атомы группируются в виде плоских сеток, поэтому решетка двухмерная. Ученых уже давно интересовал вопрос о возможности построения поли­ морфной формы углерода, в которой атомы располагались бы в виде ли­ нии, образуя одномерную молекулу. Наиболее подходящим для этой цели с теоретических позиций представлялся ацетилен. Еще в прошлом веке А. Байеру удалось получить соединение, молекула которого представляла собой нить, состоящую из четырех ацетиленовых палочек:

-С^С-С=С-С^С-С=С-

Это вещество назвали карбином. Однако оказалось, что такое вещест­ во чрезвычайно неустойчиво. Но химики считали, что если в цепочке со­ единить не четыре, а несколько сотен или тысяч ацетиленовых звеньев, то новое вещество будет устойчивым.

После долгих поисков группе ученых ( А.М. Сладкову, В.В. Коршану, Ю.П. Кудрявцеву и В.И. Косаточкину) удалось найти способ получения новой, неизвестной в природе формы кристаллического углерода. Для это­ го ацетилен (С2Н2) пропускали через раствор соли меди. Образовавшиеся таким образом ацетилениды меди окисляли водным раствором хлорного железа, в результате чего происходило связывание отдельных ацетилено­ вых звеньев в длинную нить. Продукт очищали от различных примесей кипячением во фтористоводородной кислоте.

4.2. Структура карбина

Карбин представляет собой порошок черного цвета с вкраплениями отдельных крупных частиц со стеклянным блеском (по латыни углерод - карбонеум, а суффикс «ин» дают веществам с тройными связями). При дальнейшем изучении оказалось, что кристаллы карбина помимо полииновых цепей

-с=с-о=с-ос-

содержат и так называемые поликумуленовые нити

=с=с=с=с=с=

Первую, полииновую, кристаллическую форму карбина называют а-карбином (рассчитанная плотность 2,68 г/см3), вторую, поликумуленовую,- p-карбином (рассчитанная плотность 3,13 г/см3).

Каждый атом углерода соединен с двумя другими и между ними обра­ зуются две a-связи, угол между которыми составляет 180°, т.е. осуществ­ ляется гибридизация двух электронов и получается s/7-электронная конфи­ гурация. Два оставшихся /7-электрона участвуют в образовании двух

л-связей. Координационное число равно двум. Карбин еще мало изученное вещество, и многие его свойства и физико-химические характеристики по­ ка еще неизвестны или недостоверны.

Поскольку линейные группировки могут быть различно упакованы по отношению к тройной связи, то предполагается целое семейство карбиновых политипных форм. В.И. Косаточкин показал, что существует пять форм, а по данным Виттакера их восемь.

Идентичное карбину по кристаллическому строению вещество - чаоит - нашли в кратере Ries, Австрия.

Некоторые исследователи считают, что карбин, обнаруженный в при­ роде (чаоит) и синтезированный, - не устойчивая аллотропная модифика­ ция углерода, а метастабильная фаза графита. Формирование такой фазы обусловлено, по-видимому, слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, дейст­ вующими между слоями, отстоящими друг от друга на значительном рас­ стоянии.

Виттакер предложил схему обра­ зования карбина из графита при высо­ ких температурах (рис. 16). По этой схеме в структуре графита одиночная связь разрывается и один электрон пе­ реходит в двойную связь соседнего свободного радикала, образуя трой­ ную связь, а другой переходит в со­ седнюю двойную связь. При повтор­ ном разрыве весь слой атомов разде­ ляется на звенья (-С=С-). При образо­ вании тройных связей углы связей ме­ няются, создавая линейную группи­ ровку атомов.

4.3. Свойства и применение карбина

По твердости карбин превосходит графит, но значительно уступает алмазу. Карбин, как и некоторые разновидности алмаза, обладает свойст­ вами полупроводника, а при облучении светом проводимость его резко возрастает.

Химические свойства. Карбин не реагирует при комнатной темпера­ туре с хлором и бромом и лишь при 400-500 °С разрушается хлором. При нагревании в токе аргона до 2800 °С карбин превращается в графит.

Открытие структуры карбина стимулировало разработку новых, зна­ чительно обуглероженных продуктов с ценными физико-химическими свойствами, например полимерных светочувствительных материалов,

сверхпрочных волокон, термостойких материалов, стабильных резисторов, полупроводниковых материалов.

5. РАЗНОВИДНОСТИ ИСКУССТВЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. Рекристаллизованный графит

Традиционные методы получения плотных графитов посредством многократно чередующихся процессов их пропитки углеродсодержащими веществами и термообработки далеко не всегда позволяют достигать необ­ ходимых значении их физико-механических характеристик. Отечествен­ ные и зарубежные исследования показали возможность получения более плотных графитов путем одновременного воздействия на углеродные ма­ териалы температуры и давления. Этот метод получил название термоме­ ханической обработки (ТМО), а получаемые этим способом графиты на­ званы рекристаллизованными (РГ).

Способом ТМО были получены РГ плотностью до 2,2 г/см3 (97% от теоретической плотности), обладающие большой анизотропией свойств, термомеханическая обработка РГ позволила получить образцы почти монокристаллического графита. Подробности механизма формирования структуры и свойств РГ в литературе пока отсутствуют. Есть сведения о влиянии природы исходного углеродного материала, температуры и удельного давления прессования на свойства РГ. В процессе ТМО проис­ ходит уплотнение материала за счет пластической деформации элементов макроструктуры, растет степень текстурированности, анизотропия свойств, снижается пористость и несколько совершенствуется кристалли­ ческая структура. В процессе ТМО растет и прочность, и плотность РГ в результате спекания в местах соприкосновения сближенных элементов микроструктуры.

При отсутствии приложенного напряжения одно лишь увеличение температуры обработки не изменяет текстурированность материала. Уста­ новлена взаимосвязь показателя текстуры с плотностью материала, т.е. со степенью деформации материала при ТМО. Свойства РГ определяются также материалом-основой, взятым для ТМО. При одной и той же плотно­ сти величина зерна РГ влияет на физические свойства материала. При этом изменение прочности в зависимости от размера зерна подчиняется закону Холла - Петча.

Применение карбидообразующих элементов в процессах ТМО позво­ лило создать более совершенную технологию получения искусственных графитов без использования углеродсодержащего связующего, а следова­