Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng lên cấu trúc nano của graphite nhiệt phân pg tổng hợp bằng phương pháp cvd

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng lên cấu trúc nano của graphite nhiệt phân pg tổng hợp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Trần Sĩ Trọng Khanh
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Năng Định
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Nhiệt Độ Lên Cấu Trúc Nano Graphite Nhiệt Phân Bằng Phương Pháp CVD
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHẦN TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu Graphite
• 1.2. Graphite nhiệt phân (PG)
• 1.3. Phương pháp Lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)
• 1.3.1. Định nghĩa CVD
• 1.3.2. Các quá trình trong phương pháp CVD
• 1.3.3. Ưu nhược điểm của phương pháp CVD
• 1.3.4. Ứng dụng của phương pháp CVD
• 1.3.5. Phân loại các phương pháp CVD
• 2. CHƯƠNG 2: PHẦN THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tổng hợp vật liệu Graphite nhiệt phân (PG) bằng phương pháp CVD
• 2.1.1. Những thiết bị dùng trong quá trình CVD để tổng hợp PG
• 2.1.2. Quá trình tổng hợp Graphite nhiệt phân bằng phương pháp CVD
• 2.2. Khảo sát các tính chất của PG
• 2.2.1. Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X
• 2.2.2. Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng hiển vi điện tử quét SEM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu công nghệ chế tạo PG ở vùng nhiệt độ từ 900 đến 11000C
• 3.2. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể dị hướng và nano của PG phụ thuộc vào nhiệt độ CVD
• 3.3. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ CVD lên cơ chế hình thành tinh thể vi mô của PG và tốc độ phát triển của chúng trên nền thạch anh
• 3.4. Tính chất điện
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC HÌNH ẢNH
• PHỤ LỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lên cấu trúc nano graphite

Nghiên cứu về cấu trúc nano graphite và ảnh hưởng của nhiệt độ là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Graphite nhiệt phân (PG) được tổng hợp bằng phương pháp CVD (Lắng đọng pha hơi hóa học) đã cho thấy nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của PG sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng của nó.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng của graphite nhiệt phân

Graphite nhiệt phân là một dạng vật liệu carbon có cấu trúc tinh thể đặc biệt. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như điện cực trong sản xuất hóa chất và thiết bị công nghệ cao.

1.2. Phương pháp tổng hợp graphite bằng CVD

Phương pháp CVD cho phép tổng hợp PG với độ tinh khiết cao và cấu trúc đồng nhất. Quá trình này bao gồm việc lắng đọng các phân tử carbon từ hơi lên bề mặt chất nền, tạo ra các lớp graphite mỏng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu cấu trúc nano graphite

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về cấu trúc nano graphite, vẫn còn nhiều thách thức trong việc kiểm soát các thông số như nhiệt độ và thời gian phản ứng. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và tính chất của PG. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là cần thiết để đạt được sản phẩm tốt nhất.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu trúc nano

Nhiệt độ phản ứng là yếu tố quan trọng quyết định đến sự hình thành và phát triển của cấu trúc nano trong PG. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ cao hơn có thể dẫn đến sự hình thành các tinh thể lớn hơn và đồng nhất hơn.

2.2. Thách thức trong việc kiểm soát quá trình tổng hợp

Việc kiểm soát chính xác các thông số trong quá trình tổng hợp PG bằng CVD là một thách thức lớn. Sự thay đổi nhỏ trong nhiệt độ hoặc áp suất có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc và tính chất của vật liệu.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lên cấu trúc nano graphite

Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên cấu trúc nano của PG, các phương pháp như nhiễu xạ tia X và hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng. Những phương pháp này cho phép phân tích chi tiết về cấu trúc tinh thể và các đặc tính vật lý của PG.

3.1. Nhiễu xạ tia X trong phân tích cấu trúc

Nhiễu xạ tia X là một công cụ mạnh mẽ để xác định cấu trúc tinh thể của PG. Phương pháp này giúp xác định kích thước tinh thể và độ tinh khiết của vật liệu.

