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石墨的晶体结构

发布日期: 2018-03-03 08:57:46    阅读量(17516)    作者:

石墨中各碳原子的价电子以三个SP2杂化轨道及--个2Pz轨道相互作用,形成具有共价键叠加金属键的六角环形网状体平面层,各层再由分子键的引力结合起来。在同一六角网状平面中C-C键长为0.142nm,相邻的层间距是0.3354nm。六角网状平面中C- C共价键的碳原子结合力达到每摩尔120kcal,而层与层之间的结合力要小得多,只有每摩尔20kcal。

石墨层与层之间的相对位置有两种排列方式,因而形成两种形式的石墨晶体:六方晶系石墨和三方晶系石墨(如图1所示)。六方晶系石墨中,六角网状平面呈ABAB重叠,即第一层的位置与第三层相对应,第二层位置与第四层相对应。而在三方晶系石墨中,六角网状平面呈 ABCABC重叠,即第一层的位置与第四层才完全对应。六方晶系石墨的晶胞常数为a0=0.2461nm,c0=0.6708nm;三方晶系石墨的a0=0.2461nm,c0=1.0062nm,两者只是C轴的长短不一。

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图1石墨的晶体结构

大多数天然石墨和人造石墨都属于八方晶系结构,在结晶较完善的天然石墨中,呈ABAB结构的六方晶系石墨约占80%左右,而ABCABC结构的三方晶系石墨只占20%左右。当受到机械或化学方法外理后,由于石墨的层间结合力较弱,呈ABCABC结构的石墨所占比例有所增加。各种人造石墨基本上都是六方晶系石墨,这是因为人造石墨是在高温下获得的,呈ABCABC结构的石墨加热到3000℃都可转化为ABAB结构。三方晶系石墨实际上是一种有缺陷的石墨。

石墨晶体的六角网状平面中,相邻六个碳原子的距离(0.142nm)比金刚石中碳原子的距离(0.154nm)还要小。因此,石墨六角网状平面上碳原子间的结合强度应该比金刚石高,这也是石墨具有高熔点的原因。由于石墨六角网状平面中和平面层的结合力相差甚远,因此它在导热性、导电性、热膨胀系数、机械强度等许多物理性能上都呈各向异性(如表11-2所列),并且很容易沿层面解理,分离出薄层,使其具有润滑性。

表1石墨的各向异性
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