ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Общие сведения об углеродных материалах из "Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов " На рис. 1.1 представлена классификация искусственных углеродных материалов, которые, по мнению автора, представляют интерес для использования в качестве автоэлектронных катодов. Эта классификация в достаточной степени условна. Основные группы материалов углеродные волокнистые материалы, массивные материалы различной технологии, композиционные материалы, пленки. [c.7] Между ними есть принципиальные различия, которые будут рассмотрены в этой главе. Все группы углеродных материалов имеют широкое применение. Для автоэлектронных катодов выбирают те модификации, которые обладают наилучшими автоэмиссионными свойствами. [c.7] В отдельную группу вьщелены углеродные материалы, которые разрабатывают направленно с улучшенными автоэмиссионными свойствами. В качестве основы для модифицирования может быть взят любой материал или технологический процесс. Например, разработка материалов с малой работой выхода электронов. [c.7] Многообразие углеродных структур обусловлено способностью атома углерода находиться в различных валентных состояниях и образовывать связи разных типов. В стабильном состоянии углерод имеет электронную конфигурацию В этом случае атом углерода двухвалентен. В большинстве химических соединений углерод выступает как четырехвалентный элемент. Четырехвалентное, возбужденное состояние атома углерода получается при переходе электрона из состояния 2s в состояние 2р. Ему соответствует конфигурация . s 2s2p 2p 2p . Энергия, затраченная на возбуждение, компенсируется энергией, выделяемой при образовании связей. [c.8] Известны два типа связей между электронами. Простая ковалентная называется сг-связью, а электроны, ее образующие, называются а-электронами. Связи, образуемые электронными облаками, располагающимися перпендикулярно плоскости молекулы, называются л -связями, а образующие эти связи электроны — Jt-электронами. [c.8] Три различных сочетания а- и л-связей образуют три состояния атомов углерода sp -гибридизация, с тетраэдрическим расположением четырех сг-связей, полученных при взаимодействии одного 5-электрона и трех р-электронов, — соответствует идеальной структуре алмаза sp -гибридизация — характеризуется тремя а-связя-ми, а одна п-связь локализована в плоскости, перпендикулярной сг-связям (такому состоянию соответствует структура графита) sp-гибридизация — образуется из двух а-связей и двух л-связей и соответствует так называемому карбину, имеющему линейную полимерную цепочку —С = С — С = С— или = С = С = С = типа. [c.8] Исследования и количественная оценка распределения этих связей могут оказаться весьма плодотворными при изучении механизма формирования свойств углеродных материалов. [c.8] Атомы углерода в состоянии. р -гибридизации образуют слоистые структуры. Слой (базисная плоскость) состоит из непрерывного ряда правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Ближайшее расстояние между атомами в плоскости, равное стороне шестиугольника, составляет 1,417 А. Графит состоит из непрерывного ряда слоев, параллельных базисной плоскости. Атомы углерода в слое связаны тремя равноценными ст-связями. Дополнительные связи образуются л -электронами, орбитали которых несколько перекрываются. Коллективизация л-электро-нов в графитовом слое придает его электрическим и оптическим свойствам металлический характер. Величина энергии связи между атомами углерода в плоскости составляет по различным данным от 340 до 420 кДж-г/атом, а величина энергии связи между слоями не превышает 42—84 кДж г/атом. [c.8] При чередовании слоев аЬс, аЬс реализуется ромбоэдрическая решетка графита. В отличие от гексагональной она является трехслойной. При температурах выше 2000 °С ромбоэдрическая упаковка переходит в гексагональную. Обе структуры идеального графита должны рассматриваться как бесконечные сетки, состоящие из гексагонов, расположенных в параллельных слоях. Однако практически в искусственных графитах эти сетки имеют конечные размеры. [c.9] Теоретическая плотность графита с учетом размеров кристаллической ячейки составляет 2,265 г/см . Плотность искусственных графитов ниже из-за дефектов и пористости. Структурой графита обусловлена высокая анизотропия физико-механических свойств в базисной плоскости перпендикулярно к поверхности кристалла. Удельное электросопротивление монокристалла цейлонского графита в направлениях, перпендикулярном и параллельном оси с (см. рис. 1.2), составляет 0,4 и 50 0м мм /м соответственно. Для других образцов природного графита соотношение этих величин составляет от 100 до 100 000. [c.9] Реальные графиты отличаются от идеальных структур наличием в них дефектов разных типов. При нарушении порядка чередования слоев возникают дефекты упаковки. Большое количество таких дефектов приводит к полному разупорядочению слоев относительно оси с, хотя параллельность слоев сохраняется. Это так называемая турбостратная структура. Межслоевое расстояние в турбостратной структуре 3,44 А. [c.10] Второй тип дефектов — дефекты в связях решетки. Такие дефекты могут быть вызваны присутствием инородных атомов (водород, кислород, азот и др.), или способностью атомов углерода находиться в различных валентных состояниях. Дефекты в структуре графита возникают также при внедрении чужеродных элементов в межслоевое пространство. При достаточно высокой их концентрации можно говорить об образовании соединений внедрения. [c.10] Одним из основных свойств углеродных материалов, которые необходимо учитывать при использовании их в качестве автокатодов, являются адсорбционные свойства. [c.11] Высокая способность углеродных материалов адсорбировать на своей поверхности различные вещества из газов и растворов используется при получении активированных углей. Искусственные углеродные материалы обладают развитой пористостью, т. к. их получение связано с уносом части массы и уплотнением структуры, что приводит к усадкам и развитию трещин. Для углеродных материалов принята удобная классификация пор по их средней ширине. [c.11] Механические свойства материалов на основе углерода зависят от вида исходного сырья и параметров технологического процесса получения. В интервале температур 20—2000 °С графиты обладают незначительной пластичностью и хрупким характером разрушения. Следует иметь в виду, что с увеличением диаметра заготовок возрастает коэффициент вариации механических свойств по заготовке. С увеличением размера зерна прочность материала уменьшается. [c.11] Качественное описание электрических и электронных свойств различных видов углеродных материалов может быть дано в рамках зонной модели. Оценка изменений электронных свойств углеродных материалов может быть осуществлена по схеме рис. 1.4. [c.12] На рис. 1.4 показаны стадии перехода от твердых ароматических углеводородов, связанных ван-дер-ваальсовыми силами, к углеродным материалам различного типа через весьма дефектные структуры (кокс) до почти идеального графита. С повышением температуры обработки ширина запрещенной зоны уменьшается и в пределе становится равной нулю (для бесконечно больших кристаллов графита зона проводимости и валентная зона перекрываются). [c.12] Валентная зона в углеродных материалов образована л-электро-нами сеток организованного углерода, имеющих макроароматиче-скую природу. В случае идеального графита (рис. 1.43) зона проводимости, в которой при О К отсутствуют электроны, отделена от л -электронной зоны пренебрежимо малой запрещенной зоной. В результате перекрытия зон или теплового возбуждения в зоне проводимости идеального графита оказывается достаточное количество электронов, вследствие чего графит ведет себя как металлический проводник. [c.12] Вернуться к основной статье