炭素材料的電學(xué)和磁學(xué)性能

1、炭素材料的電學(xué)和磁學(xué)性能很多炭素材料是作為導(dǎo)電材料使用的，電阻率是許多炭素制品的主要物理性 能指標，因此了解炭素材料的電學(xué)和磁學(xué)性能十分重要。炭素材料從外觀形態(tài)區(qū) 分，主要分為金剛石、石墨和無定形碳三大類，但是金剛石的晶體結(jié)構(gòu)與石墨有 明顯區(qū)別，物理性質(zhì)也不同。近代碳的石墨化理論認為無定形碳也屬于石墨微晶 結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，因此不論是炭質(zhì)材料或石墨材料的導(dǎo)電機理都與石墨晶格的特性有 關(guān)。石墨的導(dǎo)電機理金屬材料的晶格中充滿著自由電子，因此是電的良導(dǎo)體。對 于金屬一個很小的電場就可以提供一定的能量，使自由電子在電場的影響下流 動。而在半導(dǎo)體中，則需要可觀的能量才能破壞化學(xué)鍵以釋放電子。在絕緣材料 中，化

2、學(xué)鍵的電子是如此牢固，以致加熱也不能使這些電子獲得自由，除非達到 了使晶體熔化或者逐漸蒸發(fā)的程度。石墨晶體在層面方向是由碳原子組成的向四 面擴展的六角環(huán)形層狀大分子，碳原子與碳原子之間的結(jié)合鍵是共價鍵疊加金屬 鍵。由于金屬鍵的存在，所以石墨在層面方向有良好的導(dǎo)電性，但是石墨晶體在 層與層之間是由較弱的分子鍵聯(lián)系的，導(dǎo)電能力差得多?？梢杂媒饘冁I自由電子 的存在解釋石墨導(dǎo)電的原因，但是不能解釋為什么石墨的導(dǎo)電能力隨溫度而變化 及隨晶格的完善而增加，只有應(yīng)用電子激發(fā)的量子理論才能解釋?？梢杂媚軒Ｐ蛠斫忉尮腆w材料的導(dǎo)電狀態(tài)和非導(dǎo)電狀態(tài)，這個能帶模型主 要依據(jù)科學(xué)家泡利的（蔡克輝）不相容原理來考慮電子

3、的容許量子態(tài)。泡利原理指 出，在一個給定量子態(tài)中，最多只能有兩個電子（具有相反的自旋），這個原理說 明孤立原子的殼狀結(jié)構(gòu)，電子環(huán)繞原子核形成若干個層，每層中的電子具有特定 的能級。因為電子傾向于處在最低可被占據(jù)的能級上，故只有當每個較低的能級 都充滿了電子，其余的電子才能填充到較高的能級中。當原子聚集于晶體中時， 其情況亦類似，游動于整個晶體中的電子所具有的能量，處于由原子殼體所具有的若干個能帶中。在一個能帶內(nèi)，兩個相鄰的能級之間差別極其微小，以致電子 能夠很容易地從一個能級激發(fā)到另一個能級上去，然而能帶被一些間隙所隔開， 平時這些間隙是禁止電子越過的，能帶模型見圖l所示。在金屬中，最上面的能

4、 帶稱做“導(dǎo)帶”，電子只是部分地充滿著導(dǎo)帶，因而外加電壓可以把某些電子激 發(fā)到較高的能級或能帶上去。而在絕緣體和半導(dǎo)體材料中，導(dǎo)帶是空的，在導(dǎo)帶 下面的所有“價帶”中卻完全充滿著電子，要把電子由最高的價帶越過能量間隙 （禁帶）激發(fā)到導(dǎo)帶，則需要一定的能量，需要能量的大小決定于禁帶的寬度。金麗半導(dǎo)體割I(lǐng)械金麗半導(dǎo)體割I(lǐng)械嘴慢型鏈量向靴石墨晶體可以看成是和金屬類似的導(dǎo)電材料，禁帶很小，受熱激發(fā)跳躍到導(dǎo) 帶上去的電子數(shù)目遵循玻耳茲曼定律，隨溫升而增多，因此石墨的電導(dǎo)率似乎應(yīng) 該隨溫度上升而增加。但是晶格在加熱時產(chǎn)生的熱運動，在常溫時晶格中原子在 平衡點附近的振幅很?。總€原子可移動的距離可增加到偏離

