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无定形炭向石墨转化的机理

文章出处:本站 人气:112 发表时间:2023-11-24

将各种类型的炭,经1000-3000℃高温热处理,硬度、光泽、密度、强度等外观性质和力学性质、电磁性质、化学反应性能等都发生变化。从化学上或者结晶学上来说,是由于炭的结构发生了改变。如图2-27 所示为石墨与乱层结构的积层状态的比较图。

炭经过热处理,逐渐地形成了石墨结构,晶格常数C0减少,接近于天然石墨的数值(为0.7708nm),c轴的微晶也随同增大。要定量地表征石墨化的程度,可以从C0 求出R•E•弗兰克林(Franklin)P值,沃伦(Warrew)值以及梅灵和梅尔(Mering  Maire) 的g值来表示石墨化度。也有用La Lc表示微晶的表观大小。此外,在某种范围内还常常使用与 La 有关的反磁性受磁率。

至于石墨化进行的方式,根据所处理的炭的种类及处理条件的不同差别很大,而且对石墨化的速度及机理的说法很多,这里加以概妥的介绍。

石墨化理论

石墨是含碳物质常压下热处理的最终产物,是由无定形炭经高温处理转化而成。关于其转化过程已存在几种经典理论,但都不够完善,现简单予以介绍。

01

碳化物转化理论

其认为焦炭的石墨化是通过与各种矿物质( SiO2Fe203AL2O3)形成碳化物后,在更高温度下碳化物又分解成石墨和金属蒸气。后者金属蒸气又与其他焦炭反应生成碳化物,其在高温下继续分解,如此循环,少量矿物质可使大量焦炭转化为石墨。但进一步研究表明,这种由碳化物分解而成的石墨往往失去其母体特性,其不同于焦炭经高温热处理结构重排转化而成的石墨。因此杂质的存在不是无定形炭转化为石墨的必要条件,但杂质对于石墨化的催化作用是明显的,无定形炭转化成石墨的决定性因素是温度和杂质的催化作用,不同物质对石墨化催化效果不同,由此导致许多催化石墨化机理。

02

再结晶理论

其主要论点是(1)无定形炭的石墨化要在一定温度下才能开始,靠热给碳原子提供迁移的动力,很使其进行结构重排,(2)原料结构不同,其石墨化开始温度也不同。在一定温度下,晶体再结晶很快达到该温度下的极限,在该温度下继续维持一段时间,对晶体继续长大无多大作用;3)分散结构不同的原料,除了开始再结晶温度不同外,其转化成的石墨性质也不同;(4)杂质对石墨化无影响,但一部分石墨是通过碳化物转化的;5)石墨晶体尺寸随温度升高而增大,但这仅是晶体尺寸数量的变化,没有本质的变化;(6)石墨化时有新晶体生成,它是在原有晶体的表面或晶界上,吸收外来碳原子生成的,其再结晶后仍保持原来的晶体定向。进一步研究表明,石墨化是一种比再结晶理论描述远为复杂的多阶段过程,其既有晶体尺寸数量上的增大,也有原子价键的改变和有序排列等质的变化。

03

微晶成长理论

其认为无定形炭是由石墨的微晶构成,其不同于石墨主要是晶体的大小不同。这种晶可以看作为有序排列的六角网格大分子,它是转化为石墨的基础。当温度达到足以使这些分于边缘的原于或基团游离时,在没有其他杂原子来占据这些空键的情况下,原来互相平行定向的一些大分子便以这些自由键为中心结合成更大的平面分子,称之为定向熔接。同时处于大分子上下方的共轭π 键促使乱层结构的平面分子移动或扭转,以达到最大限度的重叠,形成三维有序排列的石墨结构。后来研究表明,并非所有无定形炭都由石墨微晶构成,如糖炭、木炭不能石墨化,炭黑则难石墨化。