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炭素材料的化学性质和电学性质详解

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炭素材料的化学性质和电学性质详解

发布日期:2018-05-11 00:00 来源:http://www.zzkrnc.com 点击:

炭素材料的化学性质

炭素材料的化学性质稳定,因此是一种耐腐蚀材料。但在一定条件下,碳也会和其它物质发生作用,其主要反应有:在高温下与氧化性气体或在强氧化性酸中发生氧化作用;在高温下熔解于金属并生成碳化物等。

炭素材料的化学性质和电学性质详解

(1)氧化反应在常温下,碳与各种气体不发生化学反应。在350℃左右,无定形碳即有明显的氧化反应,石墨要到450℃左右才开始发生氧化反应。石墨化程度愈高,石墨的晶体结构愈完整,其反应活化能大,抗氧化性能好。在800℃以内,达到同一氧化速度的温度,石墨材料约比炭素材料高50〜100℃。在同一材料内,黏结剂炭有被优先氧化的倾向,所以氧化反应进行到一定程度时,骨料颗粒会发生脱落。

碳与气体之间反应属于气固反应,它的反应速度既取决于表面的化学反应速度,也与气体分子向材料内扩散速度有关。若炭素材料的气孔率高,特别是开气孔多,气体分子容易扩散到材料内部,参与反应的表面积大,氧化速度就快。当使用温度低时,氧化反应速率不高,气体分子有足够时间扩散到材料内部,这时氧化反应速率与材料的气孔结构及反应活性有关。当温度高于800℃时,化学反应速率快,而气体分子间材料气孔内扩散却因热运动而减慢,氧化反应只在表面进行,氧化速率受表面气流速度所支配,与材料种类关系较小。炭素材抖所含杂质对氧化反应起催化作用,所以高纯石墨与普通石墨的氧化性有明显差别。

(2)碳化物的生成在高温下,碳熔解于Fe、Al、Mo、Cr、Ni、V、U、Th、Zr、Ti等金属和B、Si等非金属中生成碳化物。碳与IV、V、VI族元素生成的碳化物化学稳定性好,硬度高,一般具有导电性,有的还显示超导性。某些碳化物的固熔体还是己知熔点最高的物质。碳与碱金属、碱土金属、Al及稀土类元素生成盐类碳化物。它们一般为绝缘体,大部分化学稳定性较差,在水或稀酸中分解。

炭素材料的电学性质

导电性——导电性是物质可以传导电子的性质。不间物质可以分为电的良导体、半导体和绝缘体三类。它们导电能力的大小一般用电阻率(P)来表示。炭素材料石墨晶体在层面方向上碳原子之间的结合是共价键叠合金属键,所以在石墨层面方向有良好的导电性,而在石墨晶体的层与层之间是由较弱的分子键连接,所以导电能力弱,因此,石墨化程度高的炭素材料的导电能力有明显的各向异性。各种炭素材料的导电能力是不同的,石墨化度高,层面排列近于平行,晶体缺陷少,有利于自由电子流动,所以电阻率就低。一些常用炭素材料的电阻率如表1所示。

表1 常用炭素材料的电阻率

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炭素材料导电性随温度的变化受两方面因素的制约。一方面石墨晶体受热时,在价带上的电子激发跃到导带上,成为自由电子的数量多,电阻率减小。另一方面,温度升高时,晶格点阵的热振动加剧,振幅增大,自由电子的流动阻力加大,电阻率增加。


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