Статья : « Графит. Кристаллическое строение и
применение».
Выполнила преподаватель высшей квалификационной
категории ГОУ СПО « Кемеровский профессионально – технический техникум»
Тюнина Надежда Яковлевна.
Графит. Углерод
является одним из первых химических элементов, который известен человеку. С
незапапятных времён человек использовал уголь и сажу. В древности графит
считали одним из минералов свинца, возможно из-за того, что, подобно свинцу, он
оставляет на бумаге след. В 18 веке К.В. Шееле доказал, что графит представляет
собой “особый минеральный уголь”. Родственные отношения между алмазом и
графитом были подробно изучены коллегой Лавуазье французским химиком Луи
Бернаром Гитоном де Морво: при осторожном нагревании алмаза без доступа воздуха
он получил порошок графита.
Графи́т (от др.-греч. γράφω — пишу) — минерал
из класса самородных элементов, одна из аллотропных
модификаций углерода.
Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться
относительно друг друга, образуя целый ряд политипов,
с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический). Слои
слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы
пластинчатые, чешуйчатые. Образует листоватые и округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — агрегаты концентрически-зонального
строения. У крупнокристаллических выделений часто треугольная штриховка на
плоскостях.
Кристаллическая структура. Кристаллическая решетка
графита (рис.1) гексагональная (а = 0,24612 нм, с = 0,67079 нм, z = 4,
пространственная группа C6/mmc, теоретическая плотность 2,267 г/см3).
Состоит из параллельных слоев (базисных плоскостей), образованных правильными
шестиугольниками из атомов С. Углеродные атомы каждого слоя расположены против
центров шестиугольников, находящихся в соседних слоях (нижнем и верхнем);
положение слоев повторяется через один, а каждый слой сдвинут относительно
другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм.
Рис. 1. Кристаллическая решетка графита (природного
цейлонского). А, В углеродные слои; пунктирными линиями показана элементарная
кристаллическая ячейка.
Известна также модификация с
ромбоэдрической решеткой (а = 0,3635 нм, = 39,49°, z = 4,
пространственная группа R3m). Положение плоских слоев в ее структуре
повторяется не через один слой, как в гексагональной модификации, а через два.
В природном графите содержание ромбоэдрической структуры доходит до 30%, в
искусственно полученных графитах наблюдается только гексагональная. При 2230-3030oС
ромбоэдрич. графит полностью переходит в гексагональный.
Внутри слоя связи между
атомами ковалентные, образованы 5р2-гибридными орбиталями.
Взаимодействие между слоями осуществляются ван-дер-ваальсовыми силами. Для
природного (цейлонского) графит межслоевое расстояние при нормальных условиях
0,3354 нм. Энергия связи между слоями гексагонального графит составляет 16,75
Дж/моль (15 °С), 15,1 Дж/моль (-134,15°С). Энергия связи С—С в слое 167,6
Дж/моль (1118°С).
В кристаллической решетке
графита могут наблюдаться вздутия, искривления углеродных сеток и дефекты тонкого строения. В результате коагуляции вакансий могут образоваться
микро-полости диаметром до 3 мкм. Объединение отдельных участков этих дефектов
приводит к возникновению краевых дислокаций. а также дислокационных петель
величиной 0,1-1,0 мкм. Концентрация вакансий в графите
увеличивается при его нагревании, например при 3650°С она достигает 0,5 атомных
%. Дефекты могут возникать и при внедрении в решетку как углеродных атомов, так
и гетеро-атомов.
Физические свойства:
а) цвет: от серо-стального до железо
- черного
б) твёрдость: 1
в) плотность: 2,1 - 2,3
г) степень прозрачности: непрозрачен.
Использование графита основано на ряде его
уникальных свойств.
·
для
изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит — применение основано на
высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его
химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов;
·
для электродов,
нагревательных элементов — благодаря высокой электропроводности и
химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного
выше, чем у благородных металлов);
·
для
получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных
соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства
графита:
1.
Хорошая
электропроводность, и как следствие — его пригодность для изготовления
электрода.
2.
Газообразность
продукта реакции, протекающей на электроде — это углекислый газ. Газообразность
продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не требует
специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно
упрощает технологию производства алюминия.
·
твёрдых
смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках
·
наполнитель
пластмасс
·
замедлитель
нейтронов в ядерных реакторах
·
компонент
состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей
(в смеси с каолином)
·
для
получения синтетических алмазов
·
для
изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических
машин, электротранспорта
и мостовых подъёмных
кранов с троллейным питанием, мощных реостатов,
а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический
контакт.
·
как токопроводящий
компонент высокоомных токопроводящих клеев.
Отдельно надо сказать о
материалах из углеродного волокна. Такие материалы используются в
автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объем их применения
растет. Наиболее важное достоинство угле-волокна — необычайно легкий вес и
высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия.
