炭素材料的电学和磁学性能
炭素材料-chapter7.
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力学性质
蠕变特性
弹性体的应力—应变关系在弹性极限范围内呈线性关
系，而且对交变应力是可逆的。
炭材料与弹性体不同，若外力作用时间很长，即使应力 值在弹性极限范围以内，也会发生塑性变形并产生残余变
形，即蠕变。炭(石墨)材料的蠕变具有下列特点：
– 蠕变的各向异性与时间效应。 – 蠕变的温度效应与应力效应。
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炭材料的电磁性质
炭材料的电磁性质
导电性与电阻率
各向异性 与石墨化度的关系 与温度的关系 2制约因素
磁性
都属于抗磁质，磁化率为负
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炭材料的化学性质
炭材料的化学性质
碳是化学稳定性极好的物质，在常温和普通环境下使 用，几乎呈化学惰性。但是在某些特定条件下，也会和其它 物质发生反应，主要反应有：
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力学性质
摩擦特性 石墨材料在受到摩擦力作用时表现出两个特性： 1)石墨晶体容易沿晶体层面剥离； 2)石墨对各种材料表面的附着性良好。 因此，石墨材料应用在摩擦面上时会形成一层极薄的石墨 晶体膜，它既耐磨又具有自润滑性，摩擦系数小。 另一方面，石墨的导热性好，摩擦面上产生的热能能迅速传 出，加以石墨的强度随温度上升而提高，所以滑动速度对摩 损率和摩擦系数的影响很小。
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炭素材料的性质
气体渗透率
多数炭材料都有实际可测出的气孔，当材料的两侧面存在 一定的压差时气体可以透过炭材科。气体渗透率大小，不仅 直接关系炭材料的气密性，而且还对化学稳定性等产生明显 影响。
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力学性质
力学性质
炭材料在电化学传感器中的应用研究
炭材料在电化学传感器中的应用研究随着电子科技的不断发展，传感技术也在不断创新。
电化学传感器作为一种重要的传感器，被广泛应用于各个领域中，如环保、医疗、军事、化工等。
而炭材料作为一种特殊的材料，也被广泛应用于电化学传感器中。
本文将对炭材料在电化学传感器中有关的应用进行分析和研究。
一、炭材料的概述炭是一种纯碳的材料，具有很高的热稳定性和化学稳定性，具有很多特殊的性质。
随着科学技术的不断发展，人们对炭材料的应用也不断拓展，如电池材料、超级电容器材料、催化剂载体材料、吸附剂材料等。
其中，炭材料在电化学传感器中的应用得到了认可和广泛使用。
二、炭材料在电化学传感器中的应用1. 碳纳米管材料的应用碳纳米管是由碳原子组成的纳米管状结构。
它具有独特的电学、化学、力学、光学性能，常用于电子器件中。
在电化学传感器中，碳纳米管被用作传感器电极材料，以检测各种气体和液体的成分。
此外，碳纳米管还可用于制备基于电化学生物传感器的修饰材料，以提高其灵敏度和选择性。
2. 碳纤维材料的应用碳纤维是一种由碳纤维组成的高强度、高刚度、轻质、耐腐蚀的材料。
在电化学传感器中，碳纤维被用来制备电极材料，以检测各种有机化合物、重金属和污染物等。
此外，碳纤维还可用于制备化学传感器中的修饰材料，以提高其检测灵敏度和响应速度。
3. 石墨烯材料的应用石墨烯是一种单层厚度的碳材料，具有高度的电导性、热导性和机械强度。
在电化学传感器中，石墨烯被用作电极材料，以检测各种气体和化合物的成分。
此外，石墨烯仍然有广泛的应用前景，如制备基于石墨烯的传感器、能量存储材料等。
三、炭材料在电化学传感器中的研究进展在炭材料的应用研究中，学者们充分考虑了炭材料的结构特性和物理特性，不断探索其在电化学传感器中的应用潜力。
1. 碳材料的修饰分析学者们通过不同的方法来修饰碳材料的表面结构和性质，以提高其传感器的灵敏度和选择性。
精心的修饰使得电极表面产生导体、阻滞及电催化作用，从而实现对有害物质的检测。
炭素工艺学——第一章炭和石墨材料
石墨的自润滑性有赖于水和空气的存在。在水和空气存在的情况下，石 墨工作面上吸附水和气体分子，增大了层间距，减弱层间作用力；另外水和 气体分子占据了石墨边缘自由键的位置，这两个因素都使石墨两摩擦面不易 附着。作为润滑材料的石墨制品，工作环境中水分临界值为5 g/m3，低于此 值，石墨磨损率增大。 空气介质中，由于石墨氧化，在温度到达300~400℃时摩擦系数增高；而 在中性或还原性介质中，即使温度达到300~1000℃也还保持良好的耐磨性。
比表面积 1g材料所具有的总表面积称为比表面积。比表面积在某种 程度上反映了材料可与外界接触的面积，一般采用气体吸附法测定（氮 气吸脱附）。 形状因子 气孔的形状是描述气孔结构的重要特征参数。形状因 子为气孔长度与其宽度的比值。气孔的长度可取气孔的最大Feret直 径，而宽度则取气孔的最小Feret直径。
由于只有贯通气孔才能通过气体，故气体渗透率与材料的气孔率没有直接关系。
