Углеродные материалы Фазовая диаграмма углерода Классификация

Углеродные материалы

Фазовая диаграмма углерода

Классификация углеродных материалов spx - гибридизация Тип геометрическая форма соединений атомов угол между связями sp - линейная 180⁰ sp 2 - треугольная 120⁰ sp 3 - тетраэдрическая 109. 5⁰

Классификация аллотропных форм углерода • sp 3 -формы: – Алмаз (ГЦК) – Лонсдейлит (гексагональный алмаз) • sp 2 -формы – – – – Графит Графены Фуллерены (C 20+) Нанотрубки Нановолокна Астралены Стеклоуглерод • Смешанные sp 3/sp 2 формы: – Аморфный углерод • sp -формы: – Карбин

sp 3 форма. Алмаз 1694 - первое свидетельство химического родства алмаза и угля. Д. Аверани и К. Тарджони сплавляя мелкие алмазы в один крупный обнаружили, что при сильном нагревании алмаз сгорает, как уголь. 1772 - А. Лавуазье установил, что при сгорании алмаза образуется СО 2 1814 – Г. Дэви и М. Фарадей окончательно доказали, что алмаз является химическим родственником угля и графита 1823 - первая попытка получения искусственного алмаза (В. Каразин) (сухая перегонка древесины – карбид кремния). 1939 - термодинамический расчет (Лейпунский) – основа синтеза алмаза в приборах высокого давления 1953 - 1954 – синтез алмазов в лаб фирмы АСЕА (Швеция) и «Дженерал электрик» (США) по методике Лейпунского

sp 3 форма. Алмаз ГЦК Максимальная твердость на гранях октаэдра, минимальная – на гранях тетраэдра Применение: - в медицине – лезвия скальпелей, имплантаты - в электронике – теплопроводность алмаза выше, чем у меди, поэтому его используют в микроэлектронике в местах, где генерируется много тепла -горное дело - рабочая часть бурового долота - промышленность – сверла, резцы, фрезы, шлиф круги, стеклорезы….

sp 3 форма. Лонсдейлит – гексагональный алмаз 1966 – впервые обнаружен в метеоритных остатках, каньон Дьявола (Аризона, США) 2009 - группа китайских и американских ученых предположила, что лонсдейлит тверже алмаза Образуется в момент столкновения метеорита с землей. Детонационный способ (70 -95%)

Природные ДИАМОНДОИДЫ ( каркасные углеводороды ) обнаружены в нефтях Чехии в 1933 г. Простейшая структура (C 10 H 16) - адамантан (от древнегр. «алмаз» - адаман ). 1 – адамантан, 3 – триамантан, 2 – диамантан, 4 - тетрамантаны

Области применения ДИАМОНДОИДОВ : - антивирусные лекарственные препараты, - улучшенные ракетные топлива, - эффективные взрывчатые вещества, - устройства микроэлектроники Содержание диамондоидов в природных нефтях - 50 -500 микрограмм на грамм нефти Стоимость искусственного химического синтеза диамондоидов - до сотен долларов за грамм

Природные наноалмазы 1963 Во фракции асфальтенов мексиканской природной нефти (5 -40 нм) Детонационные (20 нм) Электрохимический Осаждение из газовой фазы

sp 2 форма. Графит гексагональная Размеры плоскостей – порядка 20 нм ромбоэдрическая

sp 2 форма. Графит. Анизотропия свойств Обладает явно выраженной анизотропией свойств в направлении параллельном и перпендикулярном базисной плоскости: - электропроводность в параллельной направлении близка металлической, а в перпендикулярном – в сотни раз меньше; - магнитная восприимчивость незначительна в параллельном направлении и очень велика в перпендикулярном. Применение: - графитовая смазка (-30⁰ ÷ +150⁰) - огнестойкий, химически стойкий при высокой температуре - электротермические технологии Сталелитейная, металлургическая, машиностроительная, химическая отрасли

Углеграфитовые материалы • Графлекс или пенографит – высокопористый материал заменяет резину и металл. • Стеклоуглерод – химически стоек, заменяет платиновую химическую посуду. • Пирографит – для изготовления искусственных клапанов сердца • Углеродное волокно как наполнитель в пластики для придания большей прочности и электропроводности, лёгкие эластичные электронагреватели

ПЕНОГРАФИТ Пенографит или терморасширенный графит Материал характеризуется малой толщиной пачек графеновых слоев (2070 нм) и большим количеством пор размером 2 -5 нм. химическая инертность, небольшой объемный вес, способность к прессованию без связующего, упругопластичность прессованных листов, анизотропией тепловых и электрических свойств, способность поглощать нейтроны и др.

