Дефектное строение реальных структур графитов

Многочисленные исследования, проведенные в области структурного анализа графитирующихся углеродных материалов, показали, что они не обладают совершенной структурой. Широко используемые в практике методы избирательного травления и декорирования позволили наблюдать нерегулярность строения поверхности графита. Метод окисления (подкисления) поверхности углеродных материалов, нагреваемых до повышенных температур, способствует выявлению дефектного строения отдельных участков поверхности углеродных материалов. Одним из характерных дефектов, присущих графитирующимся углеродным материалам, является апериодичное строение атомных сеток.

Рассматривая особенности структурного строения углеродных материалов на микроуровне, можно отметить, что углеродные материалы представляют собой совокупность микропакетов углеродных сеток, разориентированных относительно друг друга на величину около 0,25 нм. В процессе графитирования углеродных материалов микропакеты располагаются взаимно параллельно в направлении ориентации базисных плоскостей углеродных материалов. Если ориентация, особенно в направлении оси z трехмерного пространства (х, у, z), отсутствует, то подобные структуры углеродных материалов принято считать турбостратными (рис. 7.6). Подобные турбостратные структуры углеграфитовых материалов могут быть получены и в результате небольшой взаимной разориентации гексагональных сеток в плоскости монослоя графитирующихся материалов на величину а = 27°48', 21°48' и 5°04'. Таким материалам также присущи дефекты, характерные и для металлических материалов. Это и вакантные узлы кристаллической решетки, образование которых можно объяснить с привлечением механизма Френкеля или Шоттки. Совокупность таких дефектов в углеродных материалах способствует формированию так называемых клещевидных дефектов, имеющих объемный характер. В результате формирования клещевидных дефектов в объеме углеродного материала могут наблюдаться вздутия, искривления углеродных сеток и другие дефекты тонкого строения. В результате коагуляции вакансий в кристаллах графита могут образовываться небольшие микрополости диаметром до 300 нм. Объединение отдельных участков рассматриваемых дефектов способствует образованию краевых дислокаций и краудионов. Можно отметить также большое число и других факторов, влияющих на формирование дефектного строения углеродных графитирующихся материалов.

Что касается неграфитирующихся углеродных материалов, то их структура может быть представлена в виде разориентированных в монослое базисных плоскостей, между которыми расположен аморфный углерод. Характерным представителем неграфитирующихся (малографитирующихся) углеродных материалов является стеклоуглерод. В отличие от модели Франклина (рис. 7.7) рассматривается также возможность описания структуры стеклоуглерода с помощью модели «переплетенных лент» (рис. 7.8). Линейные размеры прямых участков лент около 10 нм. Пространство между переплетенными лентами не заполнено аморфным углеродом и представляет собой микропоры. В результате этого плотность стеклоуглерода низка и соответствует величине 1,45 г/см3. Однако рассмотренные схемы не дают объяснений природы формирующихся связей между отдельными лентами. Поэтому высказываются различные точки зрения на природу связи между лентами в направлении, перпендикулярном их плоскости. Существует мнение о том, что углерод в таких элементах находится в тригональном состоянии. Межплоскостная связь осуществляется за счет слабых межмолекулярных связей Ван-дер-Ваальса.

К особенностям строения неграфитирующихся (или малографитирующихся) углеродных материалов следует также отнести то, что ароматические монослои в таких материалах сшиты прочными полииновыми (-C=C-C=C-)n или кумуленовыми (=С=С=С=)n цепочками углерода с 2о- и 2 л-связями в пространственный полимер. Графитация такого полимера затруднена.