炭材料科学第三讲
碳材料PPT课件
C 的存在
碳的起源---“big bang”理论
宇宙巨大的能量块 150亿年前发生大爆炸
宇宙空间充满高能的光
膨胀 温度降低
光转化为物质，各种 粒子开始形成
温度降低 温度升高
粒子凝聚成氢
温度升高
Ne Na Mg O S Si P…
C 的演变
碳在宇宙进化中起着重要的作用，是宇宙中前期生物分子进 化的关键元素。
宇宙中：原子碳、分子碳、固态碳和碳化物 太阳系：H, He,O, C, Ne…… 地球中：第14位 （90% 的碳是以CaCO3的形式存在，为化石 燃料的1万倍） 碳是地球上一切生物有机体的骨架元素，没有碳就没有生命. 碳元素占人体 总重量的18 %左右 人类进化以来，很早就开始利用各种炭物质和炭材料。各种 炭材料在航天、航空等工业、医疗、能源和日用品中得以应用。 当今世界以碳为主要原子构成的有机化学为橡胶、塑料、合 成纤维三大 材料奠定了基础。
Richard E. Smalley 1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b. 1943 d. 2005
The Nobel Prize in Chemistry 2000 “for the discovery and development of conductive polymers”
1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b.1933
Sir Harold W. Kroto 1/3 of the prize United Kingdom University of Sussex Brighton, United Kingdom b. 1939
什么是炭材料
什么是炭材料
炭材料是一种重要的碳基材料，具有多种应用领域。
炭材料是指在高温条件下，有机物质经过干馏或热解过程，去除了大部分挥发性成分后所得到的固体残渣。
炭材料主要包括木炭、活性炭、炭黑、石墨等。
这些炭材料在工业生产、环境保护、能源开发等方面都有着重要的应用价值。
首先，木炭是一种常见的炭材料，主要由木材等天然植物原料经过热解得到。
木炭具有良好的吸附性能和导电性能，被广泛应用于冶金、化工、建材等领域。
同时，木炭还可以作为生活中的燃料使用，例如烧烤、取暖等。
其次，活性炭是一种具有高度孔隙结构的炭材料，具有极强的吸附能力，被广
泛应用于水处理、空气净化、医药等领域。
活性炭的吸附作用可以有效去除水中的有机物、重金属离子等有害物质，保障了饮用水的安全和环境的清洁。
此外，炭黑是一种碳黑颗粒状的炭材料，具有良好的黑色素和导电性能，被广
泛应用于橡胶、油墨、油漆、塑料等领域。
炭黑的加入可以改善材料的性能，增加产品的强度、硬度和耐磨性，提高了产品的品质和使用寿命。
最后，石墨是一种具有层状结构的炭材料，具有良好的导电性和热导性，被广
泛应用于电池、润滑剂、耐火材料等领域。
石墨的层状结构使其具有良好的润滑性能，可以减少摩擦损耗，延长机械设备的使用寿命。
总的来说，炭材料作为重要的碳基材料，在各个领域都有着重要的应用价值。
通过对炭材料的深入研究和开发利用，可以推动工业生产的进步，改善环境质量，促进能源开发，为人类社会的可持续发展做出重要贡献。
希望未来能够进一步加强对炭材料的研究，拓展其应用领域，实现碳资源的高效利用和循环利用。
新型炭材料
新型炭材料新型炭材料是一种由碳元素构成的材料，具有独特的物理和化学性质。
它在工业和科学研究领域具有广泛的应用前景。
下面将详细介绍新型炭材料的特点及其应用。
首先，新型炭材料具有高强度和硬度。
由于其结构紧密，碳原子之间的键结构稳定，因此具有较高的抗拉强度和弹性模量。
此外，新型炭材料的硬度达到了钻石的水平，因此具有优异的耐磨性能。
这使得新型炭材料可以应用在制造高强度和耐磨的部件和工具中。
其次，新型炭材料具有优异的导热和导电性能。
碳元素具有良好的热导性和电导性，因此新型炭材料可以应用在高效热导、高效排热和高效导电的领域。
比如，在电子器件中，新型炭材料可以用于制造散热片和导电薄膜。
此外，新型炭材料还可用于制造热导模块和锂离子电池的负极材料，提高电池的功率密度和循环寿命。
第三，新型炭材料具有较大的比表面积。
由于其多孔的结构，新型炭材料可以具有非常大的比表面积，从而提供了大量的化学反应活性位点。
这使得新型炭材料在催化剂和电化学材料中应用广泛。
例如，在环境治理领域，新型炭材料可以作为吸附剂，用于去除水中的污染物和有害物质。
此外，在能源领域，新型炭材料还可以用于制备超级电容器和燃料电池的电极材料，提高能量存储和转化效率。
最后，新型炭材料具有化学惰性。