5、它們正常位置的 10%）。晶格的熱運動使電子的流動受到阻礙，即電阻增加，也就是晶體材料的 電阻隨溫度上升而增加。所以，不同種類炭質(zhì)制品或石墨制品的電阻率及電阻溫 度系數(shù)是個變化的量。在一定溫度下，炭素材料的導(dǎo)電性是電子的熱激發(fā)與晶格 熱運動兩種相反作用綜合后的結(jié)果。如果在某一溫度范圍內(nèi)，電阻率隨溫度上升 而增加，說明該溫度范圍內(nèi)晶格的熱運動所引起的對電流的阻礙作用占優(yōu)勢。如 果在另一個溫度范圍內(nèi)，電阻率隨溫度上升而下降，說明在該溫度范圍內(nèi)電子的 熱激發(fā)使材料的電導(dǎo)率增加占優(yōu)勢。石墨的晶格愈完善，沿層面方向的六角環(huán)形 片狀體大分子中雜質(zhì)愈少，晶格缺陷也比較少，三維排列的層面間距離（d002） 也

6、相縮小，所以阻礙電子流動的因素減弱，該材料的電阻率也相應(yīng)下降。炭素材料的電阻率包括電阻率表示及測量。導(dǎo)體的電阻和電阻率。根據(jù)歐姆定律，導(dǎo)體兩端產(chǎn)生的電壓U與通過導(dǎo) 體的電流強度J成正比，即U-I,將導(dǎo)體電壓與電流之比定義為該導(dǎo)體的電阻R, 得出U=IR或日二。/1。但導(dǎo)體的電阻與材料的性質(zhì)及形狀、長度有關(guān)，對于由一 定材料制成的橫截面為均勻的導(dǎo)體，其電阻與導(dǎo)體長度成正比。與橫截面大小成 反比。電阻率是電流通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體對電流阻力的一種性質(zhì)，數(shù)值上等于長度 為1m、截面積為1113. 2的導(dǎo)體在一定溫度下的電阻值，電阻率的計算公式為：P=UA/IL式中，P為電阻率，Qm； U為導(dǎo)體兩端的電壓，

7、V； A為導(dǎo)體的截面積，m2； L為導(dǎo)體的長度，m； I為通過導(dǎo)體的電流強度，A。當截面積單位mm2阻率單位為 uQ.m。高度定向的天然鱗片石墨與熱解石墨的電阻率各向異性特別大，可以相差上 萬倍，但是人造石墨制品(不論是模壓或擠壓成型)的異向比只有1. 21. 4, 這是因為人造石墨都是多晶石墨，材料電阻率的方向性受原料焦炭擇優(yōu)定向排列 的影響，天然鱗片石墨與熱解石墨的電阻率測定結(jié)果舉例于表1。表I天然或片石壑與熟解石盅的電阻厚就定堵果翠倒材料般1!阻物無然蟆片石明10OM10-1然解石犀50000,8 x1C-測定炭素材料電阻率的方法。在炭素工業(yè)中經(jīng)常使用兩種測定電阻率的 方法，即整根電極電

8、阻率的測量和煅燒料粉末電阻率的測量，測定方法詳見石墨 電極電阻率測定。各類電極及煅燒后原料的電阻率(uQ.m)舉例如下: TOC o 1-5 h z 大白徑皆詢由率石曜電BiK-li中直控骸逃由率而曜電輾7- l（J小直役育誠功率召38電欖i大色控高助率-直堡電極&-7圮宜徑超麻由率右堅電岐+.5-5.S起島功枳萬靶電蛟的播志*454.5大肖徑箱廟旭嘏35-45電概朋荒斌試料75-0峪川倒極蝴燒增仗料卯如慨燃啟石油焦450 -650閽德后曲宵懶WJTOfl垠燒后無蜩煤1100-1300建增讀后尤知堆6W-7S0石編碎電根削工后的碎孵雙-姬影響電極電阻率的各種因素以石墨電極和炭質(zhì)電極為例，可列舉

