Реферат на тему Представления о структуре поликристаллического графита и механизме процесса графитации. Электронные свойства графита, кинетика графитации, роль примесей в процессе графитации

Содержание:

Введение. 2

1.
Представления о структуре поликристаллического графита и механизме процесса
графитизации. 3

1.1 Поликристаллический
графит и его структура. 3

1.2
Механизм графитизации. 9

2.
Электронные свойства графита, кинетика графитизации, роль примесей в процессе
графитизации. 21

2.1
Электронные свойства графита, кинетика графитизации. 21

2.2
Использование примесей в графитизации. 23

Заключение. 33

Список
использованной литературы.. 34

Введение:

Углерод (С) — шестой по
распространенности элемент во Вселенной и девятнадцатого самый распространенный
элемент в земной коре.

Углерода происходит на земле,
либо в его элементарные формы (в небольших количествах): уголь, графит, алмаз
или преимущественно в качестве углеродного соединения: органические (нефть,
газ) и неорганических (известняка, мрамора, ракушек, кораллов, доломит,
Магнезит).

Углерод является основным
компонентом органических соединений (например, белков) живых организмов.
Молекулы ДНК, образующие генетический код, содержат углерод.

Поликристаллический графит — это
графитовый материал с когерентными кристаллографическими доменами ограниченного
размера независимо от совершенства и предпочтительной ориентации (текстуры) их
кристаллической структуры.

Общее использование термина
поликристаллический графит для поликристаллического графита соответствует этому
определению, но может быть неточным, поскольку обычно все зерна
поликристаллического графита сами являются поликристаллическими.
Поликристаллический графит может проявлять случайную ориентацию, более или
менее предпочтительную ориентацию или высокоориентированную текстуру, как в
некоторых пиролитических графитах. Однако резкого перехода между типичной поликристаллической
текстурой и «монокристаллической» текстурой нет.

Заключение:

Графит — это кристаллический,
низкой плотности и мягкий аллотроп углерода. Кристаллическая структура графита
состоит из шестиугольных колец, образующих тонкие параллельные пластины.
Пластины связаны друг с другом слабыми Ван-дер-ваальсовыми силами. Слоистая
структура графита определяет его самосмазывающиеся свойства.

Графитовый материал с
мелкозернистой структурой иногда называют аморфным графитом, однако на самом
деле он не аморфный, а микрокристаллический.

Алмаз — это кристаллический,
прозрачный и чрезвычайно твердый аллотроп углерода. Кристаллическая структура
алмаза-FCC (гранецентрированная кубическая), в которой каждый атом углерода
связан с четырьмя другими атомами углерода, образующими треугольную призму.
Алмаз встречается и существует только в монокристаллической форме.

Алмаз характеризуется высокой
твердостью (самый твердый из природных минералов) и высоким показателем
преломления 2,42 (мера того, как луч света изгибается при переходе из вакуума в
среду). Благодаря этим характеристикам алмаз широко используется в ювелирном
деле. Промышленное применение алмаза связано с его твердостью: режущий
инструмент, шлифовка и полировка.

Технический углерод — это
порошкообразная форма углерода, получаемая пиролизом (термическим разложением в
ограниченном количестве или в отсутствие кислорода) углеводородов, древесины
или других углеродсодержащих материалов.

Сажу иногда называют аморфным
углеродом, однако это неверно, так как ее структура кристаллическая. Частицы
порошка представляют собой мелкодисперсные микрокристаллы графита, имеющие
размеры в диапазоне 8 нм- 400 нм.

Кроме углерода, угольные черные
могут содержать кислород, водород, азот и серу.

Фрагмент текста работы:

1.2 Механизм графитизации Каменноугольные смолы (CTPS)
являются наиболее важными связующими веществами, используемыми в промышленности
синтетического графита, благодаря их способности образовывать чистые углеродные
остатки с высоким выходом, а также хорошим адгезионным свойствам после
карбонизации и графитизации. Графитированные материалы обладают высокой
электропроводностью, необходимой для изготовления электродов для обработки
металлов, а также анодов и катодов для электролиза оксида алюминия. Физико —
механические свойства графитовых углеродов делают их уникальными материалами
для работы в экстремальных условиях-повышенных температурах, агрессивных
условиях окружающей среды и термических напряжениях. Эти свойства
непосредственно связаны с микроструктурой и структурой углеродных материалов,
которые, в свою очередь, образуются при высокотемпературной обработке. На
ранней стадии отжига примерно до 1000°С образуются хаотически ориентированные
структурные единицы (слои графена), и требуется дальнейшая высокотемпературная
обработка для превращения их в графитовую структуру. Такие структурные
изменения приводят к уменьшению запрещенной зоны между валентной зоной и зоной
проводимости и улучшению электропроводности углерода [3].

В настоящее время акцент делается
на развитии углеродных технологий, предполагающих усовершенствованные методы
переработки от сырья до конечной продукции с учетом новых экологических норм и
аспектов энергоэффективности. В частности, учитывается энергозатраты при
производстве некоторых графитовых изделий, требующих температур, близких к
3000°С. Таким образом, повышение энергоэффективности производства графитовых
изделий за счет оптимизации процесса графитизации представляется сложной
задачей для этой отрасли.