3.2. Hiển vi điện tử quét SEM trong nghiên cứu

Hiển vi điện tử quét SEM cho phép quan sát bề mặt và cấu trúc nano của PG với độ phân giải cao. Phương pháp này giúp đánh giá hình dạng và kích thước của các hạt graphite.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của nano graphite

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của PG. Các mẫu PG được tổng hợp ở nhiệt độ cao cho thấy tính dẫn điện và độ bền cơ học tốt hơn. Những ứng dụng thực tiễn của PG bao gồm trong công nghiệp điện tử và vật liệu chịu nhiệt.

4.1. Tính chất điện của nano graphite

PG có tính dẫn điện cao, đặc biệt là trong hướng song song với mặt phẳng nguyên tử. Điều này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng điện tử.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp và quốc phòng

PG được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất điện cực cho đến các ứng dụng trong công nghiệp quốc phòng. Vật liệu này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ cao.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu nano graphite

Nghiên cứu về cấu trúc nano graphite và ảnh hưởng của nhiệt độ sẽ tiếp tục là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của PG trong các lĩnh vực mới.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và cải thiện tính chất của PG để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong công nghiệp.

5.2. Tác động của nghiên cứu đến công nghiệp

Nghiên cứu về PG không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực khoa học mà còn có tác động lớn đến công nghiệp, đặc biệt là trong việc phát triển các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Graphite nhiệt phân (Pyrolytic Graphite - PG) là vật liệu carbon công nghệ cao sở hữu cấu trúc tinh thể dị hướng đặc biệt, cho phép chịu được nhiệt độ khắc nghiệt lên tới 3500°C - 5000°C và đạt tỷ số dị hướng nhiệt - điện vượt trội 1000:1 so với mức 5:1 của graphite thông thường. Nhờ mật độ thực tế đạt trên 2,25 g/cm³ (tương đương hơn 99% mật độ lý thuyết), PG đóng vai trò không thể thay thế trong chế tạo loa phụt động cơ tên lửa, màn chắn cách nhiệt cho lò chân không trên 2000°C, điện cực công nghiệp hóa chất và van tim nhân tạo. Do tính chất chiến lược liên quan trực tiếp đến an ninh quốc phòng, công nghệ chế tạo vật liệu PG bị kiểm soát nghiêm ngặt và cấm chuyển giao trên toàn cầu.

Trước thách thức này, nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tự chủ công nghệ chế tạo màng PG cấu trúc nano tại Việt Nam thông qua phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) ở vùng nhiệt độ trung bình từ 900°C đến 1000°C. Mục tiêu cụ thể là khảo sát quy luật biến đổi cấu trúc nano, cơ chế kết tinh và đặc tính điện của PG theo nhiệt độ phản ứng, tạo tiền đề để nhiệt luyện nâng cao ở 2200°C - 2700°C.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Viện Nghiên cứu ứng dụng và chuyển giao công nghệ cao phối hợp cùng Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN trong khoảng thời gian tổng hợp liên tục từ 10 giờ đến 100 giờ. Quá trình kiểm soát dòng tiền chất benzen ở mức 50 - 60 ml trong 5 giờ cùng khí mang Argon đã giúp xác lập thông số công nghệ tối ưu, mở ra hướng đi bền vững giúp giảm hơn 80% chi phí nhập khẩu nguyên liệu và từng bước tự chủ vật liệu chịu nhiệt cao cấp phục vụ công nghiệp lẫn quốc phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết cấu trúc tinh thể carbon lai hóa sp2 và mô hình truyền động học chất khí trong phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD). Mạng tinh thể graphite cấu tạo từ các vòng lục giác nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị bền vững trong mặt phẳng a-b với khoảng cách 1,42 Å, liên kết giữa các lớp dọc theo trục c là lực Van der Waals yếu với khoảng cách 3,35 Å (khoảng cách c0 đạt từ 6,71 Å đến 6,90 Å). Sự phân bố điện tử π phi tập trung mang lại tính dẫn điện và dẫn nhiệt dị hướng sâu sắc.

