第二讲_碳的基础知识及碳材料简介
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• 与周围环境密切相关 • DLC在真空中摩擦系数能达到0.001
30
碳单质的性质
碳的电性质 • 电性质与能带结构密切相关
能带理论认为：固体中的电子不再束缚于个 别的原子，而是在整个固体内运动，称为共 有化电子。
晶格具有周期性 晶体中的电子是在一个具有晶格周期性的等 效势场中运动
31
碳单质的性质
第二讲 碳的基础知识及 碳材料简介
7
• 碳的基础知识 • 碳材料的发展和应用 • 碳纳米材料简介
8
碳的基础知识
碳元素的广泛性、多样性和特异性
“碳、氮循环”热核反应中的元素 地球上一切生物有机体的骨架元素
人类的日常生活 航空、航天以及高技术
最硬－最软 绝缘－半导体－良导体 绝热－良导热 全吸光－全透光
• A380-800复合材料的用量高达30-35吨，主要是碳纤维复 合材料，包括中翼盒、机头和驾驶舱等。
59
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维增强混凝土
60
Consumption of carbon fibers / ton/year
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
Industries Aircrafts Sporting goods
48
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
活性碳和多孔碳
净化水
冰箱除臭 空气过滤
49
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
a) 粒状活性碳
Mesopore
Micropore
Macropore
b) 纤维活性碳
Micropore
Surface of fiber
Center of fiber
50
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
21
碳的单质
22
碳的单质
纳米结构(nanotexture)
片层石墨 HOPG
碳纤维 碳纳米管
碳黑 富勒烯
23
碳的单质
24
碳的单质
相互转化
25
碳的单质
炭的相图
相图，也称相态图、 相平衡状态图，是 用来表示相平衡系 统的组成与一些参 数（如温度、压力） 之间关系的一种图。 它在物理化学、矿 物学和材料科学中 具有很重要的地位。
Intercalation compounds) • 柔性石墨(Flexible graphite)
• 天然石墨（Natural graphite） • 核石墨（Nuclear graphite）
• 石墨电极，炭刷
• 多孔炭(Porous carbons)
• 炭棒，铅笔
• 储能用炭材料
• 玻璃炭（Glass-like carbons）
轨道重叠成键的方式:
Sigma “头碰头” Pi “肩并肩”
15
碳的电子结构
• 金刚石中所有的键均为 Sigma键
• 石墨中除了Sigma键 之外，还有一个离域 大Pi
• 共有电子 导电性
16
碳的电子结构
碳原子的杂化轨道及其键合状况
17
碳的单质
sp3家族（金刚石家族）
金刚石 立方金刚石 六方金刚石
• 金刚石表面以及石墨C轴方向作为表面时，它们的悬挂键有强 烈的极性，因此存在大的物理吸附能力。
• 引入不同的官能团，可能改善对不同物质的吸附能力。
催化性能
• 非常大的比表面积，优良的耐热性 • 直接用为催化剂或作为催化剂载体。
41
碳单质的性质
炭的核物理性能（核石墨） • 石墨是除重水外最好的慢化材料。 核裂变：中子的速度为2×107米/秒，
波动方程
解为布洛赫函数
方程解的结果为电子只能存在于不同的能带区域，从内到 外分别称为第一、第二、第三布里渊区。 可以笼统地将能带分为价带和导带，之间为禁带。 禁带宽度不大于0eV时，为导体；大于0时，为半导体或绝缘体。
32
碳单质的性质
• 金刚石禁带宽度达 5.47eV，具有极强的绝缘能力 • 掺杂 半导体 • 石墨能隙，最窄为40meV，导体 • 各向异性
类金刚石
立方金刚石 类金刚石
18
碳的单质
sp2家族（石墨家族）
石墨
六方晶系石墨 菱形石墨
大量介于晶体和无 定型组织结构之间 的石墨
碳纳米管 单壁 、 多壁
石墨烯
19
碳的单质
sp 家族 (线形碳，卡宾)
聚炔（ Polyyne-type） 累积双键（Cumulene-type）
20
碳的单质
碳的同素异形体
4
2
0
1950 1950 1960 1960 1960 1970 1970 1980 1980 1990
Carbon Alloy