9、以下4點：（1）原料。原料的導(dǎo)電性能對成品的電阻率有明顯影響，瀝青焦的煅燒后粉末電 阻率高于石油焦，因此部分使用瀝青焦的石墨電極電阻率要高于全部使用石油焦 的電阻率。使用普通煅燒后（煅燒溫度12001300C）無煙煤生產(chǎn)的炭質(zhì)電極其 電阻率高于使用電煅燒無煙煤（煅燒溫度15002000C）的同類產(chǎn)品。生產(chǎn)炭質(zhì)電 極、電極糊如加入部分石墨碎（或天然石墨）成品的電阻率可明顯下降。（2）成品 體積密度及孔隙率對電阻率的影響。在一定范圍內(nèi)，成品的體積密度較低或孔隙 率較大會提高電阻率，下面列舉一個石墨電極成品體積密度與電阻率的表達關(guān)系 式：這個關(guān)系式大致適用于孔隙率為17%30%以石油焦為原料的石墨電

10、極。式中P為成品體積密度為1.629/cm3時的電阻率uQ.m，； P為被測石墨電 極的電阻率，uQ.m； Db為被測石墨電極的體積密度，g/cm3。（3）電阻率與成品的最終熱處理溫度有關(guān)。以石墨電極為例，焙燒半成品的 電阻率與焙燒最終溫度成反比例，石墨化后成品的電阻率與石墨化最終溫度成反 比例，最終溫度愈高得到的焙燒半成品或成品的電阻率愈低。現(xiàn)將大規(guī)格石墨電 極焙燒最終溫度及石墨化最終溫度對電阻率測定數(shù)據(jù)舉例于下：（焙燒溫度指產(chǎn) 品實際溫度，并非加熱火焰溫度）.焙嫌泡僉/T皓境半成晶庖隘率*點斗80044-部90040-心所:啊化說度/CT1墨化屆戰(zhàn)品電11隼fjill m290010 -1

11、J22509-225WJ7-O3傾3tK04-5電阻率與測試溫度有關(guān)。不同的炭素材料在測試溫度升高時電阻率變化的幅度 不一樣，也即不同的炭素材料有不同的電阻溫度系數(shù)。當測試溫度升高時，材料 的電阻率隨之上升，則這類材料的電鬻l濺灝麟甏l阻溫度系數(shù)為正值。當測試 溫度升高時，材料的電阻率下降，則這類材料的電阻溫度系數(shù)為負值。石墨材料 的電阻溫度系數(shù)與一般材料不同，即在某一溫度范圍內(nèi)電阻溫度系數(shù)為正值，而 在另一溫度范圍內(nèi)為負值。如某種焦炭基石墨當測試溫度在500K以下時，電阻 率隨測試溫度升高而急劇下降，從5001000K這一區(qū)間變化很小，I000K以上 隨著測試溫度的提高，電阻率又呈上升趨勢。

12、表2為4種石墨材料在1000C時 的電阻率以及在特定的測試溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)，根據(jù)表中的電阻溫度系 數(shù)可以計算材料在測試溫度范圍內(nèi)某一溫度點的電阻率。a為在表2中的電阻溫 度系數(shù)。衰2咨蚱石制品的電阻溫度系甄石矗赭神美左】網(wǎng)1、時的嫩阻率SLTni也圈借度洛牧T 1灣試溫度街國犬6.4 0.9U.O021LOO- 250(1櫥*粒靖構(gòu)石墨1 .PyPz，為擠壓成型生產(chǎn)。 X軸為擠壓成型的加壓方向。電阻率（P）在兩個方向低而在一個方向高Px2Py，1400jfiOOiOOfKJ*的。850LOW4QN頌頗TOO|7W炭素材料的磁學(xué)性質(zhì)物質(zhì)按其磁性的不同可分為抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)3 類。當

