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「碳黑」炭黑的微观结构
来源: | 作者:德隆导电炭黑 | 发布时间: 2021-06-27 | 576 次浏览 | 分享到:

自然界中,由碳组成的固态物质可以分为晶体和无定形体两类。木炭、煤、骨炭(含有一些杂质)属于无定形碳。由于木炭内部的碳原子排列不规则,所以没有一定的洁净外形。而像金刚石、石墨一类物质,由于组成它们的碳原子有规则地排列在空间的一定点上,有一定的几何形状,称为晶体。

大家知道,金刚石是现有物质中最硬的一种,人们用它来裁玻璃或者装在钻探机的钻头上用来钻穿坚硬的岩石以勘测地下矿藏;石墨则很软,只要用指甲在它上面刻划,就会出现划痕,把它划在纸上时,也会留下黑色的痕迹(铅笔的笔芯就是用石墨和少量粘土制成的)。金刚石和石墨都是由纯碳组成的物质,为什么在性质上会截然不同呢?这是因为它们的结晶构造不同,或者说内部的碳原子排列不同。

用X射线衍射分析法测知,在金刚石中碳原子是交错整齐地排列成立体结构。每一个碳原子以1.54ù的共价键与四个等距离的碳原子相连结,构成一个正四面体(如图2-1所示)。由于金刚石晶格碳原子这样有规则地排列,所以成为最硬的物质。

石墨中碳原子的排列与金刚石不同。石墨在晶体学分类上属于六方晶系,理想的石墨是由许多叠合的层面所组成。每一层碳原子分布在正六角形平面的顶角上,三个相邻的碳原子以共价键连结,称为一个二度空间的平面网,叫做基面。叠在一起的相邻基面互相错开,上面一层有一个碳原子处在下面一层碳原子六角网络的中央(如图2-2所示),每隔一层,碳原子的位置相同,称为ABABAB......的三度空间排列。每层之间的结合力很小,就像一幅叠起来的扑克牌一样,很容易滑动散开。层距为3.35ù,基面上的原子间距为1.42ù。

那么炭黑粒子内部结构又是怎样的呢?对炭黑粒子内部结构的X射线衍射研究证明(而且过去也是这样认为的),炭黑粒子中的碳原子同样是以六角平面构成二度有序的层平面(基面)的网状排列。六角形排列的原子间距正是石墨的间距(1.42ù),这样的层平面,排列成3~5层(乙炔炭黑则在6~7层之间)。平均层面间距要比石墨对应的间距大些,石墨为3.35ù,炭黑通常在3.48~3.56ù之间,依炭黑的品种不同而异。这些层平面大约是平行的和等距的,但由于层与层之间受到扭转和平移,而不呈现石墨那样的ABABAB......三度有序堆积顺序。炭黑这种排列状态称为乱层结构,如图2-3所示。

对炭黑粒子内部研究的重大进展,是近年来采用所谓相衬电子显微技术。应用这种技术,在电子显微镜的荧光屏上可直接观察到炭黑粒子内部结构的细节。图2-4是用相衬电子显微镜所拍摄的图片,其中包括炉黑、(高结构高耐磨炉黑)、可混槽黑、热裂炭黑和乙炔炭黑的图片。电子光学放大倍数为30万倍,光学放大倍数为3.3倍左右,总放大倍数为100万倍。

从图中可见,在炭黑“粒子”的内部结构中,只有热裂炭黑呈球形,层平面围绕一个核心分布;其余的炭黑则是由层平面围绕多个核心分布在聚熔体中。一个旋转核心所形成的粒子犹如树干截面的年轮,一层层地展开来,但不是很规整,看上去存在着像弯曲的石墨层的连续网络,但看不出单个的结晶单元。作为交错的明线与暗线的石墨层,平均层面间距为3.60ù。不同品种炭黑其层距略有差别。粒径在20~70μm的炉黑,平均为3.77~3.85ù之间,中粒子热裂炭黑为3.63ù,可混槽黑为3.78ù,乙炔炭黑为3.55ù。在聚熔体的粒子和粒子之间形成围绕几个生长核心排列的网络。其中,各层之间常常是弯曲的,往往能看到一层挤进某两层之间。这样弯曲的石墨层是不能用X射线衍射法计算出来的。

根据相衬电子显微镜以及用X射线衍射法对经高温处理使之石墨化的炭黑的进一步研究,目前对炭黑的内部结构已经有了新的认识。也就是说,炭黑具有准石墨微晶的特征。所谓的准晶体,就是介于真晶体和无定形体之间的排列顺序。这样的准石墨微晶围绕着炭黑粒子的中心排成略为弯曲的平行层面,其外层比内层排列较规则,并更趋于石墨化。炭黑的这种微观结构叫做同心取向准石墨结构(如图2-5所示)。

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