CHƯƠNG 1 – PHẦN TỔNG QUAN 1. Tổng quan về vật liệu Graphite 1. Carbon Carbon là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu là C và số nguyên tử bằng 6, nguyên tử khối bằng 12. Là một nguyên tố phi kim có hóa trị 4 phổ biến, carbon có nhiều dạng thù hình khác nhau, phổ biến nhất là 3 dạng thù hình gồm carbon vô định hình, graphite và kim cương.
Carbon là nguyên tố đáng chú ý vì nhiều lý do. Các dạng khác nhau của nó bao gồm một trong những chất mềm nhất (graphite) và hai trong những chất cứng nhất (graphene và kim cương) cũng như là chất bán dẫn tốt nhất, hơn cả silic (graphene). Ngoài ra, nó có ái lực lớn để tạo ra liên kết với cácnguyên tử nhỏ khác, bao gồm cả các nguyên tử carbon khác, và kích thước nhỏ của nó làm cho nó có khả năng tạo ra liên kết phức tạp. Vì các thuộc tính này, carbon được biết đến như là nguyên tố có thể tạo ra cỡ 10 triệu loại hợp chất khác nhau, chiếm phần lớn trong các hợp chất hóa học.
Các hợp chất của carbon tạo ra nền tảng cho mọi loại hình sự sống trên Trái Đất và chu trình carbon-nitơ dự trữ và tái cung cấp một số năng lượng được sản sinh từ Mặt Trời và các ngôi sao. Carbon cũng có điểm thăng hoa cao nhất trong tất cả các nguyên tố. Trong điều kiện áp suất khí quyển nó không có điểm nóng chảy vì điểm ba trạng thái của nó ở tại 10,8 ± 0,2 MPa và 4.820 °F),[5,10] do đó nhiệt độ thăng hoa của nó trong trường hợp này vào khoảng 3.900 K [3,12] Carbon tồn tại trong mọi sự sống hữu cơ và nó là nền tảng của hóa hữu cơ. Phi kim này còn có thuộc tính hóa học đáng chú ý là có khả năng tự liên kết với nó và liên kết với một loạt các nguyên tố khác, tạo ra gần 10 triệu hợp chất đã biết.
Khi liên kết với ôxy nó tạo ra carbon điôxít là rất thiết yếu đối với sự sinh trưởng của thực vật. Khi liên kết với hiđrô, nó tạo ra một loạt các hợp chất gọi là các hiđrôcarbon là rất quan trọng đối với công nghiệp trong dạng của các nhiên liệu hóa thạch. Khi liên kết với cả ôxy và hiđrô nó có thể tạo ra rất nhiều nhóm các hợp chất bao gồm các axít béo, là cần thiết cho sự sống, và este, tạo ra hương vị của nhiều loại hoa quả. Carbon là nguyên tố phổ biến thứ 4 trong vũ trụ về khối lượng sau hydro, heli, và ôxy.
Carbon có rất nhiều trong Mặt Trời, các ngôi sao, sao chổi và bầu khí quyển của phần lớn các hành tinh. Một số thiên thạch chứa các kim cương vi tinh thể, loại được hình thành khi hệ Mặt Trời vẫn còn là một đĩa tiền hành tinh. Các kim cương vi tinh thể này có thể đã được tạo ra bằng áp lực rất mạnh và nhiệt độ cao tại những nơi mà thiên thạch đó va chạm.[8] Có khoảng 10 triệu hợp chất khác nhau của carbon mà khoa học đã biết và hàng nghìn trong số đó là tối quan trọng cho các quá trình của sự sống và cho các phản ứng trên cơ sở hữu cơ rất quan trọng về kinh tế. Trong tổ hợp với các nguyên tố khác, carbon được tìm thấy trong bầu khí quyển Trái Đất và hòa tan trong mọi thực thể có 2 chứa nước.
