石墨層間化合物

石墨層間化合物可以分為：金屬—石墨及堿土金屬—石墨層間化合物、鹵族元素—石墨層間化合物、金屬鹵化物—石墨層間化合物和三元石墨層間化合物等4類。

（1）金屬—石墨層間化合物及堿土金屬—石墨層間化合物。堿金屬中的K、Rb、Cs的飽和組成為MC8化合物，Li的飽和組成是LiC6，但Na的飽和組成是NaC64，堿土金屬Ca、Sr、Ba和Li一樣生成MC6型化合物。在表示石墨層間化合物的結(jié)構(gòu)時一般使用“階數(shù)”，如圖1所示，它表示層間化合物C8K的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為石墨晶格間吸收鉀原子形成多種層間化合物的不同結(jié)構(gòu)示意圖。層間化合物有幾階結(jié)構(gòu)取決于插入什么樣的化學(xué)物質(zhì)，例如已知K、Rb，CS存在1～15階的石墨層間化合物，而Ca、Sr、Ba僅生成一階化合物，而得不到高階石墨層間化合物。

（2）鹵族元素—石墨層間化合物。鹵族元素中的Br₂易形成石墨層間化合物，其飽和組成為二階的C₈Br，迄今尚未發(fā)現(xiàn)一階結(jié)構(gòu)。插入Br₂的石墨層間化合物在與之平衡的Br₂蒸氣中穩(wěn)定存在，但一旦去除溴蒸氣則容易分解形成殘留化合物。一般而言，將石墨層間化合物在空氣中放置分解而得到的物質(zhì)等總稱為殘留化合物，從結(jié)構(gòu)上它和原來的石墨幾乎沒有變化，但其缺陷程度增加，并可能和高階結(jié)構(gòu)混合存在等等，形式各種各樣。

（3）金屬鹵化物—石墨層間化合物。由氯化鐵形成的石墨層間化合物很早即已知曉，其他許多金屬氯化物也可生成石墨層間化合物。但是能生成金屬溴化物的石墨層間化合物比較少，據(jù)報道可形成石墨層間化合物的有Al、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Cd、Au、Hg、Ti、U等的溴化物。以AsF₅和SbF₅為代表的較多氟化物可生成石墨層間化合物。最近由于研究工作的深入，如ZnCl₂、MnCl₂及NaCl等過去認為無反應(yīng)物生成的鹵化物，采用特殊方法也可生成石墨層間化合物。

（4）三元石墨層間化合物。兩種以上的化學(xué)物質(zhì)被插入而形成的石墨層間化合物較多，存在著兩種堿金屬、堿金屬與氫（NH₃、苯）等組成的系列，兩種氯化物、氯化物與酸等相當(dāng)多的組合。

石墨層間化合物的原料主要是天然鱗片石墨，但石墨層間化合物由于晶體結(jié)構(gòu)上的改變已是完全不同于母體天然鱗片石墨的一種新物質(zhì)。根據(jù)插入物質(zhì)的性質(zhì)和插層階數(shù)的不同，石墨層間化合物增加了許多天然鱗片石墨所沒有的特性。主要如：高導(dǎo)電性、高效催化性、高吸附性、壓縮復(fù)原性和自潤滑性等。因此石墨層間化合物可以用作高導(dǎo)電材料、電池材料、高效催化劑、貯氫材料等。利用石墨層間化合物的插入和分解反應(yīng)的特點，已經(jīng)成功的制造了各種一次或二次電池，特別是二次鋰電池的開發(fā)，具有極高的商業(yè)價值。又如氟化石墨的潤滑性、防水性好，可以作為潤滑劑加入潤滑脂、潤滑油中或添加到充當(dāng)防水材料的石蠟中，還可用作脫模劑和電鍍共析劑。近期氟化石墨與鋰組合的高能干電池引起重視，作為新一代二次電池具有高能量密度，高工作電壓，循環(huán)性好等特點。利用多孔炭材料進行插入反應(yīng)可制造大功率電容器。又如氧化石墨（也稱石墨酸）在150℃以上急劇加熱時，會引起爆炸性分解，可制成熒光屏用炭膜或特殊的黏結(jié)劑。最近中國清華大學(xué)首創(chuàng)將膨脹石墨用于醫(yī)療方面，膨脹石墨作為醫(yī)用敷料，對治療燒傷有顯著療效，其對燒傷面的吸附能力比紗布高3～5倍，并且無急、慢毒副作用，也無致敏、致癌變作用。膨脹石墨還有卓越的吸附能力，可對海上原油泄漏及生活廢水處理方面具有重要意義。 2100433B