Carbon Nanotube
Fullerenes
Diamond film
Mesocarbon Microbeads Glassy carbon
Activated carbon fiber Carbon fiber
• 载流子运动也会产生顺磁性
• 金刚石和石墨都是饱和电子结构，结晶完美时都是抗磁的 • 石墨中杂质和缺陷，导体->顺磁 • 金刚石不易掺杂，绝缘->抗磁
38
碳单质的性质
碳的光学性质
• 金刚石 高的折射率（可见 光区域n=2.42），低的吸收 系数，在红外和紫外光的大 部分都具有极好的透过性能
• 类金刚石膜 黄色 低的折射 系数
36
碳单质的性质
• 金刚石的热容量比 较小，热导率很高
• 石墨晶体 各向异性
37
碳单质的性质
碳的磁学性质
只有当固体内包含有具 有固有磁矩的电子结构 时才会引起顺磁化。具 有饱和电子结构的固 体，没有固有磁矩，是 抗磁性的
• 杂质和缺陷一般具有未配对的 电子，它们的自旋会贡献一定 的顺磁性。因而，容易表现为 顺磁性。
• 拉曼光谱
39
碳单质的性质
碳的表面特征 润湿性
表面原子之间的 结合力越强，表 面张力越大
• 金刚石和石墨层表面具有极大的表面张力，多数液体的表 面张力比较小，相似相润，因而对多数液体的润湿性较差
• 石墨的C轴方向的表面张力则非常小，石墨C轴方向一般 具有良好的润湿性。
40
碳单质的性质
吸附性能
物理吸附 在高温低压下脱附，可逆 化学吸附 发生化学作用，不可逆
碳材料的结构多样性 碳材料的功能多样性
9
碳的基础知识
传统碳材料
新型碳材料
(Classic Carbons)
(New Carbons)
• 木炭，竹炭(Charcoals) • 活性炭(Activated carbons) • 炭黑(Carbon blacks) • 焦炭(Coke)
• 金刚石(Diamond) • 炭纤维(carbon fibers) • 石墨层间化合物(Graphite
55
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
56
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维增强塑料 (CFRP)
57
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
CFRP
a) Airbus380
b) Boeing787
58
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
• 波音787上使用的碳纤维含量8-9吨，占总量的9%: ⑴ 垂直安定面翼盒；⑵ 平尾翼盒；⑶ 方向舵；⑷ 升降 舵；⑸ 前后缘壁板；⑹ 地板梁70根；70⑺ 外侧副翼； ⑻ 外侧襟翼；⑼ 襟翼；⑽ 襟副翼；⑾ 整流包皮；⑿ 内 外侧扰流板；⒀ 后缘壁板；⒁ 发动机短舱；⒂ 发动机支 架整流罩；⒃ 前起落架舱门；⒄ 机身下主起落架舱门； ⒅ 固定前缘；
纳米碳材料 (Nano carbons)
富勒烯(Fullerenes) 碳纳米管(Carbon nanotubes) 纳米金刚石(Nanodiamond) 石墨烯(Graphene)
10
碳的电子结构
碳元素的特点
原子系数为6
第二周期的 IV族
2S2和2P2 轨道电子杂化
spn杂化 ｎ=1、2、3
固体中格波的非谐作用，使得原子在振动时引起一定的相互斥 力，从而引起热膨胀现象
35
碳单质的性质
• 热导率
单位时间内通过单位截面传输的热能与温度梯度的比
固体中的热导率主要由声子的平均自由程决定 声子的平均自由程取决于两个因素：声子之间的相互碰撞，固体 中缺陷对声子的散射 低温下的固体具有高的热导率，因为参与热传导过程的声子数急 剧减少，自由程增大
• 石墨对也慢是化良好材的料反的射基材本料要求
中子散射截面大 • 核–– 石核耐纯辐墨吸 质照与损收量常伤截数规。面低工小程用石墨的主要区别
单位体积内的原子密度高
42
• 碳的基础知识 • 碳材料的发展和应用 • 碳纳米材料简介
43
碳材料的发展历史
史前时期: 木炭
阶段 年份
碳材料的发展
Pyrocarbon
Artifical graphite
Carbon black
不同年代开发出的炭材料品种
45
a) 天然钻石
b) 天然石墨
c) 玻璃碳
100 μm
d) 炭墨
300 nm
46
e) 富勒烯
a) C60
b) C70
f) 碳纳米管
47
碳材料应用简介
• 活性碳和多孔碳 • 碳纤维及碳纤维增强材料 • 石墨，膨胀石墨和柔性石墨 • 石墨层间化合物 • 人造石墨和高密度各向同性石墨 • 金刚石和类金刚石 • 玻璃碳
Time / sec
Time / sec
51
