高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)

热解石墨是经高温处理，性能接近单晶石墨的一种新型石墨，简称(HOPG)。

1963年英国首先用压力热处理工艺制取了HOPG，1964年开始美国联合碳化物公司扩大此工艺制取HOPG，至1970年获得了△δ=0.40°±0.10°的大块HOPG。(△δ是用来描述热解石墨多晶体内晶粒(002)面沿沉积面排列分布的情况，△δ越小，则多晶体越接近单晶。)

中国在20世纪70年代末开始研制HOPG，到80年代中期成功地用作中子衍射仪和x射线衍射仪的单色器。

制取工艺    (1)热处理热解石墨HAPG(highly annealed pyrolytic graphite)。热处理温度为3200～3600℃。HAPG密度大于2.25g/cm³，△δ为2°。

(2)平行沉积面拉伸应力热处理热解石墨TAPG(tension annealed pyrolytic graphite)。热解石墨在2600--2800℃进行热处理，并同时在平行于沉积面方向施以拉伸应力。拉伸变形达14％，明显提高了PG石墨化速度，最小的△δ为1.2°，择优取向明显优于3000℃无应力处理的PG。

(3)非均质沉积内层应力热处理热解石墨ILPG(inner-layer pyrolytic graphite)。用直接通电法在2200℃进行沉积热解石墨，当沉积物厚度达2.5mm时，立即升高温度使沉积物表面达到2700℃，沉积物发生变形，内层的热解石墨出现石墨化，△δ为1.5°。此值已优于3500℃无应力热处理PG。此工艺缺点是无法确定内层PG所处的温度和所承受的应力。而且只能得到厚度小于lmm的弯曲的HOPG。

(4)压应力热处理热解石墨CAPG(compression annealed pyrolytic graphite)。热解石墨在压力下进行热处理而得。压力为30～50MPa，温度为2800～3000℃，得到的CAPG密度为2.266g/cm3，△δ为0.40°。小块的△δ为0.20°，若以CAPG在1MPa压力下，3400～3600℃再一次热处理，可以得到近似理想石墨的产品。此工艺为制得大尺寸，小△δ产品的主要途径。

显微组织与晶体结构    沿HOPG的沉积面方向易劈理，劈理面呈镜面(图1)。热解石墨的锥形显微结构消失。经700～900℃氧化，出现细蚀沟网络和六角形蚀坑(图2)。图3为在2800℃，45mMPa压力下处理25min，然后又在大于3000℃进行热处理后所呈现的晶粒尺寸La的变化。

力学性质    HOPG的体积弹性性质与天然石墨单晶相类似，其平行层面方向的室温剪切强度为0.9～2.5MPa。

物理性质    HOPG的物理特性非常接近单晶石墨，表1为热解石墨、高定向热解石墨及单晶石墨的一些物理性能。

应用    (1)X射线单色器。HOPG对X射线具有非常高的反射率，它能消除白光、荧光及X射线管中的杂光所造成的高背景强度(图4a，无HOPG单色器，背景强度高达40×10³)，使湮没在背景强度中的衍射线清晰地显露出来(图4b，有HOPG单色器，背景强度降至(1～2)×10³)。从而提高仪器的灵敏度和精度。现在HOPG单色器已是x射线衍射仪的必备部件。(2)中子滤波器和单色器。HOPG对核反应堆出来的中子流的滤波效果优于多晶铍及石英晶体。镶嵌度为3.5°的HOPG已成为中子衍射中高效标准滤波器，而且HOPG对中子的反射强度也优于铍单色器，因而亦用作中子单色器和分析器。(3)石墨基本性能的研究。研究石墨的一些基本性能，通常用天然单晶石墨，但天然单晶石墨尺寸较小，而HOPG尺寸大，纯度高，能满足这些要求。(4)作大尺寸石墨层间化合物的基本研究。