石墨晶體是碳原子以共價鍵結(jié)合成的六角環(huán)形（碳原子間距為0.142nm）片狀體的層疊結(jié)構(gòu)，層面與層面之間距離較大（0.335nm），利用化學(xué)或物理的方法在石墨晶體的層面間插入各種分子、原子或離子，而不破壞其二維結(jié)構(gòu)，只是使其層面間距增大，形成一種石墨特有的化合物稱之為石墨層間化合物（也稱石墨插層化合物）。已經(jīng)成為近代炭素材料科學(xué)的一個分支，其中膨脹石墨（石墨層間化合物一種，見膨脹石墨）及從膨脹石墨進一步加工制成的柔性石墨材料（見柔性石墨）已經(jīng)形成一定生產(chǎn)規(guī)模。

石墨層間化合物的合成方法很多，幾種有代表性的合成方法介紹如下：

（1）氣相恒壓反應(yīng)法。在氣相恒壓反應(yīng)法中，石墨試樣要和插層的物質(zhì)分別放在反應(yīng)管中的不同部位，并保持不同的溫度。設(shè)石墨的溫度為T_g，插層反應(yīng)物的溫度為T_i，使石墨與反應(yīng)物氣體接觸并發(fā)生反應(yīng)。T_g一般常比Ti高，以防止反應(yīng)物從石墨試樣中析出。T_i由反應(yīng)物的蒸汽壓決定，適當(dāng)選擇T_g與T_i之差，可確定生成的石墨層間化合物的組成和階結(jié)構(gòu)。

（2）混合法及浸漬法?；旌戏ㄊ菍⑹c反應(yīng)物混合的粉末進行熱處理的方法，而浸漬法則是將石墨浸入熔融鹽中的方法，二者的反應(yīng)物的蒸汽壓低或希望在溫和條件下發(fā)生反應(yīng)等場合較為有效。該方法反應(yīng)速度快，在較短的時間內(nèi)可獲得所需要的層間化合物，但對去除殘余的未反應(yīng)物比較困難，是其缺點。使用混合熔融鹽能夠控制所獲得的石墨層間化合物的活性，使反應(yīng)在低溫下進行成為可能而且含氯化物的石墨層間化合物經(jīng)過水洗也幾乎不分解，從而未反應(yīng)的氯化物也比較容易洗去，因此作為大批量的合成方法非常有用。

（3）電化學(xué)方法。其代表性反應(yīng)物為硫酸。以石墨為陽極，在濃硫酸中進行電解，發(fā)生硫酸的插層反應(yīng)。從通電量的多少可以估算插入的硫酸量，并且電極電位與階數(shù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)，因此插層過程容易監(jiān)控，這是此方法的優(yōu)點。最近，由于Li二次電池的開發(fā)受到重視，關(guān)于Li在石墨（炭）中電化學(xué)插層的研究非常活躍。

本書將金屬間化合物的擴散焊和釬焊作為討論的重點，這也是許多研究者研究的重點。因此，在本書中，特別用了一章的篇幅專門討論元素的擴散，研究固態(tài)材料的表面性能。其次，主要討論了鋁基金屬間化合物的焊接，即鋁-鎳、鋁-鈦和鋁-鐵之間化合物的焊接，以及它們與金屬之間的焊接，也討論了這些金屬間化合物與陶瓷之間的焊接，還介紹金屬間化合物與陶瓷的涂層，以適應(yīng)對這一技術(shù)的特別需要。

中間層頂是大氣溫度最低處，位于中間層頂部和低熱層底部。中間層頂?shù)母叨确秶兓^大，主要也與緯度和季節(jié)相關(guān)，中間層頂?shù)臏囟容^低，約為150K - 180K，高緯夏季中間層頂?shù)臏囟雀?，在極區(qū)這個溫度可以達到更低，曾有過78°N的極區(qū)站點觀測到130K的中間層頂溫度。