Структура и свойства графита

В связи с развитием некоторых новых отраслей техники значение графита возросло настолько, что его можно рассматривать как новый конструкционный материал для работы при высоких и сверхвысоких температурах. Применение графита обусловлено высокой температурой сублимации, хорошей термостойкостью, достаточно высокой теплотой испарения, наибольшей среди других материалов удельной прочностью при высоких температурах, удовлетворительной эрозионной стойкостью в потоке газа при температуре до 2730 °С. Графит химически инертен в нейтральной и восстановительной атмосферах. К существенным недостаткам графита можно отнести низкую стойкость против окисления и эрозионного воздействия твердых частиц.

Графит представляет большой интерес как конструкционный материал и замедлитель для ядерных реакторов. Широкому применению способствуют его невысокая стоимость, легкость механической обработки, малое сечение захвата нейтронов и хорошая замедляющая способность, достаточно высокие механические свойства при комнатной и повышенных температурах, а также высокая химическая устойчивость в среде газовых и жидких теплоносителей. Наиболее серьезные требования относительно газоплотности и связанной с ней способности задерживать газообразные и аэрозольные продукты распада ядерного горючего предъявляются к графиту при конструировании реакторов с газообразным теплоносителем.

Широкое применение получили углеграфитовые и графитометаллические антифрикционные материалы, которые способны работать без смазки в условиях высоких или низких температур, больших скоростей, агрессивных сред и т. д.

Для повышения стойкости графита применяют защитные покрытия или объемную пропитку различными смолами или жидкими металлами. Наиболее перспективна пропитка графита жидким кремнием, в результате которой образуется новый материал — силицированный графит, с значительно более высокими свойствами.

Расположение электронов в атоме углерода 1s22s22p2 свидетельствует о том, что он двухвалентен, но в большинстве соединений углерод выступает как четырехвалентный элемент. Это можно объяснить электронной конфигурацией 1s22s2px 2py2рz атома углерода в возбужденном состоянии, один электрон из 2s- переходит в 2р-состояние. Электронные облака атома в виде объемных восьмерок вытянуты вдоль координатных осей. В возбужденном состоянии 25-электрон и три 2р-электрона могут иметь любые спины, в связи с чем атом углерода четырехвалентен. Переход атома из нормального состояния в возбужденное требует затраты энергии, равной (5,6-7,2)*10в-19 Дж (3,5-4,5 эВ).

Надежно установлено существование двух моделей атома углерода. Тетрагональная модель: четыре равноценные связи в направлении углов тетраэдра, которые получаются смешением одного s- и трех р-электронов (sp3-гибридизация). Эта модель реализуется в кристалле алмаза.

Тригональная модель: три равноценные связи, расположенные в плоскости ху под углом 120° друг к другу. Они образуются от смешения двух р-электронов и одного s-электрона (sр2-гибридизация). Четвертый валентный электрон называется р-электрон. Его гантелеобразное симметричное электронное облако вытянуто вдоль оси z, перпендикулярной плоскости ху, в которой расположены электронные облака трех гибридных электронов. Эта модель реализуется в кристалле графита.

Менее надежно установлено существование гибридизации, реализуемой в линейном углероде, который в отечественной литературе называется карбином, в иностранной — чаоитом.

В соответствии с описанным строением атома углерода он существует в следующих кристаллических состояниях: алмаз, графит, ромбический графит, лонсдейлит и чаоит.