 | Березкин В.И. Углерод: замкнутые наночастицы, макроструктуры, материалы. - СПб.: АртЭго, 2013. - 450 с. | |
Предисловие ..................................................... 6
Глава 1 ВВЕДЕНИЕ ............................................... 8
Глава 2 ПОЗИЦИЯ УГЛЕРОДА В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ, НАУКЕ,
ТЕХНОЛОГИЯХ .................................................... 16
2.1 Структура объектов элементарного конденсированного
углерода .................................................. 16
2.2 Углерод в космосе и на Земле .............................. 29
2.3 Возникновение и эволюция Земли, ее устройство ............. 30
2.4 Кристаллические представители природного твердого
углерода .................................................. 35
2.4.1 Алмаз .............................................. 35
2.4.2 Графит ............................................. 53
2.5 Некристаллические представители природного твердого
углерода .................................................. 58
2.5.1 Битумы ............................................. 58
2.5.2 Торф ............................................... 65
2.5.3 Ископаемые угли .................................... 67
2.5.4 Горючие сланцы ..................................... 75
2.6 Искусственные и синтетические углеродные материалы,
области применения углеродных материалов .................. 82
2.6.1 Синтетические алмазы ............................... 83
2.6.2 Искусственные графиты .............................. 88
2.6.3 Интеркалированные соединения графита ............... 96
2.6.4 Терморасширенный графит ............................ 97
2.6.5 Пиролитический углерод ............................ 100
2.6.6 Стеклообразный углерод ............................ 102
2.6.7 Карбид кремния .................................... 104
2.6.8 Нанопористый углерод .............................. 105
2.6.9 Активные (активированные) угли .................... 108
2.6.10 Углеродные волокна и основанные на них
материалы ......................................... 114
2.6.10.1 Что такое композиционные материалы
(композиты) ..................................... 114
2.6.10.2 Технология получения и свойства
углеродных волокон ....................... 120
2.6.10.3 Изготовление углеволокнистых
композитов ............................... 128
2.6.10.3.1 Углепластики ........................ 128
2.6.10.3.2 Углерод-углеродные композиты ........ 132
2.6.10.3.3 Металлы, армированные углеродным
волокном ............................ 133
2.6.10.4 Материалы на основе пористых волокон ..... 134
2.6.10.5 Области применения углеволокнистых
материалов ............................... 135
2.6.11 Резина как дисперсно-упрочненный сажей и другими
материалами композит .............................. 141
2.6.12 Сажа .............................................. 143
2.6.13 Фуллерены ......................................... 144
2.6.14 Углеродные нанотрубки ............................. 149
2.6.14.1 Строение ................................. 150
2.6.14.2 Методы получения ......................... 153
2.6.14.3 Предполагаемые направления
использования ............................ 158
2.6.14.4 Адсорбция нанотрубками водорода как
альтернативного источника энергии и
другие связанные с этим проблемы ......... 164
2.6.15 Углеродные стручки ................................ 173
2.6.16 Нановолокна ....................................... 175
2.6.17 Графен ............................................ 178
Глава 3 ЯВЛЕНИЕ САЖЕОБРАЗОВАНИЯ КАК ИСТОЧНИК ЗАМКНУТЫХ
ЧАСТИЦ УГЛЕРОДА ............................................... 182
3.1 Общее состояние проблемы сажеобразования ................. 182
3.2 Технология сажи как промышленного сырья .................. 184
3.3 Научная проблема явления сажеобразования ................. 188
3.3.1 Химические кинетические модели сажеобразования .... 188
3.3.2 О роли жидкой фазы в процессах .................... 197
3.3.3 Сажеобразование при конденсации чисто
углеродного пара .................................. 199
3.3.4 Что известно о сажевом зародыше ................... 201
3.3.5 Модель образования замкнутых частиц сажи из
фуллереновых ядер-зародышей ....................... 205
3.3.5.1 Роль дефектов структуры .................. 205
3.3.5.2 Зарождение и рост замкнутых сажевых
частиц ................................... 206
3.3.5.3 Соответствие фуллереновой модели
сажеобразования экспериментальным
данным ................................... 209
3.3.5.4 Механизмы роста и структурная
трансформация частиц ..................... 212
3.3.6 Модели строения замкнутых частиц углеродной
сажи .............................................. 215
3.3.7 Современные экспериментальные данные по
исследованию структуры замкнутых углеродных
частиц ............................................ 218
3.3.8 Известные модели синтеза фуллеренов ............... 227
3.3.9 Сажеобразование и структура замкнутых
однослойных и многослойных неуглеродных частиц .... 230
3.3.10 Сажеобразование и особенности формирования
пиролитического углерода .......................... 232
3.3.11 Сажеобразование и примеси ......................... 233
3.3.12 Модели послойного роста замкнутых частиц
углерода, учитывающие адсорбционные
взаимодействия с участием фуллеренов .............. 234
Глава 4 ФИЗИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ И ФУЛЛЕРЕНЫ ..................... 236
4.1 Физическая адсорбция как явление ......................... 236
4.1.1 Основные понятия, определения, механизмы .......... 236
4.1.2 Типы экспериментально наблюдаемых изотерм
адсорбции ......................................... 243
4.1.3 Теоретические принципы описания изотерм
адсорбции ......................................... 245
4.1.4 Об удельной поверхности адсорбентов ............... 251
4.2 Адсорбционные свойства фуллеренов ........................ 253
