Получение и применение кристаллического графита в электронной технике

1.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Саратовский
государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.»
Курсовая работа
по дисциплине: «Специальные главы
электротехнологии»
на тему:
«Получение и применение кристаллического
графита в электронной технике»
Выполнил: магистрант группы М2ЭЛЭТ11
Федин Д. С.
Проверил: доцент каф.АЭУ
Яфаров Р.К.

2.

История открытия
Графит люди применяли еще в глубокой древности. Есть свидетельства, что его
использовали для нанесения татуировок. В Египте около 4500 лет назад графит
применяли в качестве украшений и пигмента для раскрашивания керамики.
Графитовые карандаши впервые появляются в XII веке на Востоке [8]. В Европе
лишь в Эпоху Возрождения, с расцветом в Италии изобразительного искусства,
графит нашел всем известное применение в человеческой деятельности. Первое
европейское промышленно разработанное в XV веке месторождение «черного
мела» (карандаш), находилось, в итальянской провинции Пьемонт. Пишущие
стержни из графита тут же приобрели в Европе чрезвычайную популярность, но…
сразу же вздорожали, поскольку пьемонтское месторождение быстро исчерпалось.
Та же судьба постигла найденные вскоре залежи графита в Андалузии и Тюрингии.
И только в XVI веке в Англии было, наконец, открыто крупное месторождение
«черного мела». Изготовляя карандаши, англичане оправляли графитовый стержень
не только в дерево, но и золото, украшали различными орнаментами. Такие
карандаши представляли собой настоящее произведение искусства и стоили очень
дорого. Само название "графит", происходящее от греческого слова, означающего
"писать", предложено А.Вернером в 1789. В 1779 Карл Шееле установил, что
графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа и сделал вывод,
что графит представляет собой “особый минеральный уголь”

3.

Кристаллическая структура графита
Кристаллическая решетка графита бывает гексагональнаяи ромбоэдрическая.
Гексагональная состоит из параллельных слоев (базисных плоскостей),
образованных правильными шестиугольниками из атомов С. Углеродные атомы
каждого слоя расположены против центров шестиугольников, находящихся в
соседних слоях (нижнем и верхнем); положение слоев повторяется через один, а
каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на
0,1418 нм. В ромбоэдрической решетке положение плоских слоев повторяется
не через один слой, как в гексагональной, а через два. В природном графите
содержание ромбоэдрической структуры доходит до 30%, в искусственно
полученных графит наблюдается только гексагональная. При 2230-3030°С
ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

4.

Получение графита
Условия нахождения в природе
Сопутствующие минералы: пирит, гранаты, шпинель. Образуется при высокой
температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах.
Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в
среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко
распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах,
мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под
воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн).
Акцессорный минерал метеоритов. С помощью ионной масс-спектрометрии российским
учёным удалось обнаружить в составе графита золото, серебро и платиноиды (платина,
палладий, иридий, осмий и проч.) в форме металлоорганических нанокластеров.
Искусственный графит получают разными способами:
Ачесоновский графит: нагреванием смеси кокса и пека до 2800 °C;.
Рекристаллизованный графит: термомеханической обработкой смеси, содержащей
кокс, пек, природный графит и карбидообразующие элементы.
Пирографит: пиролизом из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500
°C в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до
температуры 2500—3000 °C при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт —
пирографит; в электротехнической промышленности применяется наименование
«электрографит»).
Доменный графит: выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна.
Карбидный графит: образуется при термическом разложении карбидов.

5.

Электрическая проводимость графита
Электрическая
проводимость
монокристаллов
графита анизотропна, в направлении, параллельном
базисной плоскости, близка к металлической, в
перпендикулярном — в сотни раз меньше.
Минимальное значение проводимости наблюдается в
интервале 300—1300 К, причем положение минимума
смещается в область низких температур для
совершенных кристаллических структур. Наивысшую
электрическую
проводимость
имеет
рекристаллизованный
графит.
Электрическая
проводимость графита в направлении плоскостей
объясняется
тем,
что
между
плоскостями
расположены
четвертые
валентные
электроны
каждого атома, которые ведут себя как электроны
металла. Как известно, графит, в отличие от алмаза,
весьма хрупкий материал, и даже при небольших
нагрузках начинает расслаиваться на отдельные
чешуйки. Причиной тому является очень слабая
межмолекулярная связь между атомами углерода,
расположенными в соседних плоскостях (её ещё
называют ван-дер-ваальсовой – по имени ученого,
открывшего её).

6.

Графиту присущи две удивительные особенности:
электрическая
проводимость
в
плоскостном
направлении в десять тысяч раз превышает
проводимость в поперечном направлении, а
теплопроводность графита, измеренная в направлении
плоскости слоев, в пять раз больше теплопроводности,
измеренной в поперечном направлении. Все это
обусловлено свойствами атома углерода.
Зависимость электропроводности σ некоторых
веществ от абсолютной температуры Т. Металлы: 1
— медь, 2 — свинец (ниже 7,3 К становится
сверхпроводящим); полупроводники: 3 — графит, 4 —
чистый германий, 5 — чистый кремний; ионные
проводники: 6 — хлористый натрий, 7 — стекло.