1.1.3 炭素材料的机械力学性质
抗压强度（石墨电极抗压强度测定方法参见GB 1431—85）
炭素材料 的机械强度
抗折强度（石墨电极抗折强度测定方法参见GB 3074.1—82） 抗拉强度（炭素材料抗拉强度测定方法参见YB 909—78）
一般炭素材料的气体渗透率更苦达尔塞定律，按下式计算：
QL K P A
K——气体渗透率，cm2/s； Q——压力-体积流速，MPa•cm3/s； L——试样厚度，cm； A——试样截面积，cm2； △P——在试样厚度两侧的压力差，MPa。
一般炭素材料的气体渗透率为0.1~10 cm2/s，浸渍处理后的不透性石墨 约为10-8 cm2/s；玻璃炭和热解炭则可达10-12 cm2/s，与玻璃的透气率相同。
1.1.2 炭素材料的结构性质
炭素材料的气孔结构的物理意义
炭素材料的气孔结构的物理意义炭素材料是一种广泛应用于工业和制造业的重要材料，其独特的物理性质和化学性质使其在许多领域具有不可替代的作用。
其中，气孔结构是炭素材料的重要特征之一，对其物理性能和化学性能产生深远的影响。
本文将详细介绍炭素材料的气孔结构的物理意义，主要包括孔隙率、孔径分布、表面形貌、气体吸附性能和电学性能等方面。
1.孔隙率孔隙率是炭素材料中气孔体积与材料总体积之比，是衡量材料致密程度的指标。
孔隙率的大小直接影响炭素材料的物理性能和化学性能。
一般来说，随着孔隙率的增加，材料的比表面积和吸附能力也会提高，同时材料的强度和致密性会降低。
因此，在实际应用中，需要根据炭素材料的具体用途和性能要求来选择合适的孔隙率。
2.孔径分布炭素材料中的气孔尺寸并非单一分布，而是存在不同尺寸的气孔。
孔径分布是指不同尺寸气孔在材料中的分布情况。
不同尺寸的气孔在材料性能上具有不同的作用。
例如，小孔径的气孔主要影响材料的强度和致密性，而大孔径的气孔主要影响材料的吸附能力和透气性。
因此，了解炭素材料的孔径分布对于预测其性能具有重要意义。
3.表面形貌炭素材料的表面形貌是指其表面微观结构的特点和外观形态。
表面形貌直接影响炭素材料的物理性能和化学性能。
例如，表面形貌粗糙的炭素材料具有较大的比表面积，有利于提高其吸附能力和透气性；表面平整光滑的炭素材料则具有较高的致密性和强度。
因此，对炭素材料的表面形貌进行优化控制可以进一步提高其性能。
4.气体吸附性能炭素材料具有优异的吸附性能，能够吸附多种气体分子。
其吸附性能主要取决于材料的气孔结构和比表面积。
炭素材料中气孔的形状、大小及分布都会影响其吸附能力。
具有丰富微孔结构和适当孔径分布的炭素材料具有较高的气体吸附能力，因此在气体分离、储存和净化等领域得到广泛应用。
5.电学性能炭素材料的电学性能主要包括导电性和电阻率等。
这些性能主要受到其微观结构和化学成分的影响。
由于炭素材料中存在大量的微孔隙和缺陷，其导电性和电阻率往往低于块状导体。
炭材料在电化学应用中的研究进展
炭材料在电化学应用中的研究进展炭材料是一种极其重要的材料，其具有多种功能，包括高导电性、高稳定性、优异的化学惰性和低比表面积等特点。
由于其电化学性质的优异性，炭材料在电化学应用方面具有广泛的用途，例如作为电极材料、催化剂和电解质等。
近年来，随着化学、物理和材料科学的发展，炭材料在电化学应用中的研究也取得了很大的进展。
本文将重点介绍炭材料在电化学应用中的研究进展，包括其在电池和超级电容器方面的应用。
一、炭材料在电池方面的应用1. 石墨烯材料电极石墨烯是一种具有单层结构的炭材料，其高导电性和高比表面积使得其成为电池材料的研究热点之一。
石墨烯材料电极在锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池等方面的应用均已得到了广泛的研究。
例如，石墨烯材料在锂离子电池中作为电极，其容量和循环寿命均得到了显著提高。
2. 碳纳米管材料电极碳纳米管材料是一类具有蜂窝结构的炭材料，其高比表面积和优异的电导率使之成为电池电极材料的研究热点之一。
碳纳米管材料在电极方面的应用主要涵盖锂离子电池、超级电容器和锂空气电池等方面。
例如，碳纳米管材料在超级电容器方面的应用具有高能量密度、高功率密度和快速充放电等特点。
3. 钛氧化物/炭复合材料电极钛氧化物/炭复合材料电极是一种新型的复合电极材料，其具有高比表面积、高电导率和优异的化学稳定性等优异性质。
钛氧化物/炭复合材料电极在锂离子电池和钠离子电池等方面的应用均已得到了广泛的研究。
例如，钛氧化物/炭复合材料电极在锂离子电池方面具有较高的容量和循环寿命。
二、炭材料在超级电容器方面的应用超级电容器是一种新型的电化学能量存储设备，其高功率密度和短充放电时间使之成为电源适应性较强的能量存储装置。
炭材料在超级电容器方面的应用主要涵盖活性炭、石墨烯和碳纳米管等材料。
1. 活性炭材料活性炭是最早被应用于超级电容器的炭材料之一，其具有优异的能量密度和高功率密度等优异性质。
活性炭材料在超级电容器方面的应用主要涵盖低温焚烧法活性炭和葡萄糖制备的活性炭等。
核工程中的炭素材料
核工程中的炭素材料
1 炭素材料
炭素材料是指以碳为基础的各种材料，它们一般有来源于煤炭、
石油或植物物质的结构性炭化物，包括金属纳米管、碳纳米管、全碳
纳米管、碳纤维、炭鳞片状碳和木基炭等，具有优良的物理化学性能。
