石墨生长中的分枝

石墨分枝存在两种类型，见图1所示：石墨在a轴分枝，基面(0001)劈开；c轴分枝，棱面(1010)劈开。

图1  石墨分枝的类型

a)a轴分枝  b)c轴分枝   c)c轴分枝高分辨的点阵条纹像

影响石墨分枝类型与分枝强烈程度的因素有石墨晶体缺陷种类、过冷度以及石墨旁生长的奥氏体。

1．晶体缺陷  存在于石墨中的缺陷直接影响所形成的分枝类型。C原子在旋转孪晶台阶上堆砌，相当于石墨基面被劈开，构成a轴方向分枝；如果C原子在螺型位错口的台阶上沉积，由于台阶的一端固定在位错线上，台阶缠绕位错线长大，结果形成垂直于(0001)面的c轴分枝。

2．过冷度  铁液过冷度是影响石墨分枝的重要因素。从晶体生长基本理论导出晶体的形状系数K_F与过冷度△T的关系为：

K_F=Qp△T／t_KMσ

式中  K_F——晶体的形状系数(S/V)，为晶体的表面积S与体积V之比；

Q——石墨晶体生成热；

ρ——石墨密度；

t_K——共晶温度；

M——石墨的相对分子质量；

σ——石墨与熔液接触界面的表面能；

△T——过冷度。

式中除△T外，其他参数均为常量，故K_F随过冷度增大而增大。K_F越大意味石墨分枝进一步加剧，因为只有大量分枝后，表面积S与体积V的比值才能增大。

3．石墨旁的奥氏体  在石墨晶体旁生长的奥氏体可阻碍石墨分枝。

石墨的分枝类型及分枝剧烈程度直接与最后生成的石墨形状有关，相互关系简要总结于表1。

表1  石墨分枝类型及分枝程度与石墨形状之间的关系

注：片状石墨以a轴分枝为主，同时存在c轴分枝；球状石墨以c轴分枝为主，但也存在a轴分枝。