碳元素具有稳定的化学性质，不易与其他元素发生化学反应。
因此，新型炭材料在高温、腐蚀和化学腐蚀环境下具有较好的稳定性。
这使得新型炭材料可以应用在高温结构材料、腐蚀材料和化学储氢材料中。
综上所述，新型炭材料具有高强度、硬度和导热性能，具有较大的比表面积，同时具有化学惰性。
它在工业和科学研究领域具有广泛的应用前景，并且为解决环境污染和能源短缺等重大问题提供了新的思路和方法。
因此，新型炭材料的研究和开发具有重要的价值。
碳材料科学-知识点总结
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100MPS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。
有机原料中间状态丨终炭材料：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c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 E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。
炭材料中氮氧化物含量高的原因
炭材料中氮氧化物含量高的原因炭是一种重要的材料，在许多工业和科学领域中都有广泛的应用。
而炭材料中氮氧化物的含量高低对其性能和用途具有重要的影响。
那么，炭材料中氮氧化物含量高的原因是什么呢？在本文中，我们将对这一问题进行深入探讨。
一、炭材料中氮氧化物的来源1. 自然界中的氮氧化物氮氧化物包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）等，这些氮氧化物在自然界中普遍存在，并且来源多样，包括火山活动、雷电活动、森林火灾等。
这些氮氧化物通过大气的扩散和沉降，可能与炭材料发生接触和反应，从而导致其含量的增加。
2. 工业过程中的氮氧化物排放许多工业生产过程会产生大量的氮氧化物排放，如化工厂、燃煤电厂等。
这些氮氧化物通过大气污染物扩散，并可能在炭材料上沉积或吸附，导致其含量的增加。
3. 人类活动引起的氮氧化物排放除了工业过程，人类的日常生活和活动也是氮氧化物的重要排放源。
如汽车尾气、家庭烹饪排放的烟雾等都含有氮氧化物，这些氮氧化物也可能与炭材料相互作用，导致其含量的增加。
二、氮氧化物在炭材料上的反应和吸附1. 氮氧化物与炭材料表面功能团的作用炭材料表面具有丰富的功能团，如羟基、酮基等，这些功能团可能与氮氧化物发生化学反应，从而在炭材料表面形成氮氧化合物，增加了炭材料中氮氧化物的含量。
2. 氮氧化物在炭材料微孔中的吸附炭材料具有丰富的微孔结构，这些微孔对气体具有很强的吸附作用。
氮氧化物作为气体分子，可能在炭材料的微孔中发生吸附，从而增加了炭材料中氮氧化物的含量。
三、氮氧化物含量与炭材料性能的关系1. 影响炭材料气体吸附性能氮氧化物的增加可能影响炭材料的气体吸附性能，改变其吸附动力学和平衡吸附量。
2. 影响炭材料的催化性能炭材料在催化反应中常常扮演着重要的角色，而氮氧化物的含量增加可能影响炭材料的催化性能，改变其表面的催化活性和选择性。
四、结语炭材料中氮氧化物含量的增加可能来源于自然界、工业过程和人类活动，同时也与炭材料的微观结构和功能团有关。
新型纳米炭材料的研究与应用
新型纳米炭材料的研究与应用随着科学技术的不断发展，各种新型材料层出不穷，其中纳米材料备受关注。
纳米材料具有很多独特性质，例如尺寸效应、表面效应和量子限制效应等。
新型纳米炭材料是近年来备受科学家们研究的一种重要材料。
本文将从新型纳米炭材料的概念、研究现状和应用前景三个方面进行探讨。
一、新型纳米炭材料的概念新型纳米炭材料是指由纳米尺寸碳材料构成的一种新型材料。
它包括纳米炭纤维、多孔炭材料、纳米金刚石等多种形式。
新型纳米炭材料具有导电性、导热性、机械强度高、分子吸附性能好、化学稳定性高等独特性质。
它们的材料结构比传统的碳材料更加复杂，具有更高的表面积和更多的活性位点，因此在电化学、催化、分离、吸附、储能等方面具有广泛的应用前景。
二、新型纳米炭材料的研究现状1. 纳米炭纤维的研究纳米炭纤维是一种由纳米尺度的碳纤维组成的材料。
它具有高比表面积、机械强度高、导电性好和化学稳定性高等特点。
近年来，科学家们研究了纳米炭纤维的制备方法和应用。
目前，纳米炭纤维主要应用于电化学储能领域，例如超级电容器、锂离子电池、燃料电池等方面。
同时，纳米炭纤维还可以用于催化、分离和吸附等方面。
2. 多孔炭材料的研究多孔炭材料是一种由粉末炭、活性炭等制备而成具有多孔结构的材料。
它具有高比表面积、良好的吸附性能和高温稳定性等特点。
