УГЛЕГРАФИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Углеродистые материалы в зависимости от способа получения, исходного сырья могут иметь различную внутреннюю структуру, химические и физические свойства. В природе углеродное вещество существует в трех видах: алмаз, графит, угли.

Алмаз имеет объемноцентрированную кубическую решетку, кокс и многие угли являются аморфными веществами.

Основным структурным элементом графита является двумерная шестиугольная сетка. Она образуется во время графитизации уголь­ных материалов при температурах 2 500...2 700 К и выше.

Атомы в сетках имеют ковалентную связь, сетки располагаются параллельно друг другу и связаны между собой не химической свя­зью, а силами Ван-дер-Ваальса.

Как видно из рис. 35, каждый атом в сетке образует три кова­лентные связи, расположенные в одной плоскости, углы между ко­торыми составляют 120 °С. Четвертый валентный электрон не свя­зан, он образует связь типа металлической, хотя подвижность его и ограничена близким расположением шестиугольных сеток. Он-то и обеспечивает графиту многие металлические свойства (электропро­водность, теплопроводность). Различные типы связей атомов угле­рода в сетках и между ними обусловливают пластинчатую структу­ру графита. Не связанные электроны легко перемещаются в плоскостях, переход в другую плоскость затруднен, отсюда - высокая ани­зотропия электропроводности.

Расстояние между атомами в сетках (рис. 35, а) равно 1,42 А (0,142 нм), а между сетками (б) - 3,49 А (0,349 нм). Связь между сет­ками примерно в шесть раз слабее, чем между атомами в сетке.

Следствием такой структуры является высокая температура плавле­ния и испарения, так как трудно вырвать из сетки атом, поскольку это приводит к разрыву ковалентной связи. И наоборот, вследствие непроч­ной связи между гексагональными сетками, плоскости их легко скользят друг относительно друга, что и объясняет смазочные свойства графита.

К шестиугольным кольцам иногда примыкают атомы и атомные группы линейно полимеризованного графита и других элементов.

На рис. 36 приведена диаграмма агрегатного состояния графита. По оси абсцисс отложена абсолютная температура, а по оси ординат - давление над поверхностью графита в полулогарифмическом масштабе.

Рис. 35. Структура графита:

а - шес­тиугольная сетка; б - расположение сеток

Из диаграммы видно, что тройная точка графита соответству­ет температуре примерно 4 200 К и давлению 11 МПа (110 кгс/см²), то есть, при обычных давлениях он не плавится, а испаряется из твердой фазы, сублимирует. Теплота сублимации равна примерно 170 ккал/моль или 60 000 кДж/кг.

Атомная масса углерода - 12.

Твердость по Моосу: алмаза - 10 ед., графита - параллельно плоскостям - 1,5, в перпендикулярном направлении - 4,5.

Коэффициент термического расширения графита (рис.37) неболь­шой и при комнатной температуре равен (2...4)Т0'⁶ (для сравнения, у вольфрама - 8-10"⁶, у урана - 34Т0"⁶). Он несколько возрастает с тем­пературой, причем, в разных направлениях отличается примерно в 1,5 раза. От комнатной температуры до 3 300 К графит расширяется не более, чем на 1%.

У разных авторов приведенные свойства могут отличаться, что свя­зано с разными исходными материалами и точностью измерения.

Сравнительно высокая теплоемкость и теплопроводность гра­фита (табл. 17), а также низкий коэффициент термического расши­рения обусловливают высокую стойкость его при резких тепловых нагружениях (термостойкость).

где а - коэффициент термического расширения; - прочность при рас­тяжении; Е - модуль упругости; - коэффициент теплопроводности.

На рис. 38 представлены графики изменения удельного электросопротивления при повышении температуры. Этот показа­тель при повышении температуры от комнатной до 800 К слегка па­дает, а при дальнейшем повышении ее снова возрастает.

Ценным свойством графита, как указывалось выше, является повышение механической прочности вместе с возрастанием темпе­ратуры вплоть до 2 700 К (рис. 39). При таких условиях модуль уп­ругости тоже линейно возрастает почти в два раза (рис. 40).

Условно углеграфитовые материалы по прочности подразделя­ют на 5 групп:

- низкопрочные - σ_в < 500 МПа;

- средней прочности -σ_в = 500...2 500 МПа;

- высокопрочные - σ_в > 2000 МПа;

- низкомодульные - Е < 2,5 10⁵ МПа;

- высокомодульные - Е > 2,5 10⁶ МПа.

Нужно отметить, что и прочность, и модуль упругости возрас­тают с повышением плотности углематериалов.

Как было указано выше, природные углеродные материалы име­ют две кристаллические структуры:

- кубическая гранецентрированная или трехмерная сетка (алмаз);

-двумерные плоские сетки, связанные между собой силами Ван-

дер-Ваальса.

В 1992 г. академик И. Е. Вольпин в Вестнике РАН, № 10 сооб­щил, что еще в 60-е годы были синтезированы две новые кристалли­ческие структуры углерода: карбин и фуллерены. Работы по ним были закрыты.

Рис. 37. Зависимости коэффициента