4.2.1 Общие известные данные ............................ 253
4.2.2 Данные о спектрах оптического поглощения и
хроматограммах .................................... 256
4.2.3 Возможные типы ван-дер-ваальсовых сил притяжения
в физических адсорбционных взаимодействиях с
участием фуллеренов ............................... 261
4.2.4 Физическая адсорбция на фуллеренах и
дисперсионные силы взаимодействия ................. 263
4.2.5 Отклик кристаллической решетки С60 на
сорбционные процессы .............................. 267
Глава 5 Неупорядоченный твердый углерод шунгитов ............. 280
5.1 Что такое шунгиты ........................................ 280
5.2 Элементный состав шунгитовых пород и направления их
использования ............................................ 281
5.3 Геология месторождений шунгитов .......................... 286
5.4 Структура шунгитовых пород и шунгитового углерода ........ 288
5.5 Известные взгляды на генезис шунгитовых пород ............ 291
5.5.1 Биогенная и абиогенная гипотезы ................... 291
5.5.2 Сажевая модель шунгитового углерода ............... 303
5.5.2.1 Обоснование модели ....................... 303
5.5.2.2 Возможный механизм образования больших
массивов сажи из метана в природных
условиях, возможная роль адсорбционных
и других процессов при формировании
пород .................................... 306
5.5.2.3 О возможном происхождении исходного
глубинного метана ........................ 310
5.5.2.4 Некоторые аспекты, вытекающие из
сажевой модели формирования шунгитов ..... 315
5.6 Физические свойства шунгитов ............................. 317
5.6.1 Физико-механические свойства, зависящие от
содержания углерода в породах ..................... 317
5.6.2 Температурная стойкость шунгитового углерода к
графитизации ...................................... 318
5.6.3 Электропроводность и эффект Холла в шунгитах,
некоторые кинетические параметры .................. 323
5.6.4 О сделанных выше численных оценках ................ 329
Глава 6 МАКРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНОВ .................. 335
6.1 Структурные особенности фуллереновых молекул ............. 335
6.2 Об агрегатных состояниях фуллеренов ...................... 336
6.3 Типы фуллереновых твердотельных конденсатов .............. 337
6.4 Структурные фазовые переходы в молекулярных фуллеритах ... 338
6.5 Полупроводниковые свойства фуллереновых структур ......... 340
6.6 Фуллереновые полимеры .................................... 344
6.6.1 Методы получения и некоторые характеристики
полимеров ......................................... 344
6.6.2 Ферромагнетизм в полимерном С60 ................... 348
6.6.3 О нестабильности полимеров ........................ 349
6.7 Сверхпроводимость в фуллереновых структурах .............. 352
6.7.1 Интеркалированные соединения С60 .................. 352
6.7.1.1 Методы синтеза, типы образцов и основные
их свойства .............................. 352
6.7.1.2 Что происходит при интеркалировании С60 .. 355
6.7.1.3 Возможные механизмы сверхпроводимости в
интеркалированных С60 .................... 357
6.7.1.4 Некоторые аспекты, вытекающие из
сверхпроводящих свойств
интеркалированных фуллеренов ............. 361
6.7.2 "Шунгитовый фуллерит" ............................. 364
6.7.2.1 Принципы создания ........................ 364
6.7.2.2 Техника и режимы синтеза, характер
образцов ................................. 365
6.7.2.3 Температурный ход магнитной
восприимчивости и удельного
сопротивления ............................ 369
6.7.2.4 Тип носителей заряда ..................... 371
6.7.2.5 Температурный ход проводимости и
магнетосопротивление ..................... 373
6.7.2.6 Квантовые поправки к проводимости ........ 376
6.7.2.7 Сверхпроводимость ........................ 384
6.7.2.8 Возможный механизм сверхпроводимости ..... 389
6.7.2.9 Сверхпроводимость со слабым звеном и
проскок фазы ............................. 393
6.8 О современном состоянии исследований сверхпроводимости ... 398
6.8.1 Сто лет проблемы .................................. 398
6.8.2 Экспериментальные достижения ...................... 398
6.8.3 Механизмы сверхпроводимости ....................... 401
6.8.4 Некоторые итоги, а также перспективы на будущее ... 405
Глава 7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................... 408
Список литературы ............................................. 414
Список некоторых сокращений ................................... 440
Предметный указатель .......................................... 442
|
| Книга посвящена конденсированным формам элементарного углерода с различным характером и масштабом упорядочения атомов. Изложены общие сведения о существующих природных, искусственных и синтетических углеродных структурах и материалах, описаны их свойства, механизмы образования, технологии получения, области применения. Более подробно рассмотрены объекты с ограниченным числом атомов в конфигурации трехмерно замкнутых углеродных наночастиц – однослойных фуллереновых кластеров, многослойных углеродных частиц различных форм и размеров, сажевых частиц, частиц, присутствующих в шунгитовых породах. Все они представляют некристаллическое упорядочение атомов и особый класс частиц, способных организовываться в различные монолитные и дисперсные макроструктуры – фуллереновые материалы, сажу, шунгитовый углерод. Анализируются и обсуждаются строение, свойства указанных наночастиц и макроструктур, а также модельные представления, относящиеся к процессам их зарождения и формирования. Предлагается решение ряда существующих здесь фундаментальных проблем.
Книга адресована широкому кругу специалистов, интересующихся структурами углерода и материалами на их основе. Она может быть полезной для студентов естественнонаучных и технологических специальностей вузов. |
|