它们应用于国防、航空航天、轻工材料和医药领域等众多领域，为社
会发展提供了重要的动力。
2 核工程中的炭素材料
炭素材料在核工程中发挥着重要的作用，由于其能够抵抗核辐射
的集结、吸收和存储，因此可以将其用于核反应器的冷却系统中，从
而将反应堆和燃料元件保持在低温状态。
此外，炭素材料也可以用于
太阳能发电装置、空气滤清器和生物细胞研究装置等，在核能发电、
核中子散射成像等应用中都发挥着重要的作用。
3 炭素材料的优势
炭素材料的结构特点具有以下特点：具有良好的热导性能，可用
于热管理；具有优异的电化学稳定性和机械强度，可以作为储能系统
的关键部件；具有较高的抗腐蚀性和磁隔离性能；其体积密度低，拥
有较高的热阻性能，可以有效降低热量损失；它还具有可控张力，可
以用于机械脉动和振动控制；可以实现细胞干接极，有利于高能物理
和医学成像研究；它还具有良好的双向可控膨胀性和快速反应时间，
可以实现连续的检测和检测，因此可以实现控制，因此可以实现实时反馈，避免系统中发生危险。
综上所述，炭素材料在核工程中发挥着重要的作用，具有多方面的优势，能够满足多个领域的用途，为社会提供重要的支持和服务。
碳材料复合材料球磨合成与电化学导电性能
碳材料复合材料球磨合成与电化学导电性能碳材料是一类具有特殊结构和性质的材料，具有优异的电化学性能。
碳材料的导电性能对于其在能源储存与转换等领域的应用至关重要。
近年来，球磨合成碳材料复合材料成为研究的热点之一，其中球磨合成方法尤为重要。
本文将对碳材料复合材料球磨合成方法和电化学导电性能进行探讨。
首先，碳材料复合材料球磨合成方法包括球磨法和气相热分解法。
球磨法是通过机械力的作用，将原料粉末在球磨罐中进行混合和研磨，从而实现碳材料与其他材料的混合。
球磨法具有操作简单、工艺成熟、成本低廉的优点。
气相热分解法则是将碳源以气体的形式进入热分解设备，在高温下分解生成碳材料，并与其他气体或固体反应得到复合材料。
气相热分解法具有可以控制材料成分和形貌的优势。
其次，碳材料复合材料球磨合成的过程中，影响电化学导电性能的因素较多。
首先，球磨时间是影响复合材料导电性能的重要因素。
适当的球磨时间可以提高复合材料的导电性能，但过长的球磨时间则可能导致材料结构的破坏，从而影响导电性能。
其次，球磨介质的选择也对电化学导电性能起到重要作用。
适当的球磨介质可以提供足够的机械力，有利于碳材料颗粒的破碎和分散。
最后，碳材料复合材料的成分也会对电化学导电性能产生影响。
合适的复合材料成分可以提高复合材料的导电性能和稳定性。
在电化学导电性能方面，碳材料复合材料球磨合成可通过调控材料的微观结构和化学组成来实现优异的导电性能。
首先，球磨合成可以实现碳材料的高度分散和均匀分布，增加了碳材料的导电通道，提高了导电性能。
其次，球磨合成可以控制碳材料的尺寸和形貌，进一步改善了导电性能。
特别是通过球磨合成复合材料，可以在球磨过程中引入其他纳米材料，如金属、半导体或者其他碳材料，改变碳材料的导电性能。
此外，球磨合成还可以调控碳材料的比表面积，提高电荷传输速率，使得碳材料复合材料具有更高的电化学反应活性。
碳材料复合材料球磨合成与电化学导电性能相关的应用领域非常广泛。
炭质功能材料
1.碳：●物理性质：碳（carbon）是一种非金属元素，化学符号：C 元素原子量：12.011 质子数：6 原子序数：6 周期：2 族：IVA电子构型：1s22s22p2电子在每能级的排布： 2，4熔点：约为3550 ℃（金刚石）沸点：约为4827 ℃（升华）颜色和外表：黑色（石墨），无色（金刚石）●同位素：自然产生的碳由三种同位素组成：12C和13C为稳定同位素（碳-12占地球上碳的98.93%，而碳-13则占剩余的1.07%，13C、14C常用作示踪剂，生物体中12C同位素的比率更高，因为生物化学反应会选择性地消除13C，而核磁共振所探测的是13C），而14C则具放射性，其半衰期约为5,730年，是少数几个自远古就被发现的元素之一，是构成碳基生物的最基本元素，可测量年龄在4万年以下的含碳物质（年代测定、生物遗体遗骸）。
碳有15种已知同位素，其中存活时间最短的是8C，它会进行质子发射和α衰变，半衰期为1.98739x10−21秒。
●成键：碳原子一般是四价的，这就需要4个单电子，但是其基态只有2个单电子，所以成键时总是要进行杂化。
最常见的杂化方式是sp3杂化，4个价电子被充分利用，平均分布在4个轨道里，属于等性杂化。
这种结构完全对称，成键以后是稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。
金刚石中所有碳原子都是这种以此种杂化方式成键。
烷烃的碳原子也属于此类。
●同素异形体：○1金刚石：是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质，可作为工艺品和工业中的切割工具；○2石墨：一种最软的矿物，可用于制造铅笔芯和润滑剂；○3石墨烯（单原子层石墨）是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，很可能会成为硅的替代品，也非常适合作为透明电子产品的原料；○4富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯）：富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。
