北京化工大学碳材料工艺学作业总结

1、炭材料的多样性？(广义和狭义定义)

广义上看：金刚石、石墨、咔宾都属于炭材料，这是一个广义的定义，但由于金刚石和咔宾在自然界存在非常少，结构也单一，不像石墨那样具有众多的过渡态中间结构（如焦炭、CF、煤炭、炭黑、木炭等）。

狭义上看：炭材料一般是指类石墨材料，即以SP 杂化轨道为主构成的炭材料，从无定形炭到石墨晶体的所有中间结构物质（过渡态碳），它是由有机化合物炭化制得的人造炭。

补充：新型炭材料：

根据使用的目的，通过原料和工艺的改变，控制所得材料的功能，开发出新用途的炭及其复合材料。大谷杉郎认为：新型炭材料可大致分为三类。

一是强度在100MPa以上，模量在10GPa以上使用时不必后加工的方法制得的新型炭成型物；二是以炭为主要构成要素，与树脂、陶瓷、金属等组成的各种复合材料；三是基本上利用炭结构的特征，由炭或炭化物形成的各种功能材料。

2、炭材料的基本性质？

和金属一样具有导电性、导热性；和陶瓷一样耐热、耐腐蚀；和有机高分子一样质量轻，分子结构多样；

另外，还具有比模量、比强度高，震动衰减率小，以及生体适应性好，具滑动性和减速中子等性能。这些都是三大固体材料金属、陶瓷和高分子材料所不具备的。因此，炭及其复合材料被认为是人类必须的第四类原材料。

3、炭材料科学的主要研究内容？

研究自然界中（广义）一切增炭化（富碳）物质的形成过程机理，特别是着重于它（包括原料经历部分炭化的中间产物）多层次的微观结构的形成，以及此结构在外界条件（如温度、压力）影响下的转变。此外，炭科学还研究炭集合体的各种物理与化学性质。

核心内容：自有机物前驱体出发，通过热处理使有机物转化成具有可被控制的微晶排列的炭固体，这一知识乃是炭材料科学的最核心部分。

有机原料中间状态终炭材料：1、形成过程（机理） 2、各过程中物质的结构与性质（化学、物理）3、外界条件与材料结构性能的关系；

第一部分碳的结构与性能

1、碳的结晶形式有哪些，阐述其结构与性能的关系？

结晶形式：金刚石、石墨、咔宾、富勒烯

金刚石：SP3杂化轨道，四个等同σ共价键，具饱和性和方向性面心立方晶体

特征：1）硬而脆；2）碳中密度最大（3.52g/cm3）；3) 1800℃以上转换为石墨；4）电绝缘体和热良导体；5）具四个等同轨道，如果与氢、碳结合就形成典型的脂肪族化合物。

石墨：SP2杂化轨道，2S2Px2Py三个在同一平面内互为120℃角的三个等价的σ键，剩余的2Pz轨道与σ键所在的平面垂直形成π键；π电子属非定域电子，在受到外电磁场作用时可在六元环网上自由运动，形成金属键；π键较弱，易发生断裂；