Карбид кремния известен как
наполнитель, который может улучшить устойчивость к окислению углеродных
материалов [4–7]. Этот компонент уже нашел применение в композитах C/C [8–10]. SiC
в различных нанометрических формах также может усиливать механические свойства
синтетических углеродов [11–15].

Нано-Si-производные добавки,
включая nSiC, могут выступать в качестве катализаторов графитации [16–18].
Превращение кремниевого компонента в карбидную фазу в присутствии углерода на
основе CTP может происходить уже при 1300°C. Наличие фазы SiC в углеродной
матрице может привести к изменению механизма процесса графитизации. Эта
способность представляется перспективным способом усиления структурных и
микроструктурных изменений графитизированных материалов и оптимизации
высокотемпературной обработки для их изготовления при более низких температурах
графитизации.

CTP с температурой размягчения
103°C модифицировали nSiC, размером частиц 45-55 нм из наноамора.

Сначала наполнитель nSiC
деагломерировали в суспензиях этанола методом ультразвука. Анализ DLS
полученного порошка показал, что он состоял из зернистых фракций в диапазоне от
750 до 1200 нм, а после процесса озвучивания порошок состоял из зернистых
фракций в диапазоне от 80 до 1050 нм. Спектр DLS соницированного порошка
дополнительно содержит полосу, соответствующую наличию небольших количеств
более крупных агрегированных зерен со средним размером около 1450 нм.

После этого суспензии, содержащие
определенные количества керамического наполнителя и порошка CTP, механически
перемешивали в течение 5 минут при комнатной температуре. Для выпаривания
этанола из смеси суспензии сушили при 70°С в течение 24 часов. Наконец,
композиции нагревали до 165°С для превращения CTP в жидкое состояние и
механически перемешивали в течение 15 минут. Детальная процедура деагломерации
и гомогенизации nSiC с CTP описана в другом месте [20]. В соответствии с этой
процедурой были подготовлены образцы КТП, содержащие различное количество nSiC
от 2% до 10%. Затем образцы подвергались термообработке при 1000, 2000 и
2800°С. Отжиг до 1000°С проводили в печи при расходе аргона 90 л/ч со скоростью
нагрева 2°С/мин. Термообработку при более высоких температурах проводили в печи
Ачесона. Исследованы микроструктурные и структурные изменения, происходящие в
прекурсорах углеродных связующих на основе CTP, содержащих различные количества
nSiC при термообработке до 2800°C. Образцы анализировали методом сканирующей
электронной микроскопии с помощью энергодисперсионного спектроскопического
анализатора (SEM + EDS) с использованием микроскопа Nova NanoSEM 200,
подключенного к точечному анализатору EDAX EDS. Дифракцию рентгеновских лучей
(XRD) проводили на рентгеновском аппарате X’Pert Pro фирмы Philips, а
рамановскую спектроскопию-на спектрометре Horiba LabRam HR, подключенном к
камере с лазером, длина волны возбуждения которого составляла 532 нм.
Результаты рентгеновской и рамановской спектроскопии анализировали с помощью
программного обеспечения Fityk версии 0.9.8. Деконволюцию комплексных пиков
проводили с помощью функции Псевдо-Фойта.

Микроструктура углеродов на
основе CTP, модифицированных nSiC, изучалась методом SEM + EDS. ЭЦП-анализ
образцов углерода с содержанием nSiC 2% (рис. 3) и выше показывает кремниевый
элемент в качестве индикатора наличия SiC. Исследования SEM и EDS показали, что
наночастицы SiC были обнаружены в углеродной матрице в виде кластеров
микрометрового размера. Такие кластеры были отделены друг от друга областями с
несколько меньшим содержанием nSiC (рис. 3)

Наличие таких керамических
кластеров было характерно для всех модифицированных образцов углерода независимо
от содержания керамического наполнителя, и они образовались в результате
вторичной агломерации наночастиц после гомогенизации в жидком КТП и начальной
стадии карбонизации. Наличие карбидной фазы с различными размерами зерен в
жидком CTP может привести к дифференциальному превращению CTP в углерод, в
результате чего при повышенных температурах образуются углеродные кристаллиты,
различающиеся по размеру и структурному упорядочению. Также необходимо
учитывать каталитическое действие карбида в контакте, сначала с жидким пеком, а
затем с постепенно конденсирующимися ароматическими структурами, превращенными
в мелкокристаллический турбостратный углерод, а также в более упорядоченную
фазу, соответствующую графитной фазе.

Процессы, связанные с
образованием углеродных фаз и их последующей перекристаллизацией, протекают с
различной интенсивностью. В многочисленных публикациях было подтверждено, что
каталитический эффект SiC включает образование графитовой структуры путем
растворения неупорядоченной углеродной фазы и осаждения более упорядоченного
углерода на границе SiC/C [2]. Диссоциация наночастиц происходит с разной
скоростью; более мелкие наночастицы быстрее деградируют в поликристаллической
углеродной матрице. Такой механизм выявляет спектры комбинационного рассеяния и
рентгеноструктурный анализ образцов углерода на основе CTP.