Ba khái niệm trung tâm chi phối quá trình tạo màng gồm:

1. Độ bất đẳng hướng tinh thể: Tỷ lệ định hướng trục c vuông góc với đế lắng đọng, quyết định khả năng ngăn cản truyền nhiệt theo phương thẳng đứng.
2. Năng lượng nhiệt phân tiền chất: Quá trình bẻ gãy liên kết hydro-carbon của benzen (C6H6) ở môi trường nhiệt độ cao tạo ra các gốc tự do khuếch tán.
3. Cơ chế mọc màng mỏng: Gồm ba mô hình Frank-Van der Merwe (mọc từng lớp), Volmer-Weber (hình thành đảo 3D) và Stranski-Krastanov (kết hợp lớp - đảo).

Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm sử dụng cỡ mẫu gồm 3 nhóm mẫu đại diện (PG1 chế tạo ở 1000 ± 20°C, PG2 ở 950 ± 20°C, PG3 ở 900 ± 20°C) được cắt thành các tấm kích thước 1x1 cm² với độ dày đế thạch anh 2 - 3 mm. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất có chủ đích được áp dụng: các mẫu nằm tại vị trí trung tâm ống phản ứng thạch anh đường kính 80 mm, dài 300 mm được lựa chọn để bảo đảm sự đồng nhất tuyệt đối về trường nhiệt độ và vận tốc dòng khí xoáy.

Hệ thống phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm giải đoán chính xác cấu trúc vi mô:

• Nhiễu xạ tia X (XRD): Thực hiện trên máy Siemens D5005 với bức xạ Cu-Kα (bước sóng λ = 0,15406 nm, điện áp 40 kV, dòng 30 mA) để định danh các mặt phản xạ Bragg (002), (004) và tính kích thước hạt nano theo công thức Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM): Sử dụng thiết bị Hitachi S-4800 ở dải độ phóng đại từ 30 lần đến 80.000 lần nhằm quan sát hình thái màng mỏng và mặt cắt ngang không phá hủy mẫu.
• Đo điện trở vuông 4 mũi dò: Thực hiện trên thiết bị Jandel AM3-AR tại nhiệt độ phòng để loại bỏ điện trở tiếp xúc giữa kim đo và màng dẫn điện.

Timeline mỗi mẻ lắng đọng được chuẩn hóa nghiêm ngặt: 4 giờ nâng nhiệt lò điện trở công suất 1,5 kW, 10 giờ duy trì phản ứng nhiệt phân ổn định và 1 giờ hạ nhiệt cưỡng bức.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm mang lại 4 phát hiện quan trọng:

1. Chế tạo thành công màng PG liên tục trên nền thạch anh đục với độ dày màng đạt xấp xỉ 100 µm sau 10 giờ phản ứng, khắc phục hoàn toàn hiện tượng nứt vỡ và bong tróc màng vốn thường gặp trên thạch anh trong suốt.
2. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của cả 3 mẫu đều xuất hiện đỉnh sắc nét tại khoảng cách mặt mạng d = 3,347 Å - 3,348 Å ứng với mặt phẳng phản xạ (002), chứng minh các hạt nano graphite có trục c định hướng song song hoàn hảo. Kích thước hạt tinh thể tính toán qua độ bán rộng vạch phổ đạt kích thước trung bình khoảng 10 Å (tương đương 1 nm).
3. Hình thái học SEM cho thấy sự chuyển dịch rõ rệt của cơ chế kết tinh: ở nhiệt độ 1000°C, màng phát triển chủ đạo theo cơ chế đảo Volmer-Weber với các tinh tử dạng nón đường kính vài trăm nanomet xếp lớp chặt chẽ; trong khi ở 950°C và 900°C, quá trình phát triển diễn ra hỗn hợp theo cơ chế Stranski-Krastanov và Frank-Van der Merwe với tốc độ kết lắng chậm hơn khoảng 30% - 45%.
4. Điện trở vuông của màng PG giảm đều đặn khi tăng nhiệt độ lắng đọng từ 900°C lên 1000°C, chứng minh mức độ hoàn thiện tinh thể và trật tự liên kết carbon tăng mạnh theo nhiệt độ phản ứng.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng nhiệt độ phản ứng từ 900°C lên 1000°C cung cấp động học nhiệt hóa tối ưu để phân tách hoàn toàn vòng thơm benzen, giải phóng hydro và thúc đẩy các nguyên tử carbon tự do tái sắp xếp vào mạng lục giác sp2. Kết quả khoảng cách mạng d(002) = 3,348 Å hoàn toàn tương thích với tiêu chuẩn của Patent quốc tế US 4,968,527 (quy định d nằm trong dải 3,35 Å - 3,55 Å).

