Графит представляет собой аллотропную форму углерода. Он имеет гексагональную кристаллическую решетку (рис. 1). В монокристалле графита атомы углерода расположены в параллельных слоях (базисных плоскостях). В каждом слое атомы связаны между собой сильной гомеополярной связью; в направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, связь примерно в шесть раз слабее. Вследствие такой структуры графит обладает анизотропией физических и электрических свойств. Некоторые свойства графита приведены в табл. 1.

Рис. 1. Структура монокристалла графита.

Электропроводность графита в направлении базисной плоскости близка по своей природе к электропроводности металлов: удельное сопротивление в этом направлении невелико, температурный коэффициент удельного сопротивления положителен. В направлении, перпендикулярном базисной плоскости, удельное сопротивление значительно выше, а температурный коэффициент удельного сопротивления отрицательный.

Таблица 1. Свойства графита и пиролитического углерода

Примечание. В таблице приведены свойства пленок пиролитического углерода толщиной более 100 нм, полученных при температуре не ниже 900 °С. Так же, как и у пленок металлов, ρ и αρ пленок пиролитического углерода зависят от их толщины.

Твердость графита в направлении, параллельном слоям, около 1 (по минералогической шкале), в направлении, перпендикулярном слоям,— 5 и более. Температура плавления графита 3850±50 °С, однако его интенсивное испарение начинается в вакууме при 2200 °С.

Вследствие слабой связи между слоями отдельные слои легко скользят относительно друг друга, поэтому его применяют в качестве сухой смазки между трущимися деталями.

В технических (поликристаллических) графитовых материалах размеры кристаллов меняются в очень широких пределах. Графиты, имеющие кристаллы размером больше 1 мкм, называют явно кристаллическими. Кристаллы могут плотно прилегать друг к другу (плотиокристаллические графиты) или иметь форму чешуек, слабо связанных друг с другом (чешуйчатые графиты). Графиты с кристаллами 1...0,1 мкм еще называют скрытокристаллическими. Такое разнообразие структуры, а также наличие различных примесей вызывают значительный разброс свойств у графитовых материалов и изделий из них.

Пиролитический углерод получают при термическом разложении паров углеводородов в вакууме и в среде инертного газа. По своим свойствам и структуре пиролитический углерод приближается к графиту. Его кристаллическая структура отличается от структуры графита несколько меньшим расстоянием между атомами углерода в базисной плоскости (0,13 нм вместо 0,142 нм) и отсутствием строгой периодичности в расположении атомных слоев. Расстояния между параллельно расположенными слоями несколько больше, чем у монокристаллов графита, и достигают значения 0,37 нм. Пиролитический углерод состоит из отдельных поликристаллических конгломератов, образующихся на поверхности керамического основания. Размеры кристаллов, их структура и степень упорядоченности пленки зависят от технологии получения.

Сажа — продукт неполного сгорания или термического разложения углеродосодержащих веществ при отсутствии воздушной среды. Реакция получения сажи аналогична реакции получения пиролитического углерода, но осаждение происходит при более низкой температуре, что обусловливает более мелкозернистую структуру (сажу называют также коллоидным углеродом). Отличие в свойствах сажи от графита объясняется не только размерами частиц, но и тем, что в саже графитовая структура еще не вполне сформирована. Большое влияние на свойства сажи оказывают примеси.

Частицы сажи имеют приблизительно сферическую форму и состоят из беспорядочно расположенных «пакетов» плоских атомных слоев, подобных базовым слоям в структуре кристалла графита. Однако расположение слоев в «пакете» (кристаллите) не имеет, как в графите, регулярного характера, поэтому структура сажи не может быть отнесена ни к аморфной, ни к кристаллической, ее называют мезаморфной или турбострактной. Кристаллы в частице сажи связаны сильными валентными связями.

Особенностью некоторых видов сажи является их способность к структурообразованию — формированию более или менее длинных цепочек из отдельных частиц, связанных между собой посредством незаполненных валентных связей. Способность к структурообразованию, как правило, возрастает с увеличением степени дисперсности сажи и с уменьшением количества летучих примесей. Эта (вторичная) структура сажи сравнительно легко разрушается механическим воздействием, но частично восстанавливается после его снятия.

Литература:

Справочник по электротехническим материалам/ Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева.—Т. 3.— 3-е изд., перераб.— Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.— 728 с.