多孔炭材料的制备方法有很多种，例如气相渗透法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法等。
多孔炭材料可以用于催化、分离、吸附、储能、传统能源替代等方面。
例如，多孔炭材料可以用于制备高效催化剂、制备高效吸附材料等。
3. 纳米金刚石的研究纳米金刚石是指具有纳米尺度结构的金刚石材料。
它具有高硬度、高强度、高导热性、高耐磨性等特点。
科学家们研究了纳米金刚石的制备和应用。
目前，纳米金刚石主要应用于磨料、润滑、生物医学等领域。
例如，纳米金刚石可以用于制备高性能润滑油、生物传感器等。
三、新型纳米炭材料的应用前景新型纳米炭材料具有广泛的应用前景。
碳材料科学-知识点总结
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。
炭材料的拉曼
炭素材料的拉曼光谱 (Raman spectrum of carbon materials)光通过介质后产生散射光；散射光的波数改变在10～4000cm-1范围内，这部分散射光所形成的光谱称为拉曼光谱。
l928年印度物理学家拉曼(C．V．Raman)首先用苯在实验上证实了这种散射的存在，因而得名。
前苏联物理学家兰茨贝格等在研究石英晶体的散射谱时也观察到这一现象。
20世纪60年代激光问世后，为拉曼技术提供了单色性、偏振性、方向性极好的强光源。
拉曼技术获得了迅速发展，成为材料科学研究中的重要手段之一。
在炭素材料的研究和鉴定中拉曼光谱的应用也日益广泛。
拉曼光谱的产生可用经典图像加以简单说明。
分子振动时各原子问的相对位置发生变化，其电极化率α可写成：(1)式中α0为原子在平衡位置时的电极化率，α1为电极化率随位置变化的部分，ν是原子简正振动频率。
在频率为v的外电场E的作用下，如外电场E的振动为：则分子感生的偶极矩P为：所以，感生偶极矩不但以外电场频率v振动产生弹性散射，而且频率振动产生非弹性散射，并在v的两侧对称分布。
这就是拉曼光谱。
同样，分子转动也可能产生频率改变的拉曼散射。
拉曼散射的频率与入射光频率之差叫拉曼位移，通常也称为拉曼光谱频率。
石墨具有六角碳网结构，网面内晶格振动具有拉曼活性。
这种振动称为E2g 型振动。
E2g型振动有两种E2g (1)和E2g(2).网面的相互振动，称为层面之间的剪切振动模式。
由于石墨网面之间的相互作用很弱，与这种振动相对应的拉曼谱频率很小，只为42cm-1。
E2g为石墨晶格网面内的伸缩振动，有时又称为高频面内振动模式。
这种振动较为强烈，在拉曼谱上对应的频率为l580cm。
结构良好的石墨晶体，在这一频率附近有一尖锐的特征峰，特称为G线或G 带，表征碳的sp2键结构。
结构完美的天然石墨的G线位于1575cm-1。
含有畸变结构的石墨微晶常常还有一条谱线在1350cm-1附近，称为D带。
碳材料科学ppt课件
第四部分 炭的表面化学（4学时）
第五部分 石墨层间化合物（2学时）
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜
二、富勒烯与纳米洋葱
三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：2学时
10
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）； 2、平时作业/报告成绩（权重20 %）； 2、期末试卷考试（权重70% ）。
32
第二代 炭材料
★ 烧结炭材料 利用炭的物理性质（导电、耐热、耐腐 蚀、耐摩擦等），用于炭砖、炼钢、炼 铝等（电极、电刷、各种机械、化工用 炭、原子反应堆用炭等）
33
第三代 炭材料
以炭纤维（CF）为代表的新型炭材料(结构 和功能材料)纷纷出现，是炭材料的大发展 时期，也是炭科学形成的时期
34
材料
6
Ordered Mesoporous Carbons from the Carbonization of as-synthesized Silica/Sucrose/Triblock copolymer Nanocomposites
碳的六方有序孔道
7
锂离子二次电池电极材料
电流
正极
隔膜
电子 负极
炭 纤 维
针
状
高导热材料,发泡炭、高级粘
碳材料科学-知识点总结
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。
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。
碳材料概述
Materials Today, Oct 2004, pages 22-49.
