碳材料作為一種常用的導(dǎo)電材料，電阻率是其主要的物理性能指標(biāo)，因此，對碳材料的電學(xué)性能進(jìn)行研究有著重要的意義?？梢詮耐庥^形態(tài)將碳材料區(qū)分為金剛石、石墨和無定形碳三大類，從晶體結(jié)構(gòu)上說，金剛石與石墨有著明顯的區(qū)別，且它們的物理性質(zhì)也不同。近代碳的石墨化理論認(rèn)為無定形碳也屬于石墨微晶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，因此不論是炭質(zhì)材料或石墨材料的導(dǎo)電機(jī)理都與石墨晶格的特性有關(guān)。

1．石墨的導(dǎo)電機(jī)理

金屬材料的晶格中充滿著自由電子，是電的良導(dǎo)體。一個(gè)很小的電場就可以向其提供一定的能量，使金屬中的自由電子在電場的影響下流動(dòng)。而在半導(dǎo)體中，則需要可觀的能量才能破壞化學(xué)鍵以釋放電子。在絕緣材料中，加熱也不能使牢固化學(xué)鍵的電子獲得自由，除非溫度已經(jīng)達(dá)到了使晶體熔化或者逐漸蒸發(fā)的程度。石墨晶體在層面方向是由碳原子組成的向四面擴(kuò)展的六角環(huán)形層狀大分子，碳原子與碳原子之間通過共價(jià)鍵疊加金屬鍵結(jié)合。由于金屬鍵的存在，所以石墨在層面方向有良好的導(dǎo)電性，但是石墨晶體在層與層之間是由較弱的分子鍵聯(lián)系的，導(dǎo)電能力差得多。金屬鍵自由電子的存在可以用來解釋石墨導(dǎo)電的原因，但是要對石墨的導(dǎo)電能力隨溫度而變化及隨晶格的完善而增加這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋，只有采用電子激發(fā)的量子理論。

固體材料的導(dǎo)電狀態(tài)和非導(dǎo)電狀態(tài)可以用能帶模型來解釋，該模型主要依據(jù)泡利不相容原理來考慮電子的容許量子態(tài)。泡利原理指出，在一個(gè)給定量子態(tài)中，zui多只能有自旋相反的兩個(gè)電子，這個(gè)原理提出孤立原子的殼狀結(jié)構(gòu)，電子環(huán)繞原子核形成若干個(gè)層，每層中的電子具有特定的能級。因?yàn)殡娮泳哂刑幵趜ui低可被占據(jù)的能級上的傾向，故只有當(dāng)每個(gè)較低的能級都充滿了電子，其余的電子才能填充到較高的能級中。當(dāng)原子聚集于晶體中時(shí)，也有類似的情況，游動(dòng)于整個(gè)晶體中的電子所具有的能量，處于由原子殼體中的若干個(gè)能帶中。在一個(gè)能帶內(nèi)，兩個(gè)相鄰的能級之間差別ji其微小，以致電子能夠很容易地從一個(gè)能級激發(fā)到另一個(gè)能級上去，然而能帶被一些間隙所隔開，一般情況下，電子是被禁止越過這些間隙的。在金屬中，zui上層的能帶叫做“導(dǎo)帶”，電子只是部分地充滿著導(dǎo)帶，因而可以通過外加電壓把某些電子激發(fā)到較高的能級或能帶上去。而在絕緣體和半導(dǎo)體材料中，導(dǎo)帶是空的，在導(dǎo)帶下面的所有“價(jià)帶”中卻完全充滿著電子，要把電子由zui高的價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，則需要一定的能量使電子越過能量間隙（禁帶），所需能量的大小決定于禁帶的寬度。

石墨晶體可以看成是和金屬類似的導(dǎo)電材料，禁帶很小，受熱激發(fā)跳躍到導(dǎo)帶上去的電子數(shù)目遵循玻爾茲曼定律，電子數(shù)目隨溫度的升高而增多，因此石墨的電導(dǎo)率似乎應(yīng)該隨溫度上升而增加。但是晶格在加熱時(shí)會產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)，在常溫時(shí)，品格中原子在平衡點(diǎn)附近的振幅很?。總€(gè)原子可移動(dòng)的距離可增加到偏離它們正常位置的10％）。晶格的熱運(yùn)動(dòng)阻礙了電子的流動(dòng)，即電阻增加，因此，晶體材料的電阻會隨溫度上升而增加。所以，不同種類炭質(zhì)制品或石墨制品的電阻率及電阻溫度系數(shù)是個(gè)變化的量。在一定溫度下，碳素材料的導(dǎo)電性是綜合了電子的熱激發(fā)與晶格熱運(yùn)動(dòng)兩種相反作用之后表現(xiàn)出的結(jié)果。如果在某一溫度范圍內(nèi)，電阻率隨溫度上升而下降，說明在該溫度范圍內(nèi)電子的熱激發(fā)使材料的電導(dǎo)率增加占優(yōu)勢。如果在另一個(gè)溫度范圍內(nèi)，電阻率隨溫度上升而增加，說明該溫度范圍內(nèi)晶格的熱運(yùn)動(dòng)所引起的對電流的阻礙作用占優(yōu)勢。石墨的晶格愈完善，沿層面方向的六角環(huán)形片狀體大分子中雜質(zhì)愈少，晶格缺陷也比較少，三維排列的層面間距離（doo2）也相應(yīng)縮小，所以阻礙電子流動(dòng)的因素減弱，相應(yīng)地，該材料的電阻率也會下降。