电子行业用活性炭-碳材料的电学性能石墨的导电机理

碳材料作为一种常用的导电材料，电阻率是其主要的物理性能指标，因此，对碳材料的电学性能进行研究有着重要的意义。可以从外观形态将碳材料区分为金刚石、石墨和无定形碳三大类，从晶体结构上说，金刚石与石墨有着明显的区别，且它们的物理性质也不同。近代碳的石墨化理论认为无定形碳也属于石墨微晶结构的产物，因此不论是炭质材料或石墨材料的导电机理都与石墨晶格的特性有关。

1．石墨的导电机理

金属材料的晶格中充满着自由电子，是电的良导体。一个很小的电场就可以向其提供一定的能量，使金属中的自由电子在电场的影响下流动。而在半导体中，则需要可观的能量才能破坏化学键以释放电子。在绝缘材料中，加热也不能使牢固化学键的电子获得自由，除非温度已经达到了使晶体熔化或者逐渐蒸发的程度。石墨晶体在层面方向是由碳原子组成的向四面扩展的六角环形层状大分子，碳原子与碳原子之间通过共价键叠加金属键结合。由于金属键的存在，所以石墨在层面方向有良好的导电性，但是石墨晶体在层与层之间是由较弱的分子键联系的，导电能力差得多。金属键自由电子的存在可以用来解释石墨导电的原因，但是要对石墨的导电能力随温度而变化及随晶格的完善而增加这一现象进行解释，只有采用电子激发的量子理论。

固体材料的导电状态和非导电状态可以用能带模型来解释，该模型主要依据泡利不相容原理来考虑电子的容许量子态。泡利原理指出，在一个给定量子态中，zui多只能有自旋相反的两个电子，这个原理提出孤立原子的壳状结构，电子环绕原子核形成若干个层，每层中的电子具有特定的能级。因为电子具有处在zui低可被占据的能级上的倾向，故只有当每个较低的能级都充满了电子，其余的电子才能填充到较高的能级中。当原子聚集于晶体中时，也有类似的情况，游动于整个晶体中的电子所具有的能量，处于由原子壳体中的若干个能带中。在一个能带内，两个相邻的能级之间差别ji其微小，以致电子能够很容易地从一个能级激发到另一个能级上去，然而能带被一些间隙所隔开，一般情况下，电子是被禁止越过这些间隙的。在金属中，zui上层的能带叫做“导带”，电子只是部分地充满着导带，因而可以通过外加电压把某些电子激发到较高的能级或能带上去。而在绝缘体和半导体材料中，导带是空的，在导带下面的所有“价带”中却完全充满着电子，要把电子由zui高的价带激发到导带，则需要一定的能量使电子越过能量间隙（禁带），所需能量的大小决定于禁带的宽度。

石墨晶体可以看成是和金属类似的导电材料，禁带很小，受热激发跳跃到导带上去的电子数目遵循玻尔兹曼定律，电子数目随温度的升高而增多，因此石墨的电导率似乎应该随温度上升而增加。但是晶格在加热时会产生热运动，在常温时，品格中原子在平衡点附近的振幅很小（每个原子可移动的距离可增加到偏离它们正常位置的10％）。晶格的热运动阻碍了电子的流动，即电阻增加，因此，晶体材料的电阻会随温度上升而增加。所以，不同种类炭质制品或石墨制品的电阻率及电阻温度系数是个变化的量。在一定温度下，碳素材料的导电性是综合了电子的热激发与晶格热运动两种相反作用之后表现出的结果。如果在某一温度范围内，电阻率随温度上升而下降，说明在该温度范围内电子的热激发使材料的电导率增加占优势。如果在另一个温度范围内，电阻率随温度上升而增加，说明该温度范围内晶格的热运动所引起的对电流的阻碍作用占优势。石墨的晶格愈完善，沿层面方向的六角环形片状体大分子中杂质愈少，晶格缺陷也比较少，三维排列的层面间距离（doo2）也相应缩小，所以阻碍电子流动的因素减弱，相应地，该材料的电阻率也会下降。