炭材料知识 3

碳材料知识
前言：
碳，一种神奇的元素，它是地球上一切有机体生物的骨架元素，在人体元素成分中含量为18%，占人体比重的16.3%，位置第二大元素。

氧占人体元素成分的65%，鲜重第一，若按干重计算，则碳元素占54%，排第一，是构成人体最重要的元素，所以说碳是生命之源。

同样炭也是世界上唯一将对立与统一集于一体的材料，它既是最硬又是最软的材料，既是绝缘体又是导电体，既是隔热材料又是导热材料，既是全吸光材料又是全透光材料，它千变万化，独树一帜。

神秘莫测的炭，成为科学家永不放弃研究的课题。

碳材料结构
碳材料原子都是C，但因工艺改变使原子排序发生变化，形成万别千差的分子结构，因此它既是零维结构材料又是多维结构材料，既是晶体结构又是非晶体结构。

炭的神奇之处主要体现在可以借助不同的杂化方式（sp、sp2、sp3），形成不同的物理和化学性质的晶体结构，即“同素异形体”。

比如石墨、金刚石都属于晶体结构，但石墨原子结构为六方排列，金刚石却为立方结构，因化学成键方式不同具有截然相反的特性。

C60是富勒烯的代表，属于零维结构炭材料，有很好的稳定性，抗辐射和化学腐蚀，耐压程度比金刚石还高。

碳纳米管属于一维材料，石墨烯属于二维材料，石墨和金刚石属于三维材料。

炭材料结构既具有金属材料的机械性能、导电性、传热性、高强度，又具有无机和有机材料的轻、柔、吸、滑、耐腐蚀、防辐射、解毒、食用等神奇功效。

一、碳材料的发展史
人类起源－－－－－－－－－－木炭为热能的来源
人类文明时代－－－－－－－－用炭作墨汁、染料、防腐、防病
铜器时代－－－－－－－－－－用炭还原铜
十八世纪初－－－－－－－－－用焦炭炼钢
1895年－－－－－－－－－－－用炭做电极、电刷
1945年－－－－－－－－－－－活性炭用于环保
1985年－－－－－－－－－－－生产等静压石墨
1986年－－－－－－－－－－－生产热解石墨、热解炭
1988年－－－－－－－－－－－研究炭纤维、柔性石墨
1990年－－－－－－－－－－－发现C60富勒烯
1991年－－－－－－－－－－－发现碳纳米管
2004年－－－－－－－－－－－发现石墨烯
二、碳材料的种类
3.1传统碳材料有：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、石墨电刷、炭棒、铅笔等。

3.2新型炭材料料：等静压石墨、金钢石、炭纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、核石墨、多孔炭、玻璃炭、储能用炭材料等。

3.3纳米炭材料有：富勒烯、炭纳米管、纳米金刚石、碳气凝胶、石墨烯。

三、碳材料的应用
4.1机械领域：轴承、密封元件、制动元件等；
4.2电子工业：半导体、光纤、电极、电波屏蔽、电子元件等；
4.3电器工业：电刷、电触点、集电体、真空发热体等；
4.4航空航天：结构材料、耐腐蚀部件、耐高温部件、绝热部件等；4.5冶炼领域：耐火材料、电极、发热体、坩埚、模具等；
4.6化学工业：化工设备、防腐蚀部件、过滤器、密封件等；
4.7核工业：反射材料、屏蔽材料、减速材料等；
4.8电池工业：干电池正极、锂电极负极材料、太阳能电池热场材料等；
4.9模具行业：电火花加工用电极、金属连铸模具、金刚石烧结模具等；
4.10生活领域：活性炭、自行车、汽车、钓鱼杆、球拍、球杆等。

五、几种典型炭材料的应用介绍
5.1石墨的应用
等静压石墨主要由石油焦、沥青焦、石墨粉、沥青等原料经粉碎、筛分、混捏、扎片、磨粉、成型、焙烧、浸渍、石墨化等工序生产而成，从原料到成品需要8个月时间，经3000度高温的石墨化和纯化工序后，杂质全部气化，含炭量达到99.99%。

等静压石墨具有良好的各向同性、良好的导电性能和机械加工性能、结构紧密、高强度、高熔点、高稳定性、耐腐蚀、防辐射等特性。

目前国内大规格、高品质等静压石墨还依赖进口，国家“十二五”规划也将等静压石墨列为重点攻关的新材料之一。

由于等静压石墨的优良物理及化学性能，已广泛应用于国防、核电、航空航天、电子、冶炼、医药、化工、光伏、模具、环保等高科技领域。

5.2炭纤维的应用
炭纤维的原子结构是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质，是由SP2组成六角形网面层状堆积物，缺乏三维有序排列，呈乱层结构。

炭纤维具有高拉伸强度（比钢铁强10倍）、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、自润滑和生物相溶
性好的特点。

比如波音787飞机用了8吨左右的炭纤维作为增强材料，降低了飞机重量，同时提高了飞机机壳等部件的强度和使用寿命。

5.3炭纳米材料的应用
炭纳米材料包括零维结构富勒烯、一维结构的炭纳米管、二维结构的金刚石薄膜等。

纳米材料主要是指结构处于纳米尺寸（0.1nm~100nm）范围内固体超细炭材料。

炭纳米材料具有高比表面积、高弥散性、高强度、高硬度、高塑性、高韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性等性能。

这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于力学、磁学、电学、热学、光学、生命科学及国防军工等高科技领域。

5.4石墨烯的应用
2004年英国科学家盖姆和诺沃肖罗夫在实验室发现了石墨烯，因此获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种二维纳米材料，仅由一个原子层厚的单层石墨片构成，是石墨的基本结构单元。

石墨烯是一种超轻材料，密度只有0.77mg/m2，具有优异的光学性能，透光率达到97.7%，电子运动速度是光速的1/300，是硅的140倍，是目前最快的导电材料。

石墨烯同时还具备优异的电学、力学与热学等性能，是强度和硬度最高的晶体结构，约为普通钢材强度的100倍，热传导率是铜的10倍，比碳纳米管还高出近一倍。

石墨烯具有优良的特性，应用范围广阔，比如：超级计算机、航空航天、基因测序、化学电池、超级电容器、光电传感器、晶体管、触摸屏、隧穿势垒材料、医用材料等领域。

根据石墨烯超薄，强度超大的特性，相信在不久的未来，可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞
机和超坚韧的防弹衣，甚至是让科学家梦寐以求的2.3万英里长的太空电梯成为现实。

结束语
炭是生命之源，从人类的起源开始，人们便知道利用炭的神奇，来防毒、防霉、防腐、防湿、治病等功效。

20世纪80年代是炭材料研究最有成效的年代，等静压石墨、炭纤维、柔性石墨等一些高性能炭材料纷纷面世，彻底改变了金属材料独霸一方的局面。

21世纪初石墨烯的出现，炭材料被看作是科技之光，是电子信息技术的“救世主”，是续写“摩尔定律”的万能材料，更是被科学家们被称作为“雄霸21世纪的新材料”。

相信在科学家孜孜不倦的研究下，炭的神奇将不断被创新，对人类生活将产生更深远的影响。