四、新型碳材料
纳米碳管储氢 原理: 吸附
氢气的吸附和脱附可在常温进行，只要改变压力即可；储氢
量大，纯净单壁碳纳米管达5碳.0~10%(一般7.4%)，符合美国能源 部纳的米标碳准管（在6.化4%学质传量感分器数中）的纳米应用 由于碳纳米管暴露在NO2和管NH3时，电导发生明显的增加或减 小，奠定了在气体化学传感器触摸应用的基础。Kong. J等人测定了 SWNT在NO2 和NH3通过时，屏碳纳米管电导随电压的变化情况。
二、金刚石与石墨
金刚石主要用于精密机械制造、电子工业、光学工业、半导 体工业及化学工业。如固定激光器件的散热片、红外激光器的 窗口材料, 各种钻头、磨料等。 天然金刚石稀少, 只限于用作装饰品, 工业应用以人工合成金 刚石为主。 近年来, 金刚石功能化薄膜、微晶金刚石、纳米金刚石拓宽了 传统意义上的金刚石的应用领域。
四、新型碳材料
Graphene
石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的, 其理论厚度仅为0.35 nm,
是目前所发现的最薄的二维材料, 石墨烯是构建其它维数碳材料（如零维富勒
烯、一维CNTs、三维石墨）的基本单元。
Graphene can be
0D: fullerenes (wrapped up) 1D: nanotubes (rolled into)
二、金刚石与石墨
金刚石结构图
石墨：平面网状结构
钻石
天然金刚石
二、金刚石与石墨
石墨可分为天然石墨和人造石墨, 如等静压石墨、模压石墨、挤 压石墨（作电极材料）。
炭材料 交联骨架
炭材料交联骨架全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：一、炭材料的交联骨架结构制备方法1.溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种常用的制备交联骨架结构的方法。
该方法首先通过溶液制备聚合物前体，然后将前体处理为凝胶，并经过热解或碳化处理制备出炭材料。
在这个过程中，可以通过控制溶胶凝胶的成分和结构来调控炭材料的孔径和孔隙结构，实现交联骨架结构的设计和调控。
2.氧化镂空法3.还原镂空法还原镂空法是一种通过还原性气体还原氧化物模板制备交联骨架结构的方法。
在这种方法中，首先通过氧化物模板制备出具有孔隙结构的氧化物复合材料，然后利用还原性气体将氧化物还原为金属或碳材料，最终得到具有交联骨架结构的炭材料。
这种方法可以制备出具有复杂孔隙结构的炭材料，具有广泛的应用前景。
1.大孔结构和高比表面积交联骨架结构的炭材料具有大孔结构和高比表面积，有利于吸附和储存气体、离子和分子等物质。
这种特性使得交联骨架结构的炭材料在吸附分离、电化学储能和传感器等方面具有重要应用价值。
2.优异的机械性能交联骨架结构的炭材料具有较高的机械强度和硬度，具有良好的耐磨损和抗压性能。
这使得交联骨架结构的炭材料在催化剂载体、电极材料和复合材料等领域有广泛的应用潜力。
3.稳定的化学性质1.能源存储交联骨架结构的炭材料具有大孔结构和高比表面积，可以用作电容器、锂离子电池和超级电容器等能量存储器件的电极材料，具有很高的储能密度和循环稳定性。
2.催化应用交联骨架结构的炭材料具有优异的机械性能和化学稳定性，可用作催化剂载体和活性组分支撑材料，在化学合成、环境净化和能源转化等领域有着广泛的应用。
3.吸附分离交联骨架结构的炭材料具有大孔结构和高比表面积，可用作吸附剂和分离材料，广泛应用于气体分离、有机污染物清除和水处理等领域。
交联骨架结构的炭材料具有丰富的结构特性和优异的性能表现，在能源存储、催化和吸附分离等领域有着广阔的应用前景。
随着科学技术的不断发展和创新，相信交联骨架结构的炭材料将会在未来的材料科学和工程领域中发挥重要作用，为推动社会经济的可持续发展做出更大的贡献。
炭材料的五种制备方法
炭材料的五种制备方法炭材料，在现代工业和科学研究中扮演着重要的角色。
它具有优异的导电性、导热性以及化学稳定性，因此被广泛应用于电池、超级电容器、催化剂、脱氧剂等领域。