碳素材料电极
碳素材料电极全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：碳素材料电极在电化学领域具有重要的应用价值，其优良的导电性、化学稳定性和表面活性使其成为许多电化学过程中不可缺少的材料。
碳素材料电极不仅可以用于传统的电池和电容器中，还能在电化学催化、传感器、光伏等领域发挥重要作用。
本文将从碳素材料电极的基本特性、制备方法、应用领域等方面进行详细介绍。
碳素材料电极是指由碳元素构成的电极材料，其主要包括石墨电极、碳纳米管电极、碳纳米球电极等。
这些碳素材料具有优良的导电性和化学稳定性，能够在不同的电化学环境下稳定工作。
碳素材料电极还具有较大的比表面积和丰富的表面功能团，可以提高电极与电解质之间的接触面积和反应速率，进而提高电极的电化学性能。
在碳素材料电极的制备过程中，常用的方法包括物理方法和化学方法。
物理方法主要包括研磨法、焙烧法、化学气相沉积法等，这些方法能够制备出具有较高结晶度和导电性的碳素材料电极。
化学方法主要包括化学氧化还原法、溶胶凝胶法等，这些方法在制备过程中可以控制材料的形貌、尺寸和表面结构，从而调控电极的表面性质和电化学性能。
碳素材料电极在电化学领域具有广泛的应用，主要包括电催化、传感器、光伏等领域。
在电催化领域，碳素材料电极能够作为载体催化剂和电催化剂，用于各种氧还原、硫还原、氢氧化等反应，具有高效、稳定的电催化性能。
在传感器领域，碳素材料电极能够作为传感器的工作电极，检测各种离子、分子和生物分子，具有高灵敏度、高选择性和快速响应的特点。
在光伏领域，碳素材料电极能够用于柔性太阳能电池和有机太阳能电池中，具有良好的导电性和透光性，能够有效提高太阳能电池的光电转换效率。
碳素材料电极具有优良的导电性、化学稳定性和表面活性，在电化学领域具有广泛的应用前景。
随着材料科学和电化学技术的不断发展，碳素材料电极将进一步完善和拓展其在电化学领域的应用，为人类社会带来更多的科技创新和社会福祉。
希望本文对读者对碳素材料电极有更深入的了解和认识，为相关领域的研究和应用提供参考和借鉴。
第一讲-碳材料
1.2.3 炭的存在形式——石墨
• 结构：石墨中的碳原子是成层 排列的，同一层内的每一个碳
原子用3个电子跟相邻的3个碳
原子以共价单键结合，键长都 是142皮米（1皮米＝0.001纳 米）。这些碳原子排列成平面 的六角网状结构，很多碳原子 组成相互平行的平面，使整个 晶体构成片层结构，不同层之 间的距离是335皮米。层和层 之间相邻碳原子以范德华力相
•
•
煤炭和焦炭的主要成份是元素碳。实际上它们是由碳、氢、氧三种元素为主体， 并以芳香烃缩合环为基本单元所构成的一种非常复杂的高分子有机化合物。煤 炭中氧与氢元素的含量与炭化程度成反比。炭化程度越高，则氧与氢的含量越 少，煤炭中的其它元素含量比氧与氢还要少得多。
•
几种主要煤炭和焦炭的元素组成
注：上述组成为不包括灰分杂质的元素组成。
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一、碳的存在
1、煤炭
应用： 直接做燃料 干馏 气化 液化
火力发电 焦化厂
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一、碳的存在
1、煤炭
应用：直接做燃料
火力发电
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一、碳的存在
1、煤炭
应用：干馏 是煤化工的重要过程之一，指煤在隔绝空气条件下加 热、分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气等 产物的过程。按加热终温的不同,可分为三种：900～ 1100℃为高温干馏，即焦化；700～900℃为中温干馏； 500～600℃为低温干馏。
热解石墨材料：具有高 度的各向异性，它沿层 面的导热率与铜相似， 垂直于层面的绝热性与 陶瓷相似，同时有较强 的抗氧化、抗侵蚀、耐 磨等性能。可以应用在 提炼高纯金属，电子工 业及现代科学上的特殊 材料。
富勒碳化物 是用于电容 器、装甲附 甲和武器系 统中的一种 超导材料。
碳素负极材料
碳素负极材料
碳素负极材料是一种重要的材料，广泛应用于锂离子电池、钠离子电池等能源存储领域。
它具有良好的导电性、化学稳定性和可控的结构特性，因此备受关注。
首先，碳素负极材料具有优异的导电性。
碳素材料是一种优良的导体，其电子传输速度快，能够有效地提高电池的充放电效率。
此外，碳素材料还具有良好的电化学稳定性，能够在电池循环过程中保持稳定的化学性质，延长电池的使用寿命。
其次，碳素负极材料具有可控的结构特性。
通过调控碳素材料的结构，可以实现对电池性能的精细调控。
例如，通过控制碳素材料的孔隙结构和比表面积，可以提高电极材料的锂离子储存容量和循环稳定性。
此外，碳素材料还可以与其他功能材料复合，形成复合材料，进一步提高电池的性能。
最后，碳素负极材料在能源存储领域具有广泛的应用前景。