Với một lượng nhỏ hơn của canxi, magiê và sắt, nó tạo ra thành phần chủ yếu của một lượng rất lớn đá carbonat (đá vôi, đôlômit, đá cẩm thạch v. Khi tổ hợp với hiđrô, carbon tạo thành than, dầu mỏ và khí tự nhiên, còn được gọi là các hiđrôcarbon. Các dạng thù hình của carbon Các thù hình của carbon là sự khác nhau về cấu trúc mạng nguyên tử mà các nguyên tử tinh khiết có thể tạo ra. Ba dạng được biết nhiều nhất là carbon vô định hình, graphite và kim cương.
Một số thù hình kỳ dị khác cũng đã được tạo ra hay phát hiện ra, bao gồm các fullerene, ống nano carbon và Lonsdaleit. Muội đèn bao gồm các bề mặt dạng graphite nhỏ. Các bề mặt này phân bổ ngẫu nhiên, vì thế cấu trúc tổng thể là đẳng hướng. Carbon thủy tinh là đẳng hướng và có tỷ lệ độ xốp cao.
Không giống như graphite thông thường, các lớp graphite không xếp lên nhau giống như các trang sách, mà chúng có sự sắp xếp ngẫu nhiên. Ở dạng vô định hình, carbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphite nhưng không liên kết lại trong dạng tinh thể lớn. Trái lại, chúng chủ yếu nằm ở dạng bột và là thành phần chính của than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính. Ở áp suất bình thường carbon có dạng của graphite, trong đó mỗi nguyên tử liên kết với 3 nguyên tử khác trong mặt phẳng tạo ra các vòng lục giác, giống như các vòng trong các hiđrôcarbon thơm.
Có hai dạng của graphite đã biết, là alpha (lục giác) và beta (rhombohedral), cả hai có các thuộc tính vật lý giống nhau, ngoại trừ về cấu trúc tinh thể. Các loại graphite có nguồn gốc tự nhiên có thể chứa tới 30% dạng beta, trong khi graphite tổng hợp chỉ có dạng alpha. Dạng alpha có thể chuyển thành dạng beta thông qua xử lý cơ học và dạng beta chuyển ngược thành dạng alpha khi bị nung nóng trên 1000°C. Vì sự phi tập trung hóa của các đám mây π, graphite có tính dẫn điện.
Vật liệu vì thế là mềm và hình thành các lớp, thường xuyên bị tách ra bởi các nguyên tử khác, được giữ cùng nhau chỉ bằng các lực Van-der-Waal, vì thế chúng dễ dàng trượt trên nhau. Ở áp suất cực kỳ cao các nguyên tử carbon tạo thành thù hình gọi là kim cương, trong đó mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác. Kim cương có cấu trúc lập phương như silic và gecmani và vì độ bền của các liên kết carbon-carbon, cùng với chất đẳng điện nitrua bo (BN) là những chất cứng nhất trong việc chống lại sự mài mòn. Kim cương nhân tạo và vật liệu siêu cứng boron nitride BN được tổng hợp dưới áp suất cao và nhiệt độ cao (Trên 50.000at và 15000C) trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp ép nóng.
Sự chuyển hóa thành graphite ở nhiệt độ phòng là rất chậm và không thể nhận thấy. Dưới các điều kiện khác, carbon kết tinh như là Lonsdaleit, một dạng giống như kim cương nhưng có cấu trúc lục giác. Kim cương và BN ở dạng thù hình Lonsdaleit được tổng hợp dưới áp suất siêu cao và nhiệt độ cao (Từ 400 at trở lên 3 và nhiệt độ trên 10000C) bằng phương pháp dùng năng lượng của sóng xung kích (Thuốc nổ) Các fulleren có cấu trúc giống như graphite, nhưng thay vì có cấu trúc lục giác thuần túy, chúng có thể chứa 5 (hay 7) nguyên tử carbon, nó uốn cong các lớp thành các dạng hình cầu, elip hay hình trụ. Các thuộc tính của các fulleren vẫn chưa được phân tích đầy đủ.