为了满足不同需求，炭材料可以通过多种制备方法获得。
以下是五种常见的炭材料制备方法：1. 热解法：热解是最常见的炭材料制备方法之一。
它通过高温处理碳源物质，如有机聚合物、木材或石油焦等，在缺氧或氧气限制条件下进行。
热解可使原始物质分解并释放挥发性物质，同时保留碳质骨架。
通过调控热解条件，如温度、时间和反应气氛，可以获得不同孔径结构和比表面积的炭材料。
2. 胶凝法：胶凝法制备炭材料通常涉及在碳源物质中添加胶凝剂，并使其形成凝胶状态。
随后，通过干燥和碳化等过程，将胶凝物转变为炭材料。
胶凝法制备的炭材料通常具有高度的孔隙度和均匀的孔径分布。
3. 气相沉积法：气相沉积法是通过将碳源物质转化为气体或蒸气，然后在基底表面上沉积形成炭材料的方法。
这种方法常用于制备具有高度有序的结构、纳米级孔隙和大比表面积的炭材料，如碳纳米管。
4. 氧化石墨烯还原法：氧化石墨烯还原法是一种炭材料制备方法，通过对氧化石墨烯进行还原反应，除去氧原子，从而得到石墨烯的炭材料形态。
这种方法可以获得具有大表面积、高导电性和优异力学性能的炭材料。
5. 激光石墨化法：激光石墨化法是一种利用激光束对有机物进行加热和分解，从而得到炭材料的方法。
这种方法可以控制碳材料的结构和形貌，制备出纳米级碳纳米管和碳纳米颗粒等。
通过以上五种制备方法，可以获得具有不同结构、孔隙性能和电化学性质的炭材料，满足不同领域对炭材料的需求。
制备方法的选择需要考虑材料的特定应用和所需性能。
因此，对于炭材料的制备研究具有重要的意义，有助于进一步拓展炭材料的应用领域。
新型炭材料
新型炭材料
随着中国经济的不断发展，炭材料已经成为经济中重要的一部分，由于其独特的性能，炭材料在经济中非常重要，但随着时间的发展，炭材料的使用越来越频繁，为了满足社会的需求，各国的科学家们在搜索永久性的炭材料，最终发展出一种新型的炭材料，可以提供更多的性能，更加可靠。
新型炭材料的特性
新型炭材料的性能要比其他炭材料更好，新型炭材料拥有良好的耐腐蚀性，可以用来在低温下进行腐蚀性处理，耐高温性好，可以抗高温腐蚀，也可以用于高温场合，具有良好的热响应性能，可以抗热震动，还可以用于高速转动的机械设备中。
此外，新型炭材料还具有坚固的结构，抗老化性好，可以维持很长时间不变形，不容易损坏，还具有防滑性能，可以防止滑动，可以用来抗湿热等特性，同时也可以防止有毒气体向外扩散，具有良好的净化效果。
新型炭材料的应用
新型炭材料可以应用于工业、家用等方面，可以用来制造一些化工设备，建筑材料，仪器仪表，炉具，机械驱动，电子元件等等，还可以用于家用电器，化妆品，电子产品，汽车等，新型炭材料还可以应用于生活中的日常用品，如筷子，叉子，勺子等。
新型炭材料的发展
新型炭材料的发展非常迅速，它的性能更好，更强大，它被广泛应用于各种领域，它的发展也更加普及，它不仅可以在工业中应用，
而且还可以在家用电器，日常用品等方面应用，而在未来，新型炭材料发展的趋势将越来越明显，可以说新型炭材料为经济发展和社会进步做出了巨大的贡献。
总结
新型炭材料是一种具有良好性能的新型材料，它可以在低温下进行腐蚀性处理，可以抗高温腐蚀，具有良好的热响应性能，可以抗热震动，也可以用于高速转动的机械设备中，而它的应用也非常广泛，不仅可以应用于工业，而且还可以应用于家用电器，日常用品等，可以说新型炭材料为经济发展和社会进步做出了巨大的贡献。
炭的稳定性原理及应用
炭的稳定性原理及应用1. 炭的稳定性原理炭是一种由有机物质经过高温热解而形成的固体材料。
它具有很高的热稳定性和化学稳定性，这些稳定性是由以下原理所决定的：1.1 炭的热稳定性机制炭的高热稳定性源于其具有高度结晶的纯净晶体结构。
在高温下，炭的晶体结构可以保持稳定，不会发生相变或熔化。
此外，炭的晶体结构中包含了大量的碳-碳键，这些键的结构稳定性也使得炭具有高温下的耐热性。
1.2 炭的化学稳定性机制炭具有较低的化学活性，几乎不会与其他物质发生化学反应。
这是由于炭的晶体结构中的碳-碳键的强化学键性质所决定的。