随着新能源汽车、可再生能源等领域的快速发展，对高性能、高安全性的电池材料需求不断增加。
碳素负极材料作为一种重要的电极材料，将在锂离子电池、钠离子电池等能源存储装置中发挥重要作用，推动能源存储技术的进步。
综上所述，碳素负极材料具有优异的导电性、可控的结构特性和广泛的应用前景，在能源存储领域具有重要意义。
未来，随着材料科学和能源技术的不断发展，碳素负极材料将进一步完善其性能，为能源存储领域的发展做出更大的贡献。
炭质功能材料
1.碳：●物理性质：碳（carbon）是一种非金属元素，化学符号：C 元素原子量：12.011 质子数：6 原子序数：6 周期：2 族：IVA电子构型：1s22s22p2电子在每能级的排布： 2，4熔点：约为3550 ℃（金刚石）沸点：约为4827 ℃（升华）颜色和外表：黑色（石墨），无色（金刚石）●同位素：自然产生的碳由三种同位素组成：12C和13C为稳定同位素（碳-12占地球上碳的98.93%，而碳-13则占剩余的1.07%，13C、14C常用作示踪剂，生物体中12C同位素的比率更高，因为生物化学反应会选择性地消除13C，而核磁共振所探测的是13C），而14C则具放射性，其半衰期约为5,730年，是少数几个自远古就被发现的元素之一，是构成碳基生物的最基本元素，可测量年龄在4万年以下的含碳物质（年代测定、生物遗体遗骸）。
碳有15种已知同位素，其中存活时间最短的是8C，它会进行质子发射和α衰变，半衰期为1.98739x10−21秒。
●成键：碳原子一般是四价的，这就需要4个单电子，但是其基态只有2个单电子，所以成键时总是要进行杂化。
最常见的杂化方式是sp3杂化，4个价电子被充分利用，平均分布在4个轨道里，属于等性杂化。
这种结构完全对称，成键以后是稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。
金刚石中所有碳原子都是这种以此种杂化方式成键。
烷烃的碳原子也属于此类。
●同素异形体：○1金刚石：是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质，可作为工艺品和工业中的切割工具；○2石墨：一种最软的矿物，可用于制造铅笔芯和润滑剂；○3石墨烯（单原子层石墨）是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，很可能会成为硅的替代品，也非常适合作为透明电子产品的原料；○4富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯）：富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。
第15、16讲：碳素材料
3.3.2 活性炭的再生 吸附饱和后失去活性的活性炭用物 理、化学或生物化学方法等将所吸附的 物质脱除而使其活性恢复的过程。 （1）再生 方法
（2）高温再生设备和再生条件 斯普列炉 回转炉 多层耙式炉 基本参照活化条件
4 碳分子筛 具有特别发达的微孔结构的特种活性炭 4.1 碳分子筛的分离原理和特点 4.1.1 碳分子筛分离原理 （1）扩散速度不同
（2）主要的粘合剂 煤沥青 煤焦油 合成树脂
2.2 石墨化过程 石墨化：固体炭进行2000℃以上高温处理， 使炭的乱层结构部分或全部转变为石墨结构 的一种结晶化过程。 2.2.1 石墨化的目的 （1）提高制品的导热性和导电性 （2）提高制品的热稳定性和化学稳定性 （3）提高制品的润滑性和耐磨性 （4）去除杂质，提高纯度 （5）降低硬度，便于机械加工 2.2.2 石墨化的三个阶段 （1）第一阶段1000~1500℃ （2）第二阶段1500~2100℃ （3）第三阶段2100℃以上
d 15 10 D
（2）配料 原材料种类、质量指标和配比 干料的粒度组成 粘合剂种类、质量指标和配比 2.3.3 混合和成型 （1）混合或混捏 混合机 Z型双搅刀混合机 螺旋连续混合机 鼓形混合机
5
（2）成型 模压成型 挤压成型 其他 2.3.4 焙烧和石墨化 （1）焙烧 是将成型的毛坯加热到1300℃时的热处 理过程。 炭化 炉型 连续多室环式焙烧炉 隧道炉 倒焰炉 最终温度 升温速度
（2）应用 换热器 降膜吸收塔 盐酸合成塔 文丘里管 生产三氯乙醛的氯化反应塔 蒸发器 （3）发展 不透性石墨设备 聚四氯乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯等
3 活性炭 无定形碳和数量不等的灰分构成的多孔 性炭制品。 优质吸附剂 3.1 活性炭的孔结构和表面性质 3.1.1 孔结构
材料的电性能和磁性能
灵硕展览
材料的电性能和磁性能
导电性：材料传导电流的能力。
通常用电导率来衡量导电性能的好坏，电导率大的材料导电性能好。
电绝缘性：同导电性相反，通常用电阻率、介电常数、击穿强度来表示。
电阻率是电导率的倒数，电阻越大，材料的绝缘性越好；击穿强度越大，材料的电绝缘性越好；节电常数越小，材料的电绝缘性越好。
磁性能是指金属材料在磁场中被磁化而呈现出的磁性强弱的性能（图1-1-8）。
按照磁化程度可分为：铁磁性材料：在外加磁场中，能强烈被磁化到很大的程度，如铁、钻、镍等；)
顺磁性材料：在外加磁场中被微弱磁化，如锰、铬、钼等；