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
双电层电容器的应用
汽车启动辅助
复印机 存储器的备用电源
风力发电机蓄能器
52
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
汽车中的碳
53
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维及碳纤维增强材料
54
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维的性能：高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、耐 高温、抗烧蚀、耐腐蚀、高电导和热导、低热膨胀、自 润滑和生物相容性好。 碳纤维的结构：是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的 物质，是由sp2碳组成的六角形网面层状堆积物，各平 行层堆积不规则，缺乏三维有序排列，呈乱层结构。
I ~ 1960 人造石墨 活性炭
传统碳材料大规模制造
以千克或以吨计
炭黑
II 1960
碳纤维
~ 1985 玻璃碳
产生很多新的应用
新型碳材料大部分是以克计量
热解碳
高密度各向同性石墨
碳复合材料
III 1985 ~
富勒烯 碳纳米管
纳米碳材料尺度达到纳米量级
以毫克计
44
碳材料的发展历史
12
10
8 品 种 个6 数
Year 61
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
石墨片，柔性石墨和膨胀石墨
薄膜开关
62
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
制备工艺
天然鳞片 插层
水洗
石墨
H2SO4 H2SO4-GIC
烘干
可膨胀石墨
高温
压轧
膨胀石墨
快速
柔性石墨
63
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
膨胀石墨
(b)
26
碳单质的性质
碳单质的化学性质
• 燃烧 • 化学稳定性（抗氧化性） • 固相反应还原剂 • 石墨层间的插入(GICs) • 耐热 • 耐腐蚀
27
碳单质的性质
碳的机械性质 • 金刚石是自然界最硬的固体 • 纳米金刚石及类金刚石薄膜的硬度
类金刚薄膜的力学性能与薄膜的密度，薄膜中的sp3键含量密切 相关。随着sp3含量增加，硬度迅速上升
28
碳单质的性质
• 石墨：最软的材料之一
各向异性，a轴和c轴力学 性能差异大。
石墨a轴方向为共价键，c轴方向 为结合力非常弱的分子力，因而 石墨的力学性能在a轴和c轴方向 有明显的区别
大多数碳材料以石墨微晶 为主组成，因而在宏观上 表现为各向同性
29
碳单质的性质
• 金刚石及类金刚石具有优良的耐摩擦磨损性能
柔性石墨
64
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
发动机中使用的石墨片 耐热，稳定，密封
65
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
重油吸附
比表面积10-102m2/g，气相吸附能力不如活性炭，液 相吸附很强，非极性表面，亲油疏水，对油品超大 吸附/吸着能力
33
碳单质的性质
碳的热学性质 • 固体热容
热容量为单位大小的物体上升单位温度时所需的热量
按照量子力学的观点，固体中的热容与固体中的晶格振动频率 密切相关，它们之间的关系满足德拜函数 德拜温度越高，表明固体中的弹性波速越大，在同样温度下， 热容越低
34
碳单质的性质
• 热膨胀系数
温度变化引起的体积变化率，满足格临爱森定律
单键 双键 三键
基态：1s22s22px2py
外层4个电子 半充满 ->稳定状态
11
碳的电子结构
碳的电子轨道
12
碳的电子结构
SP3轨道杂化
3个P轨道和1个S轨道 金刚石正四面体空间杂化方式
13
碳的电子结构
SP2轨道杂化
2个P轨道和1个S轨道
石墨 平面空间杂化方式
14
碳的电子结构
Sigma键与Pi键
双电层电容器
a) 充电
b)放电
多孔电极 孔
电解液
双电层
a) Charge
Байду номын сангаас
多po孔ro电us 极carbon
+
电解液 -
-
- e-
- -- - + - +
孔
+ -popProere -
+
+-
+
+-
+
+
+ e-
-
+
b) Discharge b) キャパシタの充電
-
+ e-
Cell voltage / V Cell voltage / V
30
碳单质的性质
碳的电性质 • 电性质与能带结构密切相关