特性：1）不熔融和极高的化学稳定性，a面内抗拉强度极高；2）导电导热性好；黑色；3）解离性和自润滑性，易形成层间化合物；4）各向异性。

咔宾：SP杂化轨道，2 个σ键，2个π键；两种类型：β累积烯烃 =C=C=C=

α聚炔 -C=C-C=C-；线状，单元链长10-12C原子，六方晶体；树脂状组织，白色，白碳

特性：具有半导体及超导体性质；生物相容性好；由α聚炔出发易于转化为金刚石。

富勒烯：当SP2杂化轨道形成的六圆环在一起形成某些五圆环时，它就不再呈平面状而是呈现球状笼形结构；C60：20个六元环、12个五元环，当六元环增加时，

则可形成更大的球形分子；最大到C960。

特性：C60为球形分子，可以在有机溶剂中溶解；相等的化学环境，芳香性； C60直径7.1A，分子晶体，有机与无机的交叉点。

2、碳的相图及其相互转化？

金刚石和石墨的形成及转化条件：C(diamand)C(graphite) ΔH=-2.1KJ/mol 石墨低压稳定相、金刚石高压稳定相

3、概念：

炭化，石墨化，可石墨化炭，不可石墨化炭，石墨化性炭，非石墨化性炭

4、石墨化度的表征？

La Lc

石墨化程度的表征/石墨化度：XRD: d

002

5、炭材料具有优良抗热震性能的原因？

材料在高温下使用并且经受温度剧变而不破坏的性能，又称耐急冷急热性和热稳定性。

（1 ）温度急变导致材料破坏的原因：热传导的滞后性，表面和内部产生温度梯度

（2 ）炭材料具有优良抗热震性能的原因

A、热导率λ值大和线膨胀系数αl值小；

B、模量E值小，缓解热应力的效果好；

C、提高材料的抗拉或抗切强度有利于改善抗热震性。

6、炭材料热膨胀的特点？

A、α比金属材料小得多；

B、易石墨化炭材料的线膨胀系数随石墨化度提高而减小，难石墨化炭材料则相反度提高而减小，难石墨化炭材料则相反；

C、炭材料的线膨胀系数具有各向异性 a方向：<400℃，变化很小，常温达到极小，随后增大，800℃ 1x10-6/K c方向:为正值，（25-30）10-6/K。

7、炭材料导电的特点？

A、电阻率具有明显的各向异性；

B、石墨化程度高则电阻率小；

C、电阻温度系数不同炭材料的电阻率和电阻温度系数不同，有的随温度升高而减小，有的则增大。在一定温度下的导电性是在此温度下材料内自由电子热激发和晶格点阵热振动的综合反映。

8、影响炭材料力学性能（强度和模量）的因素，如何提高CF的力学性能？

基本结构特征：1）多晶多层结构；2）宏观组织特征是含有气孔。因此，炭材料的力学性能受到气孔率、孔径分布、组织缺陷、晶粒大小、石墨化度等因素的影响。

提高CF强度的主要措施: 细晶化和减少缺陷。

9、炭与过渡金属的反应类型？

1）ⅠB、ⅡB（以Cu,Zn为代表，d ），不与碳反应；

2）ⅧB族（ Fe,Co,Ni为代表，d层6-10电子），催化熔解碳，形成固溶体；3）ⅣB-ⅦB族（Ti,Cr,Mn为代表，d层2-5电子），与碳共价形成碳化物。

第二部分有机物成炭的途径

1、炭化的概念及包含哪些类型？

有机化合物的炭化途径：1）气相炭化；2）液相炭化—中间相理论与应用3）固相炭化与多相炭化。

2、炭化反应的实质？

3、有机物热解的一般规律？

4、气相炭化的定义及包含哪些内容？

定义：考察一切气态原料转化成固体碳的过程，即挥发先于热解的化合物、碳原子数在20个以下的链烷烃、烯烃或芳烃化合物，通常具有200℃以下的沸点，在通常情况下于气相中进行炭化。

主要包括：1）气态烃高温下在惰性固体表面的沉炭反应；2）烃类在无氧和有氧热解条件下气相成核和多分散炭黑的形成；3）在活性金属质点存在下气态烃类经催化分解而生成纤维状炭。

4、低碳烃的热解反应规律及其化学反应类型？

低碳烃的热解反应规律：

a链烷烃：CnH2n+2 —— CnH2n + H2；CnH2n+2 ——Cn-xH2n-2x+2 + CxH2x

b烯烃：在中温压力（<500 ℃,50atm）下，烯烃的热反应以聚合为主，高分子量烯烃也发生解聚反应。乙烯—→初期产物（甲烷、乙炔、丙烯、1-丁烯和丁二烯等）—→终产物（环烯烃和芳烃化合物）

c环烷烃：主要发生脱氢反应形成芳烃

e无取代芳烃：主要导致生成联芳基（联苯、联萘等）