抗磁性材料：能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的材料，如铜、金、银、铅、锌等。
碳素材料简介
碳素材料简介炭和石墨材料是以碳元素为主的非金属固体材料，其中炭材料基本上由非石墨质碳组成的材料，而石墨材料则是基本上由石墨质碳组成的材料。
为了简便起见，有时也把炭和石墨材料统称为炭素材料（或碳材料）。
主要分类：碳素散热片是以不干胶的形色直接将碳素散热片贴在芯片表面，碳素散热片因其柔软可与所贴附对象十分紧密的粘合，另外因其高热传导性（树脂的5-15倍）、横向的高热传导性（铜的两倍），与传统使用中的导热硅胶、硅胶片、金属片等比较，高碳素散热片能将热量均匀扩散更大幅度的散热。
高热传导平面用散热片：利用其平面的高热传导性（铜的两倍），可将热迅速传递到金属壳以及散热型材上，降低发热点的温度，从而达到更好的散热效果。
炭素制品按产品用途可分为石墨电极类、炭块类、石墨阳极类、炭电极类、糊类、电炭类、炭素纤维类、特种石墨类、石墨热交换器类等。
石墨电极类根据允许使用电流密度大小，可分为普通功率石墨电极、高功率电极、超高功率电极。
炭块按用途可分为高炉炭块、铝用炭块、电炉块等。
炭素制品按加工深度高低可分为炭制品、石墨制品、炭纤维和石墨纤维等。
炭素制品按原料和生产工艺不同，可分为石墨制品、炭制品、炭素纤维、特种石墨制品等。
炭素制品按其所含灰分大小，又可分为多灰制品和少灰制品（含灰分低于l％）。
我国炭素制品的国家技术标准和部颁技术标准是按产品不同的用途和不同的生产工艺过程进行分类的。
这种分类方法，基本上反映了产品的不同用途和不同生产过程，也便于进行核算，因此其计算方法也采用这种分类标准。
下面介绍炭素制品的分类及说明。
主要制品碳素行业的上游企业主要有：1、无烟煤的煅烧企业；2、煤焦油加工生产企业；3、石油焦生产及煅烧企业。
炭和石墨制品：(一)石墨电极类主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。
炭材料科学第三讲(性质)
2 .3 热膨胀系数 （线膨胀系数αl ）
物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称
为热膨胀。l称为线膨胀系数。
l l0
lt
lt l0 l l0 (1lt)
V V0
vt
Vt V0 (1vt)
（1）炭材料的热膨胀的特点 A、 αl比金属材料小得多；
Xm (x10-6emu/g)
-10
-8
-6
-4
-2
0
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Temp (? )
四、炭材料的力学性能
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。
HMU
Grade
C C C G G G G C C C C G C C C G C C C G
Diameter Density (mm，6K) (g/cm3)
70
1.76
50
1.81
50
1.82
65
1.81
50
1.77
50
1.84
50
1.91
70
1.77
70
1.77
65
1.75
50
1.76
65
1.90
熔解碳，形成固溶体；
金属 熔点℃ 沸点℃ Fe 1535 2750
碳的溶解度 /%
>4.3
Ni 1455 2731
>2.2
Co 1495 Pt 1772
2870 3827±100
《煤化工工艺学》——煤的炭素制品
大的比热和体积密度,所以具有很好的抗热震性,能在
高温下经受温度的剧烈变化而不遭破坏。例如石墨的
抗热震系数为2399，而陶瓷只有20.11。
-4-
2019年12月25日星期三
炭素材料的优异的热性质使它在火箭的喷嘴、燃
烧室以及鼻锥上发挥独特的作用。
⑵ 良好的导热和导电性
石墨的导热性是各种非金属中最好的,介于铝和软钢之
-23- 2019年12月25日星期三
8.3 活性炭
1.活性炭 2.活性炭的结构 3.活性碳的分类 4.活性碳的用途
-24- 2019年12月25日星期三
活性炭是由无定形炭构成的黑色多孔性固体，具
有极高的比表面积。活性炭不论用作吸附剂还是催化
剂载体，最基本的要求是具有良好的吸附性能和较高
的机械强度。
量来确定。为了提高产品的力学性能，预氧化时原丝
采用引力牵伸。为了防止过度牵伸造成裂纹和空隙，
常用多段牵伸法。
-21- 2019年12月25日星期三
炭化需在高纯度惰性气氛下进行，温度为1000-
1800℃左右，生成含碳量95％的炭纤维。在700℃以
前的低温区，未反应的PAN进一步环化，分子脱水脱
氢交联；在大于700℃的高温区，分子链间的交联和
-8-
2019年12月25日星期三
8.2 生产原理和工艺过程
以有机物为原料制成各种炭素材料必须经过炭化
过程。高温加热时,有机物的氢、氧、氮等元素被分
解,碳原子不断环化、芳构化。随温度升高,碳进一步
缩聚成稠环芳烃和碳网平面并相互叠合。最终经过
石墨化过程生成石墨结晶。整个变化过程如图6-4-
05所示。
