УДК 537.874; 537.624
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ШУНГИТА НА ЕГО
ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ СВОЙСТВА
И.
В. Антонец 1, Е. А. Голубев 2, В. Г. Шавров 3,
В. И. Щеглов 3
1
Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина,
167001, Сыктывкар, Октябрьский пр-т, 55
2
Институт геологии Коми НЦ Уро РАН, 167982,
Сыктывкар, ул.
Первомайская, 54
3
Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН,
125009, Москва, ул. Моховая, 11-7
Статья
поступила в редакцию 19 мая 2017 г.
Аннотация. Рассмотрено соотношение между
структурными параметрами шунгита и его электропроводностью. Структура
расположения углеродных областей на микроуровне исследовалась методом растровой
(сканирующей) электронной микроскопии. Содержание углерода в образце
определялось как весовое (в масс.%) методом кулонометрического титрования.
Результатом исследования являлись две вещи: 1 – элементная карта распределения
проводимости по поверхности образца, 2 – удельная проводимость образца шунгита
в целом. Динамическая проводимость определялась по отражению и прохождению СВЧ
сигнала (по мощности) в диапазоне частот от 8 до 70 ГГц. Статическая проводимость
измерялась контактным методом. Образцы были выполнены в виде полированных
пластин из шунгита толщиной 20-50 мкм, площадью до 2-3 квадратных сантиметров.
Концентрация углерода в образцах составляла от 3% до 95%. На основе анализа
элементных карт распределения углерода построены две модели интегральной
проводимости шунгита: «кубики с перколяцией» и «песок с жидкостью». Обе модели
основаны на анализе наблюдаемой в эксперименте зависимости статической и
динамической проводимости шунгита от содержания углерода. Согласно модели
«кубики с перколяцией» при малом содержании углерода (менее 40%) обе
проводимости шунгита отсутствуют. При среднем содержании углерода около 40%-50%
проводимость резко увеличивается. При большом содержании углерода (выше 50%)
проводимость остается высокой и не меняется. Согласно этой модели структура
шунгита представляет собой совокупность проводящих островков, которые по мере
увеличения содержания углерода смыкаются друг с другом. При этом происходит
перколяция структуры и проводимость резко увеличивается. Согласно модели «песок
с жидкостью» даже при крайне малом содержании углерода (до 3%), статическая
проводимость шунгита не исчезает. По мере увеличения содержания углерода
проводимость постепенно увеличивается без заметных скачков. Увеличение
проводимости происходит по линейному закону. Такой рост проводимости
наблюдается на всех исследованных образцах до весьма высокого содержания
углерода (95%). Вследствие значительного разнообразия структуры шунгитов в
настоящей работе была предложена ее классификация, основанная на геометрических
параметрах. Эта классификация включает шесть классов. Класс №0. Углерод
полностью отсутствует. Образец состоит из сплошного кварца. Класс №1. Имеются
небольшие островки углерода в кварцевой матрице. Класс №2. Имеются тонкие
короткие углеродные ленты. Связь между лентами отсутствует. Класс № 3. Имеются
тонкие длинные углеродные ленты, связанные настолько, что проходят через весь
образец. Класс №4. Углеродные ленты очень толстые. Кварц представляет собой небольшие
островки в углеродной матрице. Класс №5. Углерод занимает весь объем, кварц
отсутствует. Выполнено сравнение применимости предложенных моделей и
классификации с реальными образцами шунгита, обладающими сложной внутренней
структурой.
Ключевые слова: электрическая проводимость, шунгит,
композитная среда.
Abstract. The correlation between
structure of shungite and its electro-conductivity is investigated. The
structure of carbon regions arrangement on microscopic level is investigated by
raster (scan) electron microscope method. The carbon concentration is defined
as weight (in mass %) by coulomb-metric titration method. There were two of
investigation: 1 – the conductivity distribution on specimen surface element
card, 2 – the specific conductivity of shungite specimen as a whole. The
dynamical conductivity was defined from reflection and propagation of microwave
signal (in power) from 8 to 70 GHz. The static conductivity was measured by
contact method. The specimens were made as polished shungite plates of 20-50
mkm thickness and 2-3 square centimeter in area. The weight conducting carbon
concentration in specimens was from 3% to 95%. By analysis of carbon
distribution element cards two models of shungite integral conductivity is
constructed: “cubes with percolation” and “sand with liquid”. Both of these
models are based on observed in experiment dependence of static and dynamic conductivity
of shungite from carbon concentration. In conformity with model “cubes with
percolation” by the small carbon concentration (less than 40%) the both
conductivities are absent. By the middle concentration (about 40%-50%) the
conductivity is sharp increased. By the large concentration (more than 50%) the
conductivity is large and invariable. In connection with this model the
shungite structure is the total combination of conducted islands which connects
each other when the carbon concentration is increased. In this case the
percolation of structure take place and conductivity is sharp increased. In conformity
with model “sand with liquid” also by very small carbon concentration (down to
3%) the static conductivity of shungite is not disappeared. When the carbon concentration
is increased the shungite conductivity slowly increased without visible
changes. The increasing of conductivity occurs by linear law. This increasing
of conductivity takes place in all investigated specimens to very large carbon concentration
(to 95%). In connection with very large variety of shungite structure forms in
this paper the new classification based on its geometrical parameters is
proposed. This classification consist of six classes. Class №0. Carbon is
absent. The specimen consists of quarts. Class №1. The little carbon islands
take place in quarts matrix. Class №2. The thin short carbon ribbons take
place. The connection between ribbons is absent. Class №3. The thin long carbon
ribbons take place. These ribbons pass through whole specimen. The connection
between ribbons take place. Class №4. The carbon ribbons are very thick. Quarts
is the small islands in carbon matrix. Class №5. Carbon occupies the whole
volume. Quarts is absent. It is made the comparison of proposed models and
classification with real shungite samples having complex interior structure.
Key words: electro-conductivity,
shungite, composite medium.
Ссылка на статью:
И.В.Антонец, Е.А.Голубев, В.Г.Шавров, В.И.Щеглов. Влияние структурных параметров шунгита на его
электропроводящие свойства. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017.
№5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may17/11/text.pdf