Графит монокристаллический ТУ 48-0120-35-76

Графит монокристаллический — углеродный материал, в котором атомы углерода образуют единую упорядоченную кристаллическую решётку без границ зёрен. В обычных условиях это термодинамически стабильная аллотропная форма углерода. Главная особенность монокристалла графита — выраженная анизотропия всех физических свойств: электропроводности, теплопроводности, прочности, теплового расширения. Эти характеристики резко различаются в направлении базисных плоскостей (оси a) и перпендикулярно им (ось c).

Кристаллическая структура монокристаллического графита

Кристаллическая решётка графита имеет слоистое строение. В каждом слое (базисной плоскости) атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников и связаны между собой прочными ковалентными (sp²-гибридизация) связями. Расстояние между атомами в слое составляет 0,142 нм. Между слоями действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса, а межслоевое расстояние — около 0,335 нм.

Слои могут располагаться относительно друг друга по-разному, формируя политипы. Основная модификация — α-графит (гексагональный, укладка ABAB, пространственная группа P6₃/mmc). Встречается также β-графит (ромбоэдрический, укладка ABCABC), который является метастабильной фазой и при температуре 2500–3300 К полностью переходит в гексагональный.

Именно слоистая архитектура определяет ключевое свойство: прочные связи внутри слоя обеспечивают высокую электропроводность и теплопроводность вдоль базисных плоскостей, а слабые межслоевые связи — лёгкое скольжение слоёв друг относительно друга и низкую прочность в направлении оси c.

Физические свойства монокристалла графита

Электрические свойства и анизотропия электропроводности

Электрическая проводимость монокристаллов графита в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической. Это обусловлено наличием делокализованных π-электронов, свободно перемещающихся вдоль слоёв. Удельное электросопротивление в этом направлении невелико и обладает положительным температурным коэффициентом — как у металлов.

В перпендикулярном направлении (вдоль оси c) электропроводность в сотни раз ниже. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300–1300 К, причём для совершенных кристаллических структур положение этого минимума смещается в область низких температур.

Теплопроводность графита монокристаллического

В монокристалле графита теплоперенос осуществляется преимущественно вдоль базисных плоскостей (фононный механизм). Теплопроводность в этом направлении может превышать теплопроводность меди. Коэффициент анизотропии теплопроводности (отношение значений параллельно и перпендикулярно базисным плоскостям) для монокристаллов может достигать 5 и более. При повышении температуры теплопроводность снижается.

Тепловое расширение

Коэффициент термического расширения (КТР) монокристаллов графита проявляет уникальную анизотропию:

Направление	Температурный диапазон	Знак КТР
Параллельно базисным плоскостям (ось a)	До 700 К	Отрицательный (материал сжимается при нагревании)
Параллельно базисным плоскостям (ось a)	Выше 700 К	Положительный
Перпендикулярно базисным плоскостям (ось c)	Весь диапазон температур	Положительный (более чем в 20 раз выше, чем вдоль базисных плоскостей)

Эта анизотропия теплового расширения важна при проектировании конструкций, работающих в условиях термоциклирования.

Магнитные свойства

Монокристаллы графита диамагнитны. Магнитная восприимчивость анизотропна: велика в направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, и незначительна в параллельном. Коэффициент Холла меняет знак с положительного на отрицательный при температуре около 2400 К, что указывает на изменение механизма проводимости.

Механические свойства

Твёрдость графита в направлении, параллельном слоям, составляет около 1 по шкале Мооса. В перпендикулярном направлении твёрдость значительно выше — 5 и более. Для монокристалла характерна высокая анизотропия прочности: прочность в базисной плоскости определяется ковалентными связями, а между плоскостями — слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Именно это обеспечивает лёгкое скольжение слоёв и антифрикционные свойства графита (коэффициент трения по металлам 0,03–0,05 при рабочих скоростях до 10 м/с).