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炭素材料的电学和磁学性能很多炭素材料是作为导电材料使用的，电阻率是许多炭素制品的主要物理性能指标，因此了解炭素材料的电学和磁学性能十分重要。
炭素材料从外观形态区分，主要分为金刚石、石墨和无定形碳三大类，但是金刚石的晶体结构与石墨有明显区别，物理性质也不同。
近代碳的石墨化理论认为无定形碳也属于石墨微晶结构的产物，因此不论是炭质材料或石墨材料的导电机理都与石墨晶格的特性有关。
石墨的导电机理金属材料的晶格中充满着自由电子，因此是电的良导体。
对于金属一个很小的电场就可以提供一定的能量，使自由电子在电场的影响下流动。
而在半导体中，则需要可观的能量才能破坏化学键以释放电子。
在绝缘材料中，化学键的电子是如此牢固，以致加热也不能使这些电子获得自由，除非达到了使晶体熔化或者逐渐蒸发的程度。
石墨晶体在层面方向是由碳原子组成的向四面扩展的六角环形层状大分子，碳原子与碳原子之间的结合键是共价键叠加金属键。
由于金属键的存在，所以石墨在层面方向有良好的导电性，但是石墨晶体在层与层之间是由较弱的分子键联系的，导电能力差得多。
可以用金属键自由电子的存在解释石墨导电的原因，但是不能解释为什么石墨的导电能力随温度而变化及随晶格的完善而增加，只有应用电子激发的量子理论才能解释。
可以用能带模型来解释固体材料的导电状态和非导电状态，这个能带模型主要依据科学家泡利的(蔡克辉)不相容原理来考虑电子的容许量子态。
泡利原理指出，在一个给定量子态中，最多只能有两个电子(具有相反的自旋)，这个原理说明孤立原子的壳状结构，电子环绕原子核形成若干个层，每层中的电子具有特定的能级。
因为电子倾向于处在最低可被占据的能级上，故只有当每个较低的能级都充满了电子，其余的电子才能填充到较高的能级中。
当原子聚集于晶体中时，其情况亦类似，游动于整个晶体中的电子所具有的能量，处于由原子壳体所具有的若干个能带中。
在一个能带内，两个相邻的能级之间差别极其微小，以致电子能够很容易地从一个能级激发到另一个能级上去，然而能带被一些间隙所隔开，平时这些间隙是禁止电子越过的，能带模型见图l所示。
在金属中，最上面的能带称做“导带”，电子只是部分地充满着导带，因而外加电压可以把某些电子激发到较高的能级或能带上去。
而在绝缘体和半导体材料中，导带是空的，在导带下面的所有“价带”中却完全充满着电子，要把电子由最高的价带越过能量间隙(禁带)激发到导带，则需要一定的能量，需要能量的大小决定于禁带的宽度。
石墨晶体可以看成是和金属类似的导电材料，禁带很小，受热激发跳跃到导带上去的电子数目遵循玻耳兹曼定律，随温升而增多，因此石墨的电导率似乎应该随温度上升而增加。
但是晶格在加热时产生的热运动，在常温时晶格中原子在平衡点附近的振幅很小(每个原子可移动的距离可增加到偏离它们正常位置的l0％)。
晶格的热运动使电子的流动受到阻碍，即电阻增加，也就是晶体材料的电阻随温度上升而增加。
所以，不同种类炭质制品或石墨制品的电阻率及电阻温度系数是个变化的量。
在一定温度下，炭素材料的导电性是电子的热激发与晶格热运动两种相反作用综合后的结果。
如果在某一温度范围内，电阻率随温度上升而增加，说明该温度范围内晶格的热运动所引起的对电流的阻碍作用占优势。
如果在另一个温度范围内，电阻率随温度上升而下降，说明在该温度范围内电子的热激发使材料的电导率增加占优势。
石墨的晶格愈完善，沿层面方向的六角环形片状体大分子中杂质愈少，晶格缺陷也比较少，三维排列的层面间距离(d002)也相缩小，所以阻碍电子流动的因素减弱，该材料的电阻率也相应下降。
炭素材料的电阻率包括电阻率表示及测量。
(1)导体的电阻和电阻率。
根据欧姆定律，导体两端产生的电压U与通过导体的电流强度J成正比，即U∝I，将导体电压与电流之比定义为该导体的电阻R，得出U=IR或R=U/I。
但导体的电阻与材料的性质及形状、长度有关，对于由一定材料制成的横截面为均匀的导体，其电阻与导体长度成正比。
与横截面大小成反比。
电阻率是电流通过导体时，导体对电流阻力的一种性质，数值上等于长度为1m、截面积为1113．2的导体在一定温度下的电阻值，电阻率的计算公式为：ρ=UA/IL式中，ρ为电阻率，Ωm；U为导体两端的电压，V；A为导体的截面积，m2；L为导体的长度，m；I为通过导体的电流强度，A。
当截面积单位mm2阻率单位为μΩ.m。
高度定向的天然鳞片石墨与热解石墨的电阻率各向异性特别大，可以相差上万倍，但是人造石墨制品(不论是模压或挤压成型)的异向比只有l．2～1．4，这是因为人造石墨都是多晶石墨，材料电阻率的方向性受原料焦炭择优定向排列的影响，天然鳞片石墨与热解石墨的电阻率测定结果举例于表1。
(2)测定炭素材料电阻率的方法。
在炭素工业中经常使用两种测定电阻率的方法，即整根电极电阻率的测量和煅烧料粉末电阻率的测量，测定方法详见石墨电极电阻率测定。
各类电极及煅烧后原料的电阻率(μΩ.m)举例如下：影响电极电阻率的各种因素以石墨电极和炭质电极为例，可列举以下4点：(1)原料。
原料的导电性能对成品的电阻率有明显影响，沥青焦的煅烧后粉末电阻率高于石油焦，因此部分使用沥青焦的石墨电极电阻率要高于全部使用石油焦的电阻率。
使用普通煅烧后(煅烧温度l200～1300℃)无烟煤生产的炭质电极其电阻率高于使用电煅烧无烟煤(煅烧温度1500～2000℃)的同类产品。