Độ nhám tế vi của ống thạch anh đục đóng vai trò bẫy mầm kết tinh cơ học, giúp triệt tiêu ứng suất cắt phát sinh do sự sai lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa đế SiO2 và màng PG. Dữ liệu thực nghiệm có thể được tổng hợp trực quan qua biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ CVD và độ bán rộng phổ XRD, kết hợp bảng thống kê giá trị điện trở vuông tại các mức dòng đo khác nhau (từ 10 µA đến 100 mA) để làm rõ tính đồng nhất bề mặt. Tính chất dị hướng cấu trúc này bảo đảm hệ số dẫn nhiệt mặt đáy chỉ đạt 0,5 - 2 W/mK trong khi mặt song song đạt trên 200 W/mK, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn vật liệu chắn nhiệt hàng không vũ trụ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, 4 khuyến nghị chiến lược được đề xuất:

1. Nâng cấp dải nhiệt độ buồng lắng đọng CVD: Tăng nhiệt độ phản ứng từ 1000°C lên dải 1150°C - 1250°C nhằm rút ngắn thời gian tạo màng dày từ 10 giờ xuống còn 4 - 6 giờ, do nhóm nghiên cứu công nghệ vật liệu thực hiện trong vòng 6 tháng tới.
2. Tích hợp công nghệ xử lý nhiệt luyện sau CVD: Thiết kế và lắp đặt lò graphit hóa cao tần hoạt động ở nhiệt độ 2200°C - 2700°C để nâng mật độ màng PG từ 2,25 g/cm³ lên đạt 99,8% mật độ lý thuyết, do Viện Nghiên cứu ứng dụng và chuyển giao công nghệ cao chủ trì triển khai trong giai đoạn 12 - 18 tháng.
3. Ứng dụng lớp phủ PG bảo vệ trong công nghiệp hóa chất: Triển khai thử nghiệm phủ màng PG dày 50 - 80 µm lên cánh khuấy kim loại và điện cực bể điện phân muối xút - clo nhằm tăng tuổi thọ thiết bị lên gấp 3 - 5 lần, bàn giao cho các nhà máy hóa chất trong vòng 9 tháng.
4. Tự động hóa hệ thống kiểm soát dòng khí: Lắp đặt hệ thống van điều khiển lưu lượng khối điện tử (MFC) nhằm duy trì tỷ lệ hỗn hợp Benzen/Argon với sai số dưới 1,0%, nâng cao độ tái lập sản phẩm giữa các mẻ sản xuất trong vòng 3 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng:

1. Kỹ sư ngành công nghiệp quốc phòng và hàng không vũ trụ: Sử dụng thông số công nghệ CVD và cơ chế định hướng trục c để thiết kế, chế tạo cổ họng loa phụt động cơ tên lửa và tấm chắn nhiệt vệ tinh.
2. Nhà khoa học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Khoa học Vật liệu: Khai thác quy trình thực nghiệm lắng đọng carbon, phương pháp tính toán Scherrer từ phổ XRD và kỹ thuật đánh giá hình thái mọc màng qua ảnh SEM phân giải cao.
3. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện hóa và ắc quy: Ứng dụng công nghệ màng mỏng PG trên nền thạch anh để chế tạo tấm dẫn điện trơ hóa học cho pin nhiên liệu và điện cực cảm biến y sinh.
4. Giảng viên và sinh viên các trường đại học khối kỹ thuật: Làm tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các học phần công nghệ màng mỏng, vật liệu nano carbon và phương pháp phân tích cấu trúc chất rắn.

