石墨生长机制

石墨的成核影响着石墨核心数量，而石墨的生长过程则决定了石墨的最终形态。片状、蠕虫状乃至球状石墨之所以有不同的形态，并非来自不同的晶核，而是由于生长方式不同所引起。

石墨生长动力学机制与熔液过冷、石墨晶体缺陷有密切关系。

石墨生长(即碳原子在核心上的堆砌)存在三种机制(见图1)：

图1  石墨生长的三种方式

a)二维生长  b)旋转台阶生长  c)螺型位错生长

1．二维生长  石墨沿(1010)面独立形核生长，(0001)晶面上的台阶只推进到相邻晶体的边缘。由于单个原子与(1010)晶面的结合力较弱，故生长困难，靠这种机制长大的可能性较小。

2．旋转台阶生长  石墨在旋转孪晶台阶上沉积，(1010)面依靠台阶向侧面扩展而进行长大。因为沉积原子有两个接触面相依，这种生长方式比二维生长稳定，生长机率大。

3．螺型位错生长  碳原子落在螺型位错造成的台阶边缘上；台阶不断扩展扫过晶面。位错中心处的台阶扫过晶面的角速度比离开中心远的地方大，结果形成一种螺旋塔尖状的晶体表面。由于有三个面接触，碳原子进入台阶处不需要重新形成表面。

二维生长与旋转台阶机制适用于棱面(1010)的生长，生长速度V_a与过冷度△T服从指数关系规律：

V_a=μ_ae^-N△T

式中 μ_a, b-系数。

石墨基面(0001)生长时，碳原子在螺旋位错台阶上堆砌，基面生长速度Ve与过冷度△T遵循抛物线关系：

V_e=μ_e△T²

式中   μ_e -系数。

综合石墨棱面、基面生长速度V_a、V_e与过冷度△T的关系，两条曲线的交点称临界过冷度(△T_临)。当△T>△T_临时，V_a<V_e，当△T<△T_临临时，V_a>V_e。

石墨在无晶格缺陷的理想状态下生长时，碳原子排列成结晶位向相同的单晶石墨片。Kozlov观察到石墨在无过冷、无干扰元素影响时，石墨相的平衡形状是片状。同样，Nakae也发现纯Fe-C-Si合金中的石墨是直、细而长的形状。

然而实际的石墨生长与理想状态有很大区别，实际的石墨雏晶存在着各种缺陷，破坏了石墨晶格的整齐排列，促使石墨发生分枝，导致产生许多结晶位向。