Физико-химические и механические свойства модифицированных низкоплотных углеродных материалов на основе терморасширенного графита

• Автор: Савченко, Денис Витальевич
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Содержание.

Список основных сокращений.

Список основных обозначений

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Графит. Структура и физикохимические свойства.

1.1.1. Структура графита

1.1.2. Физикомеханические свойства графита.

1.1.3. Теплофизические свойства графита.

1.1.4. Электропроводность графита.

1.2. Иитсркалированные соединения графита.

1.2.1. Синтез интеркалированных соединений графита
1.2.2. Строение и свойства ИСГ
1.3. Низкоплотные углеродные материалы
1.3.1. Получение терморасширсниого графита ТРГ
1.3.2. Свойства ТРГ и низкоплотных углеродных материалов на его основе .
1.3.3. Основные области применения ТРГ и ГФ.
1.4. Объемное уплотнение пиролитическим углеродом.
1.4.1. Методы осаждения пироуглсрода из газовой фазы
1.4.2. Пиролитический углерод, получаемый осаждением из газовой фазы формы, структура, свойства
1.4.3. Механизм осаждения иироуглерода из газовой фазы методом импульсного СУ.
1.5. Получение углеродных пленок разложением полимеров
1.6. Защита углеродных материалов от окисления
2. Методическая часть.
2.1. Исходные вещества и материалы
2.2. Получение графита различной степени зольности
2.3. Синтез интеркалированных соединений графита и их гидролиз
2.3.1. Синтез нитрата графита 2 ступени и его гидролиз.
2.3.2. Синтез бисульфата графита I ступени и его гидролиз
2.4. Получение терморасширениого графита и графитовой фольги
2.5. Модифицирование графитовой фольги пиролитическим углеродом .
2.6. Модифицирование графитовой фольги продуктами термолиза полимеров.
2.6.1. Синтез полимеров
2.6.2. Модифицирование графитовой фольги.
2.7. Получение терморасширениого графита и графитовой фольги, модифицированных оксидом бора.
2.8. Методы исследования
2.8.1. Рентгенофазовый анализ
2.8.2. Термогравиметрический анализ
2.8.3. Определение механических характеристик графитовой фольги
2.8.5. Определение удельной поверхности и объема пор.
2.8.6. Измерение удельного электрического сопротивления
2.8.7. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.
2.8.8. Сканирующая электронная микроскопия и локальный рентгеноспектральный анализ
2.8.9. Элементный анализ.
2.8 Определение удельной теплоемкости
2.8 Измерение теплопроводности.
2.8 Спектроскопия комбинационного рассеяния
3. Результаты и их обсуждение.
3.1. Механические и электрофизические свойств графитовой фольги.
3.1.1. Механические свойства графитовой фольги.
3.1.2. Влияние примесей в исходном природном графите на физикомеханические свойства гибкой графитовой фольги.
3.1.3. Тепло и электрофизические свойства графитовой фольги.
3.2. Изменение физикомеханических и химических свойств графитовой
фольги при уплотнении пиролитическим углеродом.
3.2.1. Динамика уплотнения графитовой фольги в зависимости от ее плотности
3.2.2. Особенности структуры модифицированной графитовой фольги
3.2.3. Механические свойства графитовой фольги модифицированной ПУ
3.2.4. Электропроводность модифицированной графитовой фольги.
3.2.5. Удельная поверхность и пористость графитовой фольги, модифицированной пироуглеродом
3.2.6. Исследование кинетики окисления модифицированных образцов фольги
3.3. Модифицирование графитовой фольги путем термолиза полимеров ряда полигидрокарбина в матрице ТРГ
3.3.1. Получение и идентификация полигидрокарбина ГТГК и полинафгалингидрокарбина ПНГК.
3.3.2. Модифицирование графитовой фольги с использованием полимеров ПГК и ПНГК
3.4. Модифицирование графитовой фольги оксидом бора.
3.4.1. Состав и структура графитовой фольги, модифицированной ВОз
3.4.2. Свойства ГФ, модифицированной оксидом бора
Литература


