Electrophysical properties of carbon material based on coal of “Saryadyr” deposit
| Parent link: | Известия Национальной академии наук Республики Казахстан. Серия геологии и технических наук: научный журнал/ Национальная Академия наук Республики Казахстан Vol. 3, № 441.— 2020.— [P. 117-125] |
|---|---|
| Autor corporatiu: | |
| Altres autors: | , , , , , , , |
| Sumari: | Заглавие с экрана Abstract. The article presents the results of heat treatment (carbonization) of grade G coal of the «Saryadyr» deposit («Pyatimetrovyy» layer) in the temperature range 250-550 °C at a heating rate of 10-15 °C/min and holding at 550 °C for 1, 2 and 3 hours. As a result of carbonization, carbon materials (CM) were obtained. Using the methods of thermogravimetric, energy dispersive X-ray spectroscopy, electron microscopy, we studied the technical, elemental composition, and surface morphology of the obtained products. The electrophysical characteristics of the CM were determined by measuring the electrical resistance (R), electric intensity (C), and dielectric constant (ε) of the samples in the temperature range 293-483 K. Based on the data obtained, the band gap (ΔE) of the samples was calculated. The carbon material obtained at 550 ° C for 3 hours has a dielectric constant of 740 thousand at 293 K and will increase to 1.1 billion at 453 K, i.e. up to 109 degrees to colossal values and is a very attractive material for microelectronics, i.e. at 453 K, ε CM is higher than the reference BaTiO3 by about 540 thousand times. Аннотация. В статье приведены результаты термической обработки (карбонизации) угля марки Г месторождения «Сарыадыр» (пласт «Пятиметровый») в интервале температур 250-550 о С при скорости нагрева 10-15 о С/мин и с выдержкой при 550 о С в течение 1, 2 и 3 часов. В результате карбонизации получены углеродные материалы (УМ). Методами термогравиметрического, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, электронной микроскопии изучены технический, элементный состав, морфология поверхности полученных продуктов. Определены электрофизические характеристики УМ путем измерения электросопротивления (R), электроемкости (С) и диэлектрической проницаемости образцов в интервале температур 293-483 К. На основании полученных данных рассчитаны ширина запрещенной зоны образцов. Углеродный материал, полученный при 550 о С в течение 3 часов, обладает большими значениями диэлектрической проницаемости, которая от 740 тыс. при 293 К достигает до 1.1 млрд при 453 К до 109 степени до колоссального значения и является очень привлекательным в качестве перспективного материала для микроэлектроники, при 453 К УМ превышает эталонного BaTiO3 примерно в 540 тыс. раз. Исследование элементного состава, структуры и размерности образцов проводили методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии на приборе SEM (Quanta 3D 200i) с приставкой для энергодисперсионного анализа от EDAX. Энергия возбуждающего пучка электронов при анализе была 15 кэВ. Результаты проведенного элементного анализа показали, что большая часть гетероатомов (кислород, водород, сера, азот) удаляется в виде газообразных продуктов. Соответственно уменьшается концентрация углерода с 82,98 до 67,80 мас. % и развивается структура плоских ароматических колец, объединяющихся в основные структурные единицы или элементарные графитовые кристаллиты. Результаты анализа микроснимков показывают, что после термической обработки поверхностная структура изменяется с меньшими размерами частиц (до ~170 нм). В продуктах УМ кристаллиты расположены нерегулярно, промежутки между ними заполнены (или блокированы) аморфным углеродом, который образуется при разложении смолистых веществ. Как известно, в результате карбонизации из сырья выделяются летучие (влага и частично смолы) вещества. Одновременно в нем образуются первичные макропористые структуры диаметром от 2 до 30 мкм. Исследование электрофизических свойств (диэлектрической проницаемости и электрического сопротивления) проводилось путем измерения электроемкости образцов на серийном приборе LCR-800 при рабочей частоте 1кГц непрерывно в сухом воздухе в термостатном режиме со временем выдержки при каждой фиксированной температуре. УМ, полученный при 550 о С в течение 1 часа, во всем исследуемом интервале температуры проявляет полупроводниковую проводимость. Диэлектрическая проницаемость также при указанном ΔТ невысокая. Данный углеродный материал можно отнести к узкозонным полупроводникам. УМ, полученный при 550 о С в течение 2 часов, до 383 К проявляет низкую диэлектрическую проницаемость, далее при 463 К он проявляет относительно высокую диэлектрическую проницаемость (1.89 млн.). УМ проявляет в исследуемом интервале температуры полупроводниковую проводимость, есть небольшие скачки температуры при 333−373 К, которыми можно пренебречь. Рассчитана ширина запрещенной зоны при Т=293 К, lg R=6,62; Т=483 К, lg R=4,85. Данный УМ можно также отнести к узкозонным полупроводникам. УМ, полученный при температуре выдержки 3 часа в интервале 293−453 К, проявляет полупроводниковые свойства, при tauТ = 453−473 К - металлическую и при tauТ = 473−483 К - полупроводниковый характер проводимости. Расчет ΔE произведен в интервале 293−453 К. При температуре 293 К электросопротивление составляет 5.17, а при 453 К lg R = 3.04. Полученный углеродный материал в интервале 293−453 К проявляет полупроводниковую проводимость, характерную узкозонным полупроводникам. Данный УМ обладает большими значениями диэлектрической проницаемости, которая от 740 тыс. при 293 К достигает до 1.1 млрд при 453 К, т. е. до 109 степени до колоссального значения и является очень привлекательным в качестве перспективного материала для микроэлектроники. Это объясняется фазовым переходом и образованием углеродных наночастиц размером от 100-700 нм на поверхности образца, о чем свидетельствуют электронно-микроскопические снимки. Таким образом, в работе проведен химический анализ углеродных материалов из угля месторождения «Сарыадыр» (пласт «Пятиметровый»). В интервале температур 293−483 К определены их электрофизические характеристики C, R, epsilon. Проведенный анализ показал, что полученный углеродный материал из Сарыадырского угля представляется перспективным в качестве емкостного материала, топливного элемента и полупроводника, а также для изготовления электродов. |
| Publicat: |
2020
|
| Matèries: | |
| Accés en línia: | https://doi.org/10.32014/2020.2518-170X.62 |
| Format: | Electrònic Capítol de llibre |
| KOHA link: | https://koha.lib.tpu.ru/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=665780 |