7.

Сверхпроводимость графита
Ранее предпринимались неоднократные
попытки
перевести
графит
в
сверхпроводящее состояние путем его
легирования
различными
химическими
элементами. Но максимум, чего удалось
добиться – это сверхпроводимости при Tc <
1К в случае легирования калием и натрием
[1,2]. Английские физики из университетов
Лондона и Кембриджа обнаружили, что
внедрение атомов иттербия или кальция
между графитовыми слоями приводит к
образованию сверхпроводящих соединений
с Tc = 6.5 и 11.5К, соответственно [3].
Резистивный сверхпроводящий переход
очень узкий (около 0.5К) и сопровождается
эффектом Мейснера (полное вытеснение
магнитного поля из объёма проводника при
его
переходе
в
сверхпроводящее
состояние). Роль атомов Yb и Ca
заключается в том, что они поставляют
свободные носители заряда в графитовые
слои.

8.

Применение графита в электротермии
Мелкозернистые
прессованные
графиты
на
основе
прокаленного нефтяного кокса марок АРВ и АРВу применяют
для изготовления анодов и сеток ртутных выпрямителей, а
также деталей электровакуумных приборов. Графит марки
АРВу отличается от АРВ большей плотностью, достигаемой за
счет дополнительной пропитки пеком. Их свойства, а также
максимальные габариты приведены ниже [38]:
В электротермии углеродные материалы используют для
изготовления
нагревателей,
экранов,
теплоизоляции,
элементов
конструкции.
Нагреватели
могут
быть
подразделены на электроды дуговых печей и нагреватели
индукционных установок и печей сопротивления [52].
Конструкционные углеродные материалы МГ, МГ-1, ГМЗ, ППг
нашли наиболее широкое применение в вакуумных печах
сопротивления, в том числе взамен вольфрамовых и
молибденовых для плавки редких и полупроводниковых
металлов. Так, нагреватели из графита марки ГМЗ при вакууме
до 1,33 Па работают при температуре до 2000 °С, напряжении
12—24 В и силе тока 1500—2000 А, выдерживают в среднем
20 плавок продолжительностью 5 ч каждая [109]. Несложность
механической обработки позволяет изготовлять нагреватели
диаметром до 500 и длиной до 1400 мм.

9.

Применение графита в электронной технике
В электронной аппаратуре широко используют непроволочные
углеродистые резисторы, которые бывают поверхностные и
объемные. В первых сопротивлением служит тонкий углеродистый
слой — пленка на электроизоляционном основании (их называют
тонкопленочными); объемные резисторы представляют собой
стержни из массы, состоящей из смеси углерода с органической и
неорганической
связкой.
Углеродистые
резисторы
бывают
постоянные и переменные; сопротивление последних изменяется в
заданных пределах. Пленочные резисторы ВС выполняются в виде
керамических цилиндрических стержней или трубок, на поверхность
которых нанесен слой углерода, покрытый лаковой пленкой.
Щетки для электрических машин. Представляют собой
специальные электропроводящие детали токосъемного устройства,
которые применяют для подвода тока на коллекторах и контактных
кольцах
электрических
вращающихся
машин.
Щетки
классифицируются в зависимости от применяемых материалов и
особенностей технологического процесса изготовления. Применение:
различные типы стартеров, генераторов, двигателей, электромоторов,
транспортных землений и т.п. Отрасли: электротехника, энергетика,
транспорт, автомобилестроение, машиностроение, металлургическая
и горнодобывающая промышленности.

10.

Графен и его получение
Графен – одиночный слой атомов углерода, организованных в плоскую «сеть» с
гексагональными ячейками, как у графита.
Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода,
собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до
получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный
кристалл графита.

11.

Возможное применение графена
Фрагмент из презентации лауреата Нобелевской премии Константина Новоселова
(10 сентября 2011 года в рамках книжного фестиваля под открытым небом
BookMarket-2011)

12.

Литература
1. Белова М. Ю. Графит, ИГ и ТРГ (краткий обзор). URL: www.sealur.ru . Дата обращения
05,04,2015.
2. Вендик О. Г. Графен (применение в технике СВЧ). Доклад на Всероссийской конференции
«Электроника и микроэлектроника СВЧ». Санкт-петербург. 2-5 июня 2014 года.
3. Е. И. Жмуриков, И.А. Бубненков, А. С. Покровский, Д. В.Харьков, В.В. Дрёмов, С.И.
Самарин. ГРАФИТ В НАУКЕ И ЯДЕРНОЙ ТЕХНИКЕ. Монография. г. Новосибирск. 2013.
4. http://globalscience.ru/article/read/18798/
5. http://achinsknews.ru/grafen-704/