能带理论认为：固体中的电子不再束缚于个 别的原子，而是在整个固体内运动，称为共 有化电子。
晶格具有周期性 晶体中的电子是在一个具有晶格周期性的等 效势场中运动
31
碳单质的性质
第二讲 碳的基础知识及 碳材料简介
7
• 碳的基础知识 • 碳材料的发展和应用 • 碳纳米材料简介
8
碳的基础知识
碳元素的广泛性、多样性和特异性
“碳、氮循环”热核反应中的元素 地球上一切生物有机体的骨架元素
人类的日常生活 航空、航天以及高技术
最硬－最软 绝缘－半导体－良导体 绝热－良导热 全吸光－全透光
• A380-800复合材料的用量高达30-35吨，主要是碳纤维复 合材料，包括中翼盒、机头和驾驶舱等。
59
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维增强混凝土
60
Consumption of carbon fibers / ton/year
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
Industries Aircrafts Sporting goods
48
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
活性碳和多孔碳
净化水
冰箱除臭 空气过滤
49
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
a) 粒状活性碳
Mesopore
Micropore
Macropore
b) 纤维活性碳
Micropore
Surface of fiber
Center of fiber
50
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
21
碳的单质
22
碳的单质
纳米结构(nanotexture)
片层石墨 HOPG
碳纤维 碳纳米管
碳黑 富勒烯
23
碳的单质
24
碳的单质
相互转化
25
碳的单质
炭的相图
相图，也称相态图、 相平衡状态图，是 用来表示相平衡系 统的组成与一些参 数（如温度、压力） 之间关系的一种图。 它在物理化学、矿 物学和材料科学中 具有很重要的地位。
Intercalation compounds) • 柔性石墨(Flexible graphite)
• 天然石墨（Natural graphite） • 核石墨（Nuclear graphite）
• 石墨电极，炭刷
• 多孔炭(Porous carbons)
• 炭棒，铅笔
• 储能用炭材料
• 玻璃炭（Glass-like carbons）
轨道重叠成键的方式:
Sigma “头碰头” Pi “肩并肩”
15
碳的电子结构
• 金刚石中所有的键均为 Sigma键
• 石墨中除了Sigma键 之外，还有一个离域 大Pi
• 共有电子 导电性
16
碳的电子结构
碳原子的杂化轨道及其键合状况
17
碳的单质
sp3家族（金刚石家族）
金刚石 立方金刚石 六方金刚石
• 金刚石表面以及石墨C轴方向作为表面时，它们的悬挂键有强 烈的极性，因此存在大的物理吸附能力。
• 引入不同的官能团，可能改善对不同物质的吸附能力。
催化性能
• 非常大的比表面积，优良的耐热性 • 直接用为催化剂或作为催化剂载体。
41
碳单质的性质
炭的核物理性能（核石墨） • 石墨是除重水外最好的慢化材料。 核裂变：中子的速度为2×107米/秒，
波动方程
解为布洛赫函数
方程解的结果为电子只能存在于不同的能带区域，从内到 外分别称为第一、第二、第三布里渊区。 可以笼统地将能带分为价带和导带，之间为禁带。 禁带宽度不大于0eV时，为导体；大于0时，为半导体或绝缘体。
32
碳单质的性质
• 金刚石禁带宽度达 5.47eV，具有极强的绝缘能力 • 掺杂 半导体 • 石墨能隙，最窄为40meV，导体 • 各向异性
类金刚石
立方金刚石 类金刚石
18
碳的单质
sp2家族（石墨家族）
石墨
六方晶系石墨 菱形石墨
大量介于晶体和无 定型组织结构之间 的石墨
碳纳米管 单壁 、 多壁
石墨烯
19
碳的单质
sp 家族 (线形碳，卡宾)
聚炔（ Polyyne-type） 累积双键（Cumulene-type）
20
碳的单质
碳的同素异形体
4
2
0
1950 1950 1960 1960 1960 1970 1970 1980 1980 1990
Carbon Alloy
Carbon Nanotube
Fullerenes
Diamond film
Mesocarbon Microbeads Glassy carbon
Activated carbon fiber Carbon fiber
• 载流子运动也会产生顺磁性