Общие физические характеристики графита

Параметр	Значение
Плотность	2,08–2,23 г/см³
Температура плавления	3845–3890 °C (при определённом давлении)
Начало интенсивного испарения в вакууме	~2200 °C
Твёрдость по шкале Мооса (в направлении слоёв)	~1
Межатомное расстояние в слое	0,142 нм
Расстояние между слоями	0,335 нм
Удельная теплоёмкость (при 300 К)	~710 Дж/(кг·К)

Химическая стойкость

Графит инертен при нормальных условиях. В неокисляющих кислотах не растворяется, устойчив в большинстве органических растворителей. Окисление кислородом воздуха начинается при температуре выше 400 °C с образованием CO₂. Скорость окисления ускоряется в присутствии металлов и замедляется в присутствии хлора, соединений фосфора и бора. С молекулярным азотом графит практически не реагирует.

Важным свойством является способность к образованию соединений включения (интеркалирование) — внедрение атомов или молекул щелочных металлов, солей, кислот между углеродными слоями. Это свойство используется при производстве терморасширенного графита и в электрохимических процессах.

Монокристаллический графит и близкие материалы

На практике получение крупных монокристаллов графита — сложная задача. Наиболее распространённым коммерческим аналогом является высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ, в международной номенклатуре — HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite). ВОПГ получают путём осаждения пироуглерода с последующим отжигом при температуре свыше 3000 °C под одноосным давлением. Свойства ВОПГ максимально приближены к свойствам идеального монокристалла. Подробнее об этом материале — на странице пиролитический графит (ВОПГ).

Качество ВОПГ характеризуется углом мозаичного разброса (mosaic spread): чем он меньше, тем ближе структура к монокристаллической. Образцы высшего качества имеют угол мозаичного разброса менее 1°. Диаметр отдельных кристаллитов в ВОПГ обычно составляет от 1 до 10 мкм.

В отличие от монокристалла, поликристаллический графит состоит из множества беспорядочно ориентированных кристаллитов, что делает его свойства более изотропными, но снижает предельные характеристики по электро- и теплопроводности.

Области применения монокристаллического графита

Синтез алмазов

Графит высокого структурного совершенства используется как исходное сырьё при промышленном синтезе алмазов методом высокого давления и высокой температуры (HPHT). Монокристаллический графит применяется при получении гексагональных алмазов (лонсдейлит), поскольку высокая степень упорядоченности исходной кристаллической решётки обеспечивает прямой кристаллографический переход графит → алмаз с минимальным количеством дефектов.

Калибровка сканирующих зондовых микроскопов

Поверхность монокристаллического графита (ВОПГ) легко обновляется путём скалывания и обеспечивает атомарно ровную поверхность. Это свойство используется для калибровки сканеров сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и атомно-силового микроскопа (АСМ) в нанометровом диапазоне длин.

Рентгеновская и нейтронная оптика

ВОПГ применяется в качестве монохроматоров и анализаторов рентгеновского и нейтронного излучения. Высокая степень ориентации кристаллитов обеспечивает эффективную дифракцию с узким угловым распределением.

Электротехника и контактные устройства

Высокая электропроводность монокристаллического графита вдоль базисных плоскостей, в сочетании с низким коэффициентом трения и химической стойкостью, определяет его применение в контактных щётках и токосъёмниках электрических машин, реостатах и других устройствах, где необходим надёжный подвижный электрический контакт.

Электрохимия и высокотемпературная техника

Графит с монокристаллической структурой используется при изготовлении электродов для специальных электрохимических процессов, а также в высокотемпературных установках, работающих в инертной атмосфере или вакууме, где требуется сочетание термической стойкости и электропроводности.

Формы поставки

Графит монокристаллический поставляется в виде пластин, блоков и заготовок различных размеров. Конкретные формы и размеры зависят от назначения: для зондовой микроскопии — тонкие пластины, для алмазного синтеза — блоки и прессовки, для электротехнических целей — заготовки под механическую обработку. Условия поставки, форма, размеры и объём партии — по согласованию.

Хранение и обращение

Монокристаллический графит хранят в сухих закрытых помещениях, защищённых от воздействия влаги и пыли. Материал не токсичен, но мелкодисперсная графитовая пыль при длительном вдыхании может оказывать раздражающее действие на дыхательные пути. При работе с графитовыми изделиями рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты органов дыхания в соответствии с требованиями охраны труда.