Материал: Учебное пособие ЭТМ

имеется на острове Цейлон). В природе графит содержит примеси и обладает пористостью 20 – 30 %, для уменьшения этого материал подвергают термообработке перед применением в технике. Обычно, примеси это глины и оксиды железа (10 − 12) %.

Графит хорошо скользит между поверхностями, поэтому он используется в машиностроении как сухая смазка.

Проводящие модификации углерода в технике

В электротехнике проводящие модификации углерода используются в виде следующих электроугольных изделий:

электротехнические угли; электрографит; металлизированный электрографит.

Электротехнические угли — материалы, которые изготавливаются по керамической технологии из углеродосодержащего сырья (рис. 5.21). Электротехнический уголь содержит примеси, что приводит к плохому скольжению материала.

Рис. 5.21. Схема технологического процесса изготовления электротехнических углей

Электрографит является более чистым материалом, чем электротехнический уголь, поскольку в ходе высокотемпературного обжига примеси испаряются (рис. 5.22). В структуре электрографита видны чешуйки графита, благодаря чему электрографит обладает хорошим скольжением. Пористость электрографита равна 15 – 20 %.

Рис. 5.22. Упрощенная технологическая схема изготовления электрографита

163

Металлизированный графит — электрографит, открытые поры которого заполнены проводящим металлом (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема получения металлизированного графита

Применение проводящих модификаций углерода:

скользящие вращающиеся электрические контакты, для обеспечения контакта в электрических машинах между неподвижными и вращающимися частями;

скользящие не вращающиеся электрические контакты — токосъемники в электротранспорте, в которых используется свойство углерода при высоких температурах частично испаряться, а не плавиться. Это предотвращает приварку токосъемника к троллею при возникновении электрической дуги во время эпизодического разрыва контакта при движении;

электроды для электропечей, предназначенных для выплавки стали;

графитовые нагреватели для электропечей сопротивления, их рабочая температура до 3000 ° С в бескислородной среде;

электроды для стекловаренных печей; электроды в электролизерах. Например, для получения электро-

литического алюминия высокой чистоты; графитовые тигли для плавки металлов в металлургии;

графит применяется в качестве замедлителя нейтронов (по этому эффекту материал занимает второе место после оксида дейтерия

D2O).

Графитовые порошки применяются также для создания высокоомных резисторов, угольных микрофонов и для проводящих композиционных материалов, состоящих из диэлектрика и графита.

164

Графитовые волокна и ткани после пропитки смолами используются для изготовления теплозащиты ракет и космических аппаратов, обеспечивающей вход в плотные слои атмосферы Земли и других планет без разрушения этих объектов.

Таким образом, графит является стратегическим материалом.

В заключение напомним, что из графита изготавливают искусственные алмазы.

Фуллерены и нанотрубки

Фуллерены — молекулы углеродсодержащего вещества, имеющие специфическую форму молекул в виде сферы (шара), поверхность которого представлена атомами углерода, расположенными в виде правильных многогранников.

Экспериментально фуллерены были обнаружены в 1985 году в США. Трое ученых (Г. Крото, Р. Керл, Р. Смолли) — авторов этого открытия — были отмечены Нобелевской премией по химии за 1996 год. Название «фуллерены» было дано в честь американского архитектора Ричарда Фуллерена, впервые построившего геодезические купола в форме шара, поверхность которых была сложена из правильных пяти- и шести-многогранников.

Молекула фуллеренов состоит из десятков атомов углерода, которые связаны прочной ковалентной связью. Наиболее устойчивая молекула имеет вид С60, то есть содержит шестьдесят атомов углерода (рис. 5.24). Было показано, что молекула С60 является членом семейства углеродных молекул (С70, С74, С84 и т. д.), которые образованы атомными кольцами шестиугольной и пятиугольной формы. Число пятиугольных колец равно двенадцати, а число шестиугольных колец растет с увеличением размера молекулы. Так, молекула С60 состоит из двадцати шестиугольников и двенадцати пятиугольников. Диаметр фуллерена С60 составляет примерно 0,7 нм; для фуллеренов более высокого порядка примерно 1,5 нм.

165

одностенной нанотрубки 1−2 нм, длина несколько десятков нанометров (рис. 5.25). Одностенную нанотрубку можно представить как свернутый в цилиндр слой атомов углерода. (Материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, развернутый на плоскости, назван графеном). Многостенная нанотрубка содержит несколько коаксиально расположенных слоев колец атомов углерода, разделенных промежутками 0,43 − 0,39 нм. Внешний диаметр таких трубок 2 − 25 нм, внутренний 1 − 8 нм.

Углеродные нанотрубки получают так же, как и фуллерены, в результате интенсивного термического воздействия на углеродный материал путем его испарения под действием высокоинтенсивного импульсного лазерного луча или электрической дуги. Кроме того нанотрубки можно получать методом химического осаждения из газовой фазы, например, путем разложения метана (СН4) при температуре 1100 ºС.

Рис. 5.25. Схема одностенной нанотрубки

Электрические свойства нанотрубок зависят от их диаметра и, особенно, от структуры, характеризуемой пространственным расположением углеродных колец относительно продольной оси трубки. В зависимости от этих параметров нанотрубки могут быть как полупроводящие, так и проводящие. Удельное электрическое сопротивление изменяется при этом от 8·10- 3 до 5·10- 8 Ом·м. Трубки с минимальным электрическим сопротивлением способны пропускать очень большой ток 1,8·1014 А/м2. Эта плотность тока выше, чем та плотность тока, при которой происходит разрушение (расплавление) медного проводника. Одной из причин подобной ситуации — наличие высокой теплопроводности у нанотрубок (3000 Вт/(м·К)).

Многостенные углеродные нанотрубки обладают сверхпроводимостью вплоть до температуры 12 К, что в 30 раз выше, чем для одностенных трубок. При этом оказалось, что температура сверхпроводящего перехода зависит от числа слоев многостенной

167