсуночную, ламповую и др. Существенной особенностью саж является их малый объёмный вес. Так, например, 1 л канальной сажи ДГ-100 весит от 50 до 150 г. Это объясняется высокой дисперсностью частиц сажи, которую обычно оценивают по величине удельной поверхности саж. Удельной поверхностью называется общая поверхность частиц в единице веса (1г) или объёма. Для сажи ДГ-100 удельная поверхность (геометрическая) составляет 92 – 100 м²/г. Первичная частица сажи состоит из нескольких тысяч более мелких частиц, называемых кристаллитами. Структура кристаллита представляет собой деформированную, искаженную решётку графита.

Рис. 6.2 Структура частиц сажи: а – плоская углеродная решётка сажевого кристаллита; б – расположение углеродных решёток в кристаллите; в – первичная частица сажи; г – цепочечная структура сажи

Сажи применяют в качестве пигментов в лакокрасочной промышленности, для окрашивания в массе полимеров, перерабатываемых через расплав, в качестве основного усилителя резиновых смесей, в качестве проводящего компонента в композиционных резистивных материалах и для изготовления изделий из угля.