Tất cả các tên gọi của các fulleren lấy theo tên gọi của Buckminster Fuller, nhà phát triển của kiến trúc mái vòm, nó bắt chước cấu trúc của các "buckyball". Cấu trúc mạng graphite Graphite được định nghĩa như một lớp các vật liệu có nồng độ carbon graphite cao [2]. Dạng graphite của carbon được chỉ ra trên Hình 1. Trong mạng lục giác mỗi nguyên tử carbon có 4 điện tử hóa trị ; 3 điện tử trong đó tạo thành liên kết cộng hóa trị bền vững với các nguyên tử xung quanh, nguyên tử thứ 4 liên kết yếu hơn.
Lớp hình thành bởi các nguyên tử liên kết với nhau bởi lực Van-der-Waal yếu hơn nhiều. Như vậy, các nguyên tử lân cận trong một lớp bất kì xếp sít (1,142AO) hơn khoảng cách giữa các lớp (3,35AO). Cấu hình nguyên tử này dẫn đến tính dị hướng rất mạnh trong mạng tinh thể. Chú ý rằng, sự sắp xếp nguyên tử lặp lại ở mỗi lớp tiếp theo và tồn tại một nguyên tử phía trên tâm của mỗi hình lục giác trong mặt phẳng ngay sát trên.
Mạng tinh thể của graphite Tính dị hướng ảnh hưởng rất mạnh đến tính chất của graphite tinh thể và graphite được chế tạo. Chẳng hạn, độ dẫn điện và nhiệt rất cao trong hướng song song với mặt phẳng nguyên tử carbon (hướng a) nhưng thấp hơn hướng vuông góc với các mặt phẳng đó (hướng c). Giãn nở nhiệt thấp theo hướng song song nhưng cao theo 4 hướng vuông góc. Graphite được chế tạo được hình thành từ các tinh tử (tinh thể rất nhỏ) của cấu trúc đã được mô tả, nhưng sự định hướng ưa thích của các tinh tử bên trong một mảnh có thể thay đổi từ sự định hướng gần như ngẫu nhiên.
Điều đó cho các tính chất vật lý ít bị dị hướng so với khi mức độ định hướng ưa thích cao, vì khi đó tính dị hướng thể hiện rất mạnh. Chú ý rằng, ngay cả trong graphite thông thường được đính hướng cao nhất của các tinh tử cũng không có được. Đã xác định rằng graphite gồm nhiều cấu trúc graphite có trật tự, tuy nhiên, trong nhiều trường hợp một lượng chính xác của chất rắn tổng cộng trong graphite có thể gồm carbon được trật tự hóa, hoặc ít nhất carbon với trật tự kém hơn đáng kể mà được mô tả ở trên đối với graphite tinh thể. Số lượng cụ thể của vật liệu như vậy phụ thuộc nhiều vào sự lựa chọn nguyên liệu thô và nhiệt độ lớn nhất đạt được trong quá trình chế tạo.
Các tinh tử kém trật tự hơn có lẽ được định hướng ngẫu nhiên trong vật thể và turbostratic thành phần bố lớp; nghĩa là chúng có thể coi như được làm từ các sắp xếp nhỏ song song nhưng các mặt phẳng graphite được quay ngẫu nhiên [7]. Graphite nguyên khai của mỏ graphite tự nhiên Yên Bái đã xử lý tạp Hình 1.2 thể hiện cấu trúc phân lớp của graphite. Các hạt graphite tự nhiên gồm những tấm mặt phẳng nguyên tử xếp chồng lên nhau. Trong Hình 2 ta thấy được cấu trúc của của những hạt graphite nhận được sau khi đã xử lý tạp.
Hạt graphite này là tập hợp nhiều tấm graphite có kích thước chiều dày chỉ khoảng một vài chục nanomet nằm xếp sát lên nhau. Các tấm này rất dễ tách ra khỏi nhau và từng tấm mỏng có kích thước nanomet này dễ dàng bọc lấy các hạt SiO2 như kiểu lấy một tờ giấy để gói một quả cam vào trong vậy. Các tính chất của Graphite Độ xốp 5 Độ xốp của graphite là do sự bay hơi chất bốc trong quá trình chế tạo và sự co ngót khác nhau của các tinh tử gây nên.