生产炭质电极、电极糊如加入部分石墨碎(或天然石墨)成品的电阻率可明显下降。
(2)成品体积密度及孔隙率对电阻率的影响。
在一定范围内，成品的体积密度较低或孔隙率较大会提高电阻率，下面列举一个石墨电极成品体积密度与电阻率的表达关系式：这个关系式大致适用于孔隙率为17％～30％以石油焦为原料的石墨电极。
为成品体积密度为1.629/cm 3时的电阻率μΩ.m，；ρ为被测石墨电式中ρ1为被测石墨电极的体积密度，g/cm3。
极的电阻率，μΩ.m；Db(3)电阻率与成品的最终热处理温度有关。
以石墨电极为例，焙烧半成品的电阻率与焙烧最终温度成反比例，石墨化后成品的电阻率与石墨化最终温度成反比例，最终温度愈高得到的焙烧半成品或成品的电阻率愈低。
现将大规格石墨电极焙烧最终温度及石墨化最终温度对电阻率测定数据举例于下：(焙烧温度指产品实际温度，并非加热火焰温度).(4)电阻率与测试温度有关。
不同的炭素材料在测试温度升高时电阻率变化的幅度不一样，也即不同的炭素材料有不同的电阻温度系数。
当测试温度升高时，材料的电阻率随之上升，则这类材料的电鬻l溅灏麟甏l阻温度系数为正值。
当测试温度升高时，材料的电阻率下降，则这类材料的电阻温度系数为负值。
石墨材料的电阻温度系数与一般材料不同，即在某一温度范围内电阻温度系数为正值，而在另一温度范围内为负值。
如某种焦炭基石墨当测试温度在500K以下时，电阻率随测试温度升高而急剧下降，从500～1000K这一区间变化很小，I000K以上随着测试温度的提高，电阻率又呈上升趋势。
表2为4种石墨材料在1000℃时的电阻率以及在特定的测试温度范围内的电阻温度系数，根据表中的电阻温度系数可以计算材料在测试温度范围内某一温度点的电阻率。
a为在表2中的电阻温度系数。
石墨制品的电阻率呈现各向异性，并且与成型方法有关，以石墨电极为例，利用石墨电极成品电阻率的各向异性，可以判断该电极的成型方法。
判断方法如下：电阻率(ρ)在一个方向低而在其他两个方向ρx >ρy≈ρz，为挤压成型生产。
x轴为挤压成型的加压方向。
电阻率(ρ)在两个方向低而在一个方向高ρx ≈ρy，<ρz，为模压成型生产，这时Z为模压成型的加压方向。
振动成型生产的石墨电极的径向电阻率与轴向电阻率差别不大。
石墨或炭对各种材料的接触电阻两种材料的接触电阻取决于材料本身的性质、接触时外加压力和接触表面的光洁度，表3为石墨与金属在不同压力下的接触电阻，表4为炭与金属在不同压力下的接触电阻，测量时接触面需磨光及做清洁处理。
从表3的数据看出，石墨对石墨的接触电阻是较低的，石墨对黄铜或纯铜稍高一些，石墨对钢及石墨对铝的接触电阻要大得多，接触压力对接触电阻有很大的影响，压力越大则接触电阻越小。
炭与金属(黄铜、铜)的接触电阻要比石墨与同类金属大10倍以上。
炭素材料的磁学性质物质按其磁性的不同可分为抗磁质、顺磁质和铁磁质3类。
当载流导体引入磁质中时，磁质要进入一种特殊状态，称为磁质的磁化。
在磁化了的磁质中，磁感应强度B是由两部分组成的，即导线中的电流所产生的磁感应强度Bo和磁质中未被抵消的分子电流所产生的磁感应强度B7迭加起来的，也即：+B,B=Bo实验证明，位于空间磁场中的均匀磁质，附加的磁感应强度B7的方向可以和8的方向相同，也可以相反。
B,的方向与B的方向相同的物质称为顺磁质，顺磁质物体所表现的磁性称为顺磁性，磁化率为正值。
B7的方向与8方向相反的物质称为抗磁质，抗磁质物体所表现的磁性称为抗磁性，抗磁质的磁化率为负值。
铁磁质突出的特点是它的磁化率a2超过其他顺磁质千百倍。
导磁系数P，就是一个用来表示媒介质磁性的物理量，不同的物质有不同的导磁系数，导磁系数的单位为H/m。
由实验测定，真空中的导磁系数相当于4π×l0-7H/m。
由于这是一个常数，所以将其他物质的导磁系数与它对比是很方便的，任一物质的导磁系数与真空中的导磁系数的比值称做相对导磁系数，用卢，表示，因此：μ=μr *μ相对导磁系数是没有单位的，它表示在其他条件相同的情况下该物质中磁感应强度是在真空中的多少倍，石墨的相对导磁系数是较小的，表5为多种物质的相对导磁系数。
抗磁质相对导磁系数顺磁质相对导磁系数铁磁质相对导磁系数(1)炭素材料的抗磁性炭素材料在磁场中的磁感应强度B,的方向与外磁场的磁力线方向相反，因而是一种抗磁生物质，其磁化率为负值，大多数炭素材料的导电性呈现各向异性，所以磁化率也是有明显的异性，单晶石墨不同方向的单位质量磁化率分别各种炭素材料在不同温度下的抗磁性磁化率与其微晶大小有关，微晶宽度(L。
)在5nm增大到15nm时，x急剧增加，说明抗磁性磁化率主要依赖于微晶的大小，因此测定m炭素材料的磁化率是研究炭素材料晶体发育程度的一种方法。
石墨质制品的抗磁性磁化率还和测量温度有关(见表6)，垂直于晶格层面的9Em值在很大程度上与温度有关，但平行于晶格层面方向的z。
值与温度关系不大。
(2)炭素材料的磁阻把外加磁场时的电阻率与不加磁场时的电阻率之差与电阻率之比Ap/p称为磁阻。
由图2可知，炭素材料(软炭)在大约2400℃；以上的热处理温度下，其磁阻的变化特征大致呈线性增加，因此可以将磁阻作为评价石墨化度极其灵敏的指标之一。
热处理温度在2400℃以下，除石墨单晶外，炭素材料的磁阻通常为负值，测定温度越低，这种负磁阻的表现越强烈。