• 金刚石和石墨都是饱和电子结构，结晶完美时都是抗磁的 • 石墨中杂质和缺陷，导体->顺磁 • 金刚石不易掺杂，绝缘->抗磁
38
碳单质的性质
碳的光学性质
• 金刚石 高的折射率（可见 光区域n=2.42），低的吸收 系数，在红外和紫外光的大 部分都具有极好的透过性能
• 类金刚石膜 黄色 低的折射 系数
36
碳单质的性质
• 金刚石的热容量比 较小，热导率很高
• 石墨晶体 各向异性
37
碳单质的性质
碳的磁学性质
只有当固体内包含有具 有固有磁矩的电子结构 时才会引起顺磁化。具 有饱和电子结构的固 体，没有固有磁矩，是 抗磁性的
• 杂质和缺陷一般具有未配对的 电子，它们的自旋会贡献一定 的顺磁性。因而，容易表现为 顺磁性。
• 拉曼光谱
39
碳单质的性质
碳的表面特征 润湿性
表面原子之间的 结合力越强，表 面张力越大
• 金刚石和石墨层表面具有极大的表面张力，多数液体的表 面张力比较小，相似相润，因而对多数液体的润湿性较差
• 石墨的C轴方向的表面张力则非常小，石墨C轴方向一般 具有良好的润湿性。
40
碳单质的性质
吸附性能
物理吸附 在高温低压下脱附，可逆 化学吸附 发生化学作用，不可逆
碳材料的结构多样性 碳材料的功能多样性
9
碳的基础知识
传统碳材料
新型碳材料
(Classic Carbons)
(New Carbons)
• 木炭，竹炭(Charcoals) • 活性炭(Activated carbons) • 炭黑(Carbon blacks) • 焦炭(Coke)
• 金刚石(Diamond) • 炭纤维(carbon fibers) • 石墨层间化合物(Graphite
55
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
56
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维增强塑料 (CFRP)
57
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
CFRP
a) Airbus380
b) Boeing787
58
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
• 波音787上使用的碳纤维含量8-9吨，占总量的9%: ⑴ 垂直安定面翼盒；⑵ 平尾翼盒；⑶ 方向舵；⑷ 升降 舵；⑸ 前后缘壁板；⑹ 地板梁70根；70⑺ 外侧副翼； ⑻ 外侧襟翼；⑼ 襟翼；⑽ 襟副翼；⑾ 整流包皮；⑿ 内 外侧扰流板；⒀ 后缘壁板；⒁ 发动机短舱；⒂ 发动机支 架整流罩；⒃ 前起落架舱门；⒄ 机身下主起落架舱门； ⒅ 固定前缘；
纳米碳材料 (Nano carbons)
富勒烯(Fullerenes) 碳纳米管(Carbon nanotubes) 纳米金刚石(Nanodiamond) 石墨烯(Graphene)
10
碳的电子结构
碳元素的特点
原子系数为6
第二周期的 IV族
2S2和2P2 轨道电子杂化
spn杂化 ｎ=1、2、3
固体中格波的非谐作用，使得原子在振动时引起一定的相互斥 力，从而引起热膨胀现象
35
碳单质的性质
• 热导率
单位时间内通过单位截面传输的热能与温度梯度的比
固体中的热导率主要由声子的平均自由程决定 声子的平均自由程取决于两个因素：声子之间的相互碰撞，固体 中缺陷对声子的散射 低温下的固体具有高的热导率，因为参与热传导过程的声子数急 剧减少，自由程增大
• 石墨对也慢是化良好材的料反的射基材本料要求
中子散射截面大 • 核–– 石核耐纯辐墨吸 质照与损收量常伤截数规。面低工小程用石墨的主要区别
单位体积内的原子密度高
42
• 碳的基础知识 • 碳材料的发展和应用 • 碳纳米材料简介
43
碳材料的发展历史
史前时期: 木炭
阶段 年份
碳材料的发展
Pyrocarbon
Artifical graphite
Carbon black
不同年代开发出的炭材料品种
45
a) 天然钻石
b) 天然石墨
c) 玻璃碳
100 μm
d) 炭墨
300 nm
46
e) 富勒烯
a) C60
b) C70
f) 碳纳米管
47
碳材料应用简介
• 活性碳和多孔碳 • 碳纤维及碳纤维增强材料 • 石墨，膨胀石墨和柔性石墨 • 石墨层间化合物 • 人造石墨和高密度各向同性石墨 • 金刚石和类金刚石 • 玻璃碳
Time / sec
Time / sec
51
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
双电层电容器的应用
汽车启动辅助
复印机 存储器的备用电源
风力发电机蓄能器
52
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
