炭素材料的电学和磁学性能

《炭素材料的电学和磁学性能》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、炭素材料的电学和磁学性能很多炭素材料是作为导电材料使用的，电阻率是许多炭素制品的主要物理性能指标，因此了解炭素材料的电学和磁学性能十分重要。炭素材料从外观形态区分，主要分为金刚石、石墨和无定形碳三大类，但是金刚石的晶体结构与石墨有明显区别，物理性质也不同。近代碳的石墨化理论认为无定形碳也属于石墨微晶结构的产物，因此不论是炭质材料或石墨材料的导电机理都与石墨晶格的特性有关。石墨的导电机理金属材料的晶格中充满着自由电子，因此是电的良导体。对于金属一个很小的电场就可以提供一定的能量，使自由电子在电场的影响下流动。而在半导体中，则需要可观的能量才能破坏化学键以释放电子。

2、在绝缘材料中，化学键的电子是如此牢固，以致加热也不能使这些电子获得自由，除非达到了使晶体熔化或者逐渐蒸发的程度。石墨晶体在层面方向是由碳原子组成的向四面扩展的六角环形层状大分子，碳原子与碳原子之间的结合键是共价键叠加金属键。由于金属键的存在，所以石墨在层面方向有良好的导电性，但是石墨晶体在层与层之间是由较弱的分子键联系的，导电能力差得多。可以用金属键自由电子的存在解释石墨导电的原因，但是不能解释为什么石墨的导电能力随温度而变化及随晶格的完善而增加，只有应用电子激发的量子理论才能解释。可以用能带模型来解释固体材料的导电状态和非导电状态，这个能带模型主要依据科学家泡

3、利的(蔡克辉)不相容原理来考虑电子的容许量子态。泡利原理指出，在一个给定量子态中，最多只能有两个电子(具有相反的自旋)，这个原理说明孤立原子的壳状结构，电子环绕原子核形成若干个层，每层中的电子具有特定的能级。因为电子倾向于处在最低可被占据的能级上，故只有当每个较低的能级都充满了电子，其余的电子才能填充到较高的能级中。当原子聚集于晶体中时，其情况亦类似，游动于整个晶体中的电子所具有的能量，处于由原子壳体所具有的若干个能带中。在一个能带内，两个相邻的能级之间差别极其微小，以致电子能够很容易地从一个能级激发到另一个能级上去，然而能带被一些间隙所隔开，平时这些间隙是禁止

4、电子越过的，能带模型见图l所示。在金属中，最上面的能带称做“导带”，电子只是部分地充满着导带，因而外加电压可以把某些电子激发到较高的能级或能带上去。而在绝缘体和半导体材料中，导带是空的，在导带下面的所有“价带”中却完全充满着电子，要把电子由最高的价带越过能量间隙(禁带)激发到导带，则需要一定的能量，需要能量的大小决定于禁带的宽度。石墨晶体可以看成是和金属类似的导电材料，禁带很小，受热激发跳跃到导带上去的电子数目遵循玻耳兹曼定律，随温升而增多，因此石墨的电导率似乎应该随温度上升而增加。但是晶格在加热时产生的热运动，在常温时晶格中原子在平衡点附近的振幅很小(每个原子

5、可移动的距离可增加到偏离它们正常位置的l0％)。晶格的热运动使电子的流动受到阻碍，即电阻增加，也就是晶体材料的电阻随温度上升而增加。所以，不同种类炭质制品或石墨制品的电阻率及电阻温度系数是个变化的量。在一定温度下，炭素材料的导电性是电子的热激发与晶格热运动两种相反作用综合后的结果。如果在某一温度范围内，电阻率随温度上升而增加，说明该温度范围内晶格的热运动所引起的对电流的阻碍作用占优势。如果在另一个温度范围内，电阻率随温度上升而下降，说明在该温度范围内电子的热激发使材料的电导率增加占优势。石墨的晶格愈完善，沿层面方向的六角环形片状体大分子中杂质愈少，晶格缺陷也比较

6、少，三维排列的层面间距离(d002)也相缩小，所以阻碍电子流动的因素减弱，该材料的电阻率也相应下降。炭素材料的电阻率包括电阻率表示及测量。(1)导体的电阻和电阻率。根据欧姆定律，导体两端产生的电压U与通过导体的电流强度J成正比，即U∝I，将导体电压与电流之比定义为该导体的电阻R，得出U=IR或R=U/I。但导体的电阻与材料的性质及形状、长度有关，对于由一定材料制成的横截面为均匀的导体，其电阻与导体长度成正比。与横截面大小成反比。电阻率是电流通过导体时，导体对电流阻力的一种性质，数值上等于长度为1m、截面积为1113．2的导体在一定温度下的电阻值，电阻率的计算公式

7、为：ρ=UA/IL式中，ρ为电阻率，Ωm；U为导体两端的电压，V；A为导体的截面积，m2；L为导体的长度，m；I为通过导体的电流强度，A。当截面积单位mm2阻率单位为μΩ.m。高度定向的天然鳞片石墨与热解石墨的电阻率各向异性特别大，可以相差上万倍，但是人造石墨制品(不论是模压或挤压成型)的异向比只有l．2～1．4，这是因为人造石墨都是多晶石墨，材料电阻率的方向性受原料焦炭择优定向排列的影响，天然鳞片石墨与热解石墨的电阻率测定结果举例于表1。(2)测定炭素材料电阻率的方法。在炭素工业中经常使用两种测定电阻率的方法，即整根电极电阻率的测量和煅烧料粉末电阻率的测量，测

8、定方法详见石墨电极电阻率