碳-碳键的结构稳定性使得炭不容易被氧化、溶解或分解，能够长期保持其化学性质的稳定。
2. 炭的应用由于炭具有独特的稳定性和一些特殊的物理化学性质，它在许多领域都有广泛的应用。
2.1 炭的用途一：能源炭具有较高的热值和稳定的燃烧性能，因此在能源领域有重要应用。
炭可以用作燃料，用于发电、供热和工业生产中的高温过程。
例如，煤炭是一种重要的化石燃料，燃烧后可以提供较大的热量和能量。
2.2 炭的用途二：环境保护炭具有吸附性能，可以吸附空气中的有害物质和气体。
因此，炭在环境领域有广泛应用。
活性炭是一种常见的炭材料，它可以吸附有机物、重金属离子和臭味等污染物，起到净化水和空气的作用。
此外，炭还可以用于土壤修复和废水处理。
2.3 炭的用途三：材料工程由于炭具有高度结晶的晶体结构和优异的物理性能，它在材料工程领域有广泛应用。
炭纤维具有轻质高强度的特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车制造和体育器材等领域。
炭材料还可以用于制备电极、电池和超级电容器等电子器件。
2.4 炭的其他应用炭还有许多其他应用。
例如，在冶金工业中，炭可以用作还原剂；在医学领域，炭可以用于口腔清洁和治疗消化系统疾病；在食品工业中，炭可以用作食品添加剂和着色剂。
结论综上所述，炭具有独特的稳定性原理，包括高热稳定性和化学稳定性。
这些稳定性使得炭在能源、环境保护和材料工程等领域有广泛的应用。
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T1000
M40
M40J
M46J
M50
Besfight
HTA
(ToHo Rayon 日 ST3
东邦人造丝) IM400
IM500
HM45
Pyrofil
T-1
(MitsubishiRay T-2
on 日三菱人造 M-1
丝)
HM-4
Magnamite
AS-1
(Sumika Hercules 美)
AS-6 IM-7
粘胶基CF的制备
纤维素
NaOH
粘胶基 人造丝
碱性纤维素 CS2
粘胶液于硫酸等 凝固浴中湿法纺丝
1000℃炭化
2800℃牵伸石墨化
纤维素磺酸钠盐 纤维素磺酸钠溶于碱液 炭纤维
各种Thornel牌号粘胶CF的性能
Thornel牌号 Thornel-25 Thornel-40 Thornel-50 Thornel-60 Thornel-70 Thornel-75 Thornel-100
（4）热导率与石墨化度的关系 热导率随石墨化度提高而增大，石墨化前仅为石墨化后热导率的1/20到1/30
（5）热导率与宏观组织的关系
随体积密度的增大而增大，随气孔率增大而减小 1- λ /λ0=KP
式中， λ—被测物质的热导率，w/m.k λ0—真密度为2.26g/cm3的石墨的热导率，w/m.k P—被测材料的气孔率，% K—修正系数，一般K=2.3
R'/
2.4x 2.01x 1.44x 5.07x10 5.06x10 5-15 2.72
10-3J/m.s 104 102 102
2.2 导热性
常温下石墨的热导率与金属的对比
测量方向
石墨λ （w/m.k）
金属λ （w/m.k）
天然 人造 热解 硫铜 铝 铜 银
垂直于晶粒方向 83.7 1.39 8.4
（C 方向） 平行于晶粒方向 272
52 240 400
228 384 410
（A 方向）
（1）石墨的热传导特点 具有明显各向异性，其值与材料的石墨化度及测量温度等密切相关，石墨热导率是由其基本结
构决定的固有特征。
影响因素： 1）原料的基本性质； 2）制造的工艺过程； 3）热处理温度； 4）表观密度，孔隙分布等。
（3）、抗热震性指标与耐冲击参数
RlP•EC•db
1/2
R' • P
J/m·s
l • E
式中，R—抗热震性指标 R ’—耐热冲击参数 P—抗拉强度 αl—线膨胀系数 E—模量 λ—热导率 C—热容 db—体积密度
一些材料的耐冲击参数
材料 石 陶瓷 碳 化 重晶石 氧化铍 氧化镁 氧化锆
墨
钛
石墨材料的αl随温度升高的增量 Δαl