Câu hỏi thường gặp

1. Graphite nhiệt phân (PG) khác biệt như thế nào so với graphite tự nhiên thông thường? Graphite nhiệt phân là vật liệu nhân tạo siêu tinh khiết được hình thành từ pha khí, có cấu trúc lớp trật tự cao với mật độ đạt trên 2,25 g/cm³. Tỷ số dị hướng nhiệt và điện của PG đạt mức 1000:1, vượt trội hoàn toàn so với tỷ số 5:1 của graphite tự nhiên ép khuôn, cho phép chịu sốc nhiệt vượt quá 3000°C.

2. Vì sao nghiên cứu lại sử dụng đế thạch anh đục thay vì thạch anh trong suốt? Ống thạch anh (SiO2) bền nhiệt đến 1700°C và không phản ứng tạo SiC với carbon ở 1000°C. Thực nghiệm cho thấy bề mặt nhám vi mô của thạch anh đục tạo độ bám dính cơ học vượt trội, giúp màng PG đạt độ dày 100 µm mà không bị bong tróc như khi lắng đọng trên thạch anh trong.

3. Vai trò của việc pha loãng tiền chất Benzen với khí Argon là gì? Khí trơ Argon đóng vai trò làm khí mang và chất điều hòa tốc độ phản ứng. Với lưu lượng dòng ổn định khoảng 0,045 - 0,05 lít/phút, Argon tạo dòng xoáy kéo dài thời gian tiếp xúc của các gốc carbon trên bề mặt đế, ngăn ngừa hiện tượng tạo muội than vô định hình trong pha khí.

4. Cấu trúc nano của màng PG được xác nhận thông qua những chỉ số đo đạc nào? Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) thể hiện rõ đỉnh phản xạ (002) tại d = 3,348 Å với độ bán rộng vạch phổ lớn. Khi tính toán theo phương trình Scherrer với bước sóng Cu-Kα λ = 0,15406 nm, kích thước tinh tử trung bình được xác định ở mức khoảng 10 Å, khẳng định cấu trúc tinh thể kích thước nano.

5. Màng PG chế tạo ở nhiệt độ 1000°C có thể sử dụng ngay làm loa phụt tên lửa không? Màng PG tổng hợp ở 1000°C đã đạt định hướng tinh thể chuẩn nhưng cần trải qua bước nhiệt luyện bổ sung ở nhiệt độ từ 2200°C đến 2700°C để giải tỏa hoàn toàn nội ứng suất, làm dày khối vật liệu và tối ưu hóa độ bền uốn trước khi gia công thành loa phụt tên lửa hoàn chỉnh.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo vật liệu Graphite nhiệt phân (PG) cấu trúc nano bằng phương pháp nhiệt CVD ở dải nhiệt độ 900°C - 1000°C trên nền thạch anh đục.
• Xác định nhiệt độ 1000°C là thông số tối ưu, tạo màng mỏng PG có độ dày xấp xỉ 100 µm với các tinh tử định hướng đồng trục c song song hoàn hảo và kích thước tinh thể đạt cỡ 10 Å.
• Làm sáng tỏ cơ chế phát triển màng từ kết lắng đảo Volmer-Weber ở nhiệt độ cao sang cơ chế hỗn hợp Stranski-Krastanov ở nhiệt độ thấp hơn.
• Thiết lập cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng về tính chất dẫn điện và phân tích pha tinh thể, khẳng định tính tự chủ công nghệ vật liệu chịu nhiệt cao cấp trong nước.
• Lộ trình 24 tháng tới cần tập trung hoàn thiện hệ thống nhiệt luyện 2700°C để chế tạo thành phẩm loa phụt tên lửa; các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể kết nối ngay để tiếp nhận chuyển giao quy trình công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.