汽车中的碳
53
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维及碳纤维增强材料
54
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维的性能：高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、耐 高温、抗烧蚀、耐腐蚀、高电导和热导、低热膨胀、自 润滑和生物相容性好。 碳纤维的结构：是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的 物质，是由sp2碳组成的六角形网面层状堆积物，各平 行层堆积不规则，缺乏三维有序排列，呈乱层结构。
I ~ 1960 人造石墨 活性炭
传统碳材料大规模制造
以千克或以吨计
炭黑
II 1960
碳纤维
~ 1985 玻璃碳
产生很多新的应用
新型碳材料大部分是以克计量
热解碳
高密度各向同性石墨
碳复合材料
III 1985 ~
富勒烯 碳纳米管
纳米碳材料尺度达到纳米量级
以毫克计
44
碳材料的发展历史
12
10
8 品 种 个6 数
Year 61
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
石墨片，柔性石墨和膨胀石墨
薄膜开关
62
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
制备工艺
天然鳞片 插层
水洗
石墨
H2SO4 H2SO4-GIC
烘干
可膨胀石墨
高温
压轧
膨胀石墨
快速
柔性石墨
63
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
膨胀石墨
(b)
26
碳单质的性质
碳单质的化学性质
• 燃烧 • 化学稳定性（抗氧化性） • 固相反应还原剂 • 石墨层间的插入(GICs) • 耐热 • 耐腐蚀
27
碳单质的性质
碳的机械性质 • 金刚石是自然界最硬的固体 • 纳米金刚石及类金刚石薄膜的硬度
类金刚薄膜的力学性能与薄膜的密度，薄膜中的sp3键含量密切 相关。随着sp3含量增加，硬度迅速上升
28
碳单质的性质
• 石墨：最软的材料之一
各向异性，a轴和c轴力学 性能差异大。
石墨a轴方向为共价键，c轴方向 为结合力非常弱的分子力，因而 石墨的力学性能在a轴和c轴方向 有明显的区别
大多数碳材料以石墨微晶 为主组成，因而在宏观上 表现为各向同性
29
碳单质的性质
• 金刚石及类金刚石具有优良的耐摩擦磨损性能
柔性石墨
64
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
发动机中使用的石墨片 耐热，稳定，密封
65
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
重油吸附
比表面积10-102m2/g，气相吸附能力不如活性炭，液 相吸附很强，非极性表面，亲油疏水，对油品超大 吸附/吸着能力
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碳单质的性质
碳的热学性质 • 固体热容
热容量为单位大小的物体上升单位温度时所需的热量
按照量子力学的观点，固体中的热容与固体中的晶格振动频率 密切相关，它们之间的关系满足德拜函数 德拜温度越高，表明固体中的弹性波速越大，在同样温度下， 热容越低
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碳单质的性质
• 热膨胀系数
温度变化引起的体积变化率，满足格临爱森定律
单键 双键 三键
基态：1s22s22px2py
外层4个电子 半充满 ->稳定状态
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碳的电子结构
碳的电子轨道
12
碳的电子结构
SP3轨道杂化
3个P轨道和1个S轨道 金刚石正四面体空间杂化方式
13
碳的电子结构
SP2轨道杂化
2个P轨道和1个S轨道
石墨 平面空间杂化方式
14
碳的电子结构
Sigma键与Pi键
双电层电容器
a) 充电
b)放电
多孔电极 孔
电解液
双电层
a) Charge
Байду номын сангаас
多po孔ro电us 极carbon
+
电解液 -
-
- e-
- -- - + - +
孔
+ -popProere -
+
+-
+
+-
+
+
+ e-
-
+
b) Discharge b) キャパシタの充電
-
+ e-
Cell voltage / V Cell voltage / V