На основе пенографита разработаны и созданы новые конструкционные материалы (графитовая фольга, плетеный сальниковый жгут, армированный графитовый лист и др. ), сохранены свойства графита, и добавлены упругость и пластичность.

sp 2 форма. Углеродные усы, волокна 1960 – открытие углеродных усов Структура усов – атомный слой графита, скрученный в рулон. Длина – до 3 см, диаметр - 1÷ 5 мкм Углеродные волокна – узкие ленты, вырезанные из графитовых плоскостей и расположенные параллельно оси волокон

Углеродные волокна — это органические материалы, подвергшиеся термическому воздействию при температурах 1000– 3000°C и содержащие 92– 99, 99 % углерода. Получение и применение УВ предложено и запатентовано Томасом Алва Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Конец 1950 -х годов – промышленный интерес. Используют для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей, теплопроводящих устройств, для энергетических установок

sp 2 форма. Астралены Структура составлена плоскими бездефектными графитовыми плоскостями. Поверхности составлены укладкой 20 -50 плоских (расстояние между листами ~0, 340 нм). Введение в цементные составы приводит к направленному росту цементного камня, увеличению прочности на сжатие и изгиб. Введение в медные сплавы повышает электропроводность, прочность при криогенных температурах Введение в боросиликатные стекла снижает температуру стеклования, повышает хим стойкость к различным растворителям, понижению коэффициента теплового расширения, улучшению механических свойств

sp 2 форма. Стеклоуглерод Структура состоит из чистого углерода с примесью высокомолекулярных углеводородов. Беспорядочно переплетенные между собой графитоподобные ленты. Химическая инертность, абсолютная газонепроницаемость. Выдерживает длительное термоциклирование.

sp 2 форма. Графен 2010 – Нобелевская премия за создание графена (К. Новоселов, А. Гейм) Толщина – 0. 077 нм. Получены образцы площадью 10 -2 м 2

Четыре способа получения графена • Получение из пара (эпитаксиальный рост) • Удаление второго компонента (Si-C) • Физико-химическое отделение от графита • Микромеханический отделение

«Физико-химическое» отделение) Ультразвук Оксид графита Одна графитовая плоскость; Толщина – 0. 077 нм; Получены образцы площадью 10 -2 м 2

Графен – следующее поколение материалов в наноэлектронике. Повышение скорости работы вычислительных машин, снижение электропотребления, уменьшение нагрева. Замена медных проводов в авиационной и космической индустрии. Вытягивание радиоактивных веществ из водных растворов. Транзисторы с базовой толщиной до 10 нм Очень чувствительные сенсоры для обнаружения отдельных молекул химических веществ Новый тип светодиодов (LEC)

sp 2 форма. Фуллерены 1985 – открытие фуллеренов при интерпретации спектров астрофизической пыли 1997 – Нобелевская премия за изучение молекул С 60 (Р. Смолли, З. Керл, Г. Крото)

sp 2 форма. Фуллерены 1990 – метод получения фуллеренов путем сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях

sp 2 форма. Фуллерены Производные фуллеренов: - заполненные (внедрение атомов и их соединений в полость); - фуллереновые аддукты (присоединение атомов других веществ); - гетерофуллерены Применение: - лечение аллергии - препараты против рака - сорбенты гемосорбции Фуллерены проложенные слоями бумаги являются магнитными, перспективны для создания компьютерной памяти с помощью записи лазерным лучем Аддукты – гидриды С 60 Н 36– основа водородных аккумуляторов Аддукты со щелочными металлами (К, Rb) - сверхпроводники

Нанокристалл фуллеренов - фуллерит

sp 2 форма. Углеродные нанотрубки - это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. атомарная структура однослойной нанотрубки

Существует 3 разновидности нанотрубок, различающиеся характером расположения шестиугольников боковой поверхности относительно оси трубки: - типа «кресло» (по углом 90); - типа «зигзаг» ; -спиральные. Применение: -в наномеханике -упрочнение композитов - фильтры

Связи С-С в графеновом листе – самые прочные из всех известных Центростремительное ускорение В 100 раз прочнее стали, В 4 раза легче стали 1895 г. , К. Циолковский, высказал идею создания космического лифта NASA был разработан проект по созданию комического лифта, в 2000 году выпущен отчет, согласно которому трос из углеродных нанотрубок сможет выдержать свою массу при диаметре всего в несколько сантиметров. Гравитационное притяжение

НЕУГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ а – Ti. O 2, б – VOx, в – Zn. O

НЕУГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Образование нанотрубок V 2 O 5 на основе Ba. V 7 O 16 • n. H 2 O изгибающиеся слои (б), нанотубулены (в), нанотрубки (г)

sp - форма. Карбин Полимерная форма углерода из линейных цепей [-CΞC-]n , n˃10. Впервые получен в Росси сублимацией графита. В метеоритах. Может использоваться в качестве нанопокрытий, в качестве упрочняющего компонента композитов.

1. Классификация углеродных материалов на основании электронной структуры атома углерода 2. Описание структуры углеродных материалов – алмаз, графит, графен, нанотрубки, фуллерены, карбин. 3. Отличительные свойства углеродных материалов, определяющие их применение