13、載流導(dǎo)體引入磁質(zhì)中時，磁質(zhì)要進入一種特殊狀態(tài)，稱為磁質(zhì)的磁化。在 磁化了的磁質(zhì)中，磁感應(yīng)強度B是由兩部分組成的，即導(dǎo)線中的電流所產(chǎn)生的磁 感應(yīng)強度Bo和磁質(zhì)中未被抵消的分子電流所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B7迭加起來的， 也即：B=B +B,o實驗證明，位于空間磁場中的均勻磁質(zhì)，附加的磁感應(yīng)強度B7的方向可以和8的方向相同，也可以相反。B,的方向與B的方向相同的物質(zhì)稱為順磁質(zhì)，順磁質(zhì)物體所表現(xiàn)的磁性稱為順磁性，磁化率為正值。B7的方向與8方向相反的物質(zhì) 稱為抗磁質(zhì)，抗磁質(zhì)物體所表現(xiàn)的磁性稱為抗磁性，抗磁質(zhì)的磁化率為負值。鐵 磁質(zhì)突出的特點是它的磁化率a2超過其他順磁質(zhì)千百倍。導(dǎo)磁系數(shù)P，就是一個 用來表

14、示媒介質(zhì)磁性的物理量，不同的物質(zhì)有不同的導(dǎo)磁系數(shù)，導(dǎo)磁系數(shù)的單位 為H/m。由實驗測定，真空中的導(dǎo)磁系數(shù)相當于4nXl0-7H/m。由于這是一個常 數(shù)，所以將其他物質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)與它對比是很方便的，任一物質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)與真 空中的導(dǎo)磁系數(shù)的比值稱做相對導(dǎo)磁系數(shù)，用盧，表示，因此：u = u *U0相對導(dǎo)磁系數(shù)是沒有單位的，它表示在其他條件相同的情況下該物質(zhì)中磁感 應(yīng)強度是在真空中的多少倍，石墨的相對導(dǎo)磁系數(shù)是較小的，表5為多種物質(zhì)的 相對導(dǎo)磁系數(shù)?？勾刨|(zhì)相對導(dǎo)磁系數(shù)順磁質(zhì)相對導(dǎo)磁系數(shù)鐵磁質(zhì)相對導(dǎo)磁系數(shù)喪S的相對導(dǎo)思幕敝一相麗導(dǎo)相對導(dǎo)空氣i 一 aim 晦174_鍛1120四寸|鬲相l(xiāng).JKK3a2

15、3_常鈾umsM銳段號至600W(1)炭素材料的抗磁性炭素材料在磁場中的磁感應(yīng)強度B,的方向與外磁場的 磁力線方向相反，因而是一種抗磁生物質(zhì)，其磁化率為負值，大多數(shù)炭素材料的 導(dǎo)電性呈現(xiàn)各向異性，所以磁化率也是有明顯的異性，單晶石墨不同方向的單位耳工=-21.5又10一6日皿/圖工行=I。，* 10仙己皿，其差值4= - 21耳iWcrmi/gn單品石墨的抗硒性磁化率的平均值為J7ra = l/3(xi -.rtf)已知工上=-21.5 菖及玷=-emu/g因此1/3(-2L5 X106) + (-0.5 IQ ft)l質(zhì)量磁化率分別-，各種炭素材料在不同溫度下的抗磁性磁化率與其微晶大小有關(guān)，微晶寬度(L。)在5nm增大到15nm時，x皿急劇增加，說明抗磁性磁化率主要依賴于微晶的大小，因此測定 炭素材料的磁化率是研究炭素材料晶體發(fā)育程度的一種方法。石墨質(zhì)制品的抗磁 性磁化率還和測量溫度有關(guān)（見表6），垂直于晶格層面的9Em值在很大程度上與 溫度有關(guān)，但平行于晶格層面方向的z。值與溫度關(guān)系不大。T7K表6石懿和凡珅石隴制品的抗盛性碰化翠T7KI9