Исследование электромагнитных свойств композитов на основе углерода трубчатой структуры
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?ые четыре связанных между собой атома углерода в графите расположены в центре и вершинах равностороннего треугольника. Четвертые валентные электроны каждого атома располагаются между плоскостями и ведут себя подобно электронам металла, чем и объясняется электрическая проводимость графита в направлении плоскостей. Связь между атомами углерода, расположенными в соседних плоскостях, очень слабая (межмолекулярная, или ван-дер-ваальсовая), хотя отчасти, благодаря присутствию электронов проводимости, похожа на металлическую. В связи с такими особенностями кристаллы графита легко расслаиваются на отдельные чешуйки даже при малых нагрузках.
Уникальная способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений углерода, изучаемых органической химией.
Рис. 1. Структура кристаллической решетки графита
Электронная конфигурация атома углерода такова: 1s2 2s2 2p2. Следовательно, его четыре внешних электрона не одинаковы - они соответствуют различным орбиталям; два электрона не спарены. В связанном состоянии (валентном) один из электронов 2s переходит на р-орбиталь (для этого понадобится около 96 ккал / моль) так, что состояние атома может быть выражено: 1s2 2s 2p3. В результате мы получим атом с тремя 2 р и одним 2s-электроном: 2s2px2py2pz.
Теплопроводность графита, измеренная в направлении плоскости слоев, в пять раз больше теплопроводности, измеренной в поперечном направлении; электрическая проводимость в плоскостном направлении в десять тысяч раз превышает проводимость в поперечном направлении.
Графит нашел обширное применение в различных отраслях промышленности [9]:
изготовление плавильных тиглей, футеровочных плит - применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов;
электродов, нагревательных элементов - благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов);
получение химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:
) Хорошая электропроводность, и как следствие - его пригодность для изготовления электрода;
) 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);
получение синтетических алмазов;
изготовление контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъемных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт.
1.2 Однослойные углеродные нанотрубки
Идеальная углеродная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т.е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задает хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, ее электрические характеристики. Это свойство нанотрубок иллюстрируется на рис. 2 (а), где показана часть графитовой плоскости и приведены возможные направления ее сворачивания.
Рис. 2. Иллюстрация хиральности нанотрубок: (а) часть графитовой поверхности, свертывание которой в цилиндр приводит к образованию однослойной нанотрубки, (б) свертывание под углом ? = 0 (armchair), (в) угол ? = 30 (структура zigzag), (г) нанотрубка с индексами хиральности (10, 5).
Идеализированная нанотрубка не образует швов при сворачивании и заканчивается полусферическими вершинами, содержащими наряду с правильными шестиугольников шесть правильных пятиугольников. Наличие пятиугольников на концах трубок позволяют рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает диаметр.
Хиральность нанотрубок обозначается набором символов (m, n), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат. Некоторые из таких шестиугольников вместе с соответствующими обозначениями отмечены на рисунке. Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла ? между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать ее диаметр.
Индексы хиральности однослойной нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют ее диаметр D. Указанная связь очевидна и имеет следующий вид
где d0 - это расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости. Связь между индексам?/p>