Углепластик имеет невероятные
свойства. По прочности он карбон превосходит сталь (черный металлопрокат) в
12,5 раз. Когда мы говорим «карбон», то вспоминаем, конечно, капоты тюнинг-карав.
Однако сейчас нет кузовной детали, которая не могла бы быть сделана из карбона
— не только капоты, но и крылья, бампера, двери и крыши… Факт экономии веса
очевиден. Средний выигрыш в весе при замене капота на карбоновый составляет 8
кг. Впрочем, для многих главным будет тот факт, что карбоновые детали
практически на любой машине выглядят безумно стильно!
3.2. Информационное обеспечение обучения
Перечень рекомендуемых
учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы
Основные источники:
1. Солнцев, Ю.П.
Материаловедение [Текст]: учебник для учрежд.сред.проф.образ. / Ю.П.Солнцев,
С.А.Вологжанина . – М.:ИЦ «Академия», 2009 . – 496с. – [Допущено МО РФ]
2. Стуканов,В.А.
Материаловедение [Текст]: учебное пособие для учрежд.сред.проф.образ. / В.А.Стуканов
. – М.:Форум, 2011 . – 368с. – [Допущено МО РФ]
Дополнительные источники:
3. Кузьмин Б.А. Технология
металлов и конструкционных материалов [Текст]: учебное пособие для
машиностроительных техникумов. - М.Машиностроение, 2008 -251 с.
4. Материаловедение [Электронный
ресурс] : Ч. 1.
- Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика» , 2006. - 1 CD-ROM-диск, 12
см.
5. Моряков, О.С.
Материаловедение (по техническим специальностям) [Текст]:учебник для образ.
учрежд. сред. проф. образ. / О.С.Моряков. – М.: Издательский центр «Академия»,
2010. – 240 с. – [Рекомендовано ФГУ «ФИРО»]
6. Никифоров, В.М. Технология
металлов и других конструкционных материалов [Текст]: учебник для учащ. техникумов, лицеев,
студ. вузов, инженеров и техников всех технических специальностей. – В.М.
Никифоров. – 10-е изд,- СПб,:Политехника,2010. - 382 с.
7. Топливно-энергетический
комплекс в регионах Сибирского федерального округа [Электронный ресурс]:
статистический сборник / Росстат, Территор. орган Федер. службы гос. статистики
по Иркут. обл. – Иркутск : Иркутскстат, 2006. – 1 CD-ROM-диск, 12 см.
Периодические издания (отечественные журналы)
1. Мастер - автомеханик [Текст]
/ Учредитель МАДИ (ГТУ). - . - М.: МАДИ (ГТУ),2008. – Ежемес.
htpp://avtomeh.panor.ru/
2. Новости авторемонта [Текст] /
учредитель ООО «АвтоИнформ Медиа». – М. : АвтоИнформ Медиа, 2006. - Ежемес. http://www.auto-infosite.ru/
3. Профессиональное образование.
Столица [Текст] : информационно-педагогическое, научно-методическое издание /
учредители Департамент образования города Москвы; Российская академия
образования; Академия профессионального образования. – 1997 – . – М. :
НИИРПО, 2006– . – Ежемес. http://www.e-profobr.ru/
4. Среднее профессиональной
образование [Текст] : теоретический и научно-методический журнал / учредитель
Российская академия образования, Союз директоров ССУЗов России – М.: СРЕДНЕЕ
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ, 2006– . – Ежемес. http://www.mgopu.ru/spo.htm
5. Среднее профессиональной
образование [Текст] : приложение к теоретическому и научно-методическому
журналу «Среднее профессиональное образование» / учредитель Российская академия
образования, Союз директоров ССУЗов России – Москва: СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ
ОБРАЗОВАНИЕ, 2010– . – Ежемес.
http://www.mgopu.ru/spo.htm
Интернет-ресурсы
1.
Всероссийский
институт научной и технической информации Российской академии наук (ВИНИТИ РАН)
[Электронный ресурс] . – Режим доступа : http://www2.viniti.ru, свободный. - Загл. с экрана
2.
Портал
нормативно-технической документации [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http//www.pntdoc.ru, свободный. –
Загл. с экрана
3.
Техническая
литература [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http//www.tehlit.ru, свободный. –
Загл. с экрана
4.
Электронно-библиотечная
система «Книга Фонд» [Электронный ресурс] . - Режим доступа:
http://www.knigafund.ru/, абонемент. - Загл. с
экрана
5.
Электронно-библиотечная
система издательства «Лань» [Электронный ресурс] . - Режим доступа:
http://lanbook.com/ebs.php, абонемент. - Загл. с
экрана
6.
Электронно-библиотечная
система IGlib [Электронный ресурс] . -
Режим доступа: http://www.iqlib.ru/, абонемент. - Загл.
с экрана
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.