Многообразие аллотропных форм углерода графит, алмаз, карбтш, лонсдейлит, фуллерсны, моно и многослойные углеродные нанотрубки и др. Наиболее изученными модификациями углерода являются алмаз и графит. Термодинамически стабильным при нормальных условиях является графит. Алмаз метастабильное состояние углерода, но скорость перехода в этих условиях настолько мала, что он может существовать бесконечно долгое время. Рис. I. Кристаллическая структура гексагонального а. Атомы углерода в структуре графита находятся в зр2гибридном состоянии и образуют плоскопараллсльные слои, состоящие из множества правильных шестиугольников. В слое каждый атом углерода связан с тремя ближайшими соседними атомами равноценными связями с расстоянием. Дополнительные лсвязн образую гея четвертыми валентными электронами, находящимися на рорбитали симметричные гантели, вытянутые в направлении, перпендикулярном плоскости слоя. Коллективизация лэлектронов в графитовом слое придает его электрическим свойствам металлический характер. Между графемами в графите существует слабое взаимодействие типа ВандерВаальса. Поэтому энергия СС связи между слоями , кДжмоль на порядок меньше, чем в слое 7 кДжмоль. Существует две модификации графита гексагональная с чередованием слоев АВАВ п ромбоэдрическая с чередованием слоев АВСАВС Рис. Гексагональный графит более стабилен и распространен как среди природных, так и искусственных графитов. Нго пространственная группа симметрии Рбзшшс, параметры элементарной ячейки а 2, А, с 6, А. Ячейка содержит 4 атома. В слое два соседних атома углерода не являются эквивалентными рис. Три атома из шести имеют соседей в слое, лежащем ниже позиция Л, а другие три нет позиция В. СТМ. В настоящее время с помощью современных методов изучения поверхности сканирующей туннельной микроскопии СТМ и атомносиловой микроскопии получены изображения поверхности графита с атомным разрешением. На полученных изображениях СТМ поверхности высокоориентированного пиролитического графита ВОПГ марки i i i i хорошо видна гексагональная сетка с расстоянием между ближайшими соседними атомами 0, нм Рис. Это хорошо согласуется с данными, полученными методом рентгеновской дифракции 1,5 А. Почти идеальной структурой обладают три основных типа рафитов природный графит, кишрафит выделения рафита, кристаллизующиеся в процессе выплавки чугуна и искусственный ВОНГ. Последний получают разложением углеводородов при пониженном давлении на графитовой подложке, нагретой до С, с последующей термомеханической обработкой полученного материала под высоким давлением при С . Размеры кристаллитов в таком графите в базисной плоскости составляют 4 5 А. Угол разориентации плоскостей кристаллитов относительно тригоналыюй оси с составляет менее 1 , . Реальные структуры графитов и материалов с графитоподобной структурой отличаются от идеальных наличием дефектов разных типов , , . Их удобно разделять на две группы дефекгы упаковки слоев, характерные для слоистых соединений, и точечные, одно, двух и трехмерные дефекты, присутствующие во всех твердых телах. Для первых характерно нарушение последовательности чередования слоев, но с сохранением их параллельности. При отсутствии какойлибо периодичности в чередовании слоев, но с сохранением их параллельности, образуется так называемая турбостратная струкгура. А Рис. Рис. Изменение межплосксгэстного расстояния с в турбосгратном графите в зависимости от температуры обработки Г0бр . Ко второй группе дефектов относятся точечные вакансии и примесные атомы, линейные дислокации, микротрещины, двумерные межзеренные фаницы. Скопление дефектов гю Шоттки может приводить к разрыву углеродной сетки и образованию клещевидных дефектов, у которых вероятно возникновение винтовых дислокаций. Рис. СТМизображение межзеренной границы НОРО . Границы доменов на изобр ажениях СТМ НОРв Рис. Для данной структуры предложена модель СтоунаУолеса, включающая пяти и семиугольные углеродные фрагменты . Природный фафит в различных частях земного шара распроегранен в количествах, обеспечивающих рентабельность его разработок . С коммерческой точки зрения его разделяют на аморфный, кусковый и чешуйчатый.