温度 t (℃)
Δαl (10-7/K)
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000 2500 2.0 4.0 6.0 7.7 9.2 10.4 11.4 12.3 13.2 17.2 21.2 25.2
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
➢ 按照力学性能分类 通用级（GP）； 高性能（HP）： 中强型（MT）； 高强型（HT）； 超高强型（UHT）； 中模型（IM）； 高模型（HM）； 超高模型（UHM）
CF制备的工艺流程
2) 炭纤维的力学性能 PAN-CF的性能
Designation Type
Toraca
T300
(Toray 日东丽) T800H
炭材料科学第三讲
2020/11/26 1
b.C + H2O → CO + H2 ΔH=31.14 Kcal/克分子 CO + H2O → CO2 + H2 ΔH=-9.65 Kcal/克分子 ≥700 ℃
c.C + 2H2 → CH4 ΔH=-17.87 Kcal/克分子 ≥1000℃
d. C + 2F2 → CF4 常温反应 自燃
二、 炭材料的热性能
2.1抗热震性（热稳定性） 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。
（2）石墨的导热机理
固体材料内导热有两种：自由电子流动和晶格原子热振动 德拜理论（声子热传导理论）： λ=A•C•L•υ 其中λ热导率
A—几何因子（对各向同性晶体A=1/3） C—比热容（单位体积的热容） L—声子（晶格波）自由程平均长度 υ—声子的传播速度
（3）石墨导热的各向异性 υa=1.23x104ms-1 υc=3.9x103ms-1
沸点℃ 2750 2731 2870 3827±100
碳的溶解度/% >4.3 >2.2 >2.9 >1.45
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。
与氧化物的还原反应
氧化物 B2O3 SiO2 MgO V2O5 Al2O3 BeO
还原温度（℃） 1200 1250 1350 650 1280 960
YM UE (GPa) (%)
235 1.5 295 1.9 295 2.4 390 0.6 380 1.2 440 1.0 490 0.5 235 1.4 235 1.7 295 1.8 300 1.6 400 0.5 235 1.5 245 2.0 295 1.7 440 0.7 230 1.3 240 1.7 275 1.85 380 0.7
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
2.4 比热大
热容是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量，是物体温度升高1K所需要增加的能量。 不同温度下物体的热容不一定相同，所以在温度T时物体的热容为：
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
ltl0 ll0(1l t)
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； Al 23.6x10-6/K Cu 17x10-6/K 石墨 （1-2）x10-6/K
3.2 抗磁性和磁化率
炭材料属于抗磁物质，磁化率为负值。 （1）抗磁性磁化率的各向异性和平均抗磁性磁化率 单晶石墨的抗磁性磁化率
χ⊥=-21.5x10-6emu/g χ∥=-0.5x10-6emu/g (2)抗磁性磁化率与石墨化度的关系
-6
X m ( x 1e0m u / g )
-1 0
-8
-6
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
2 .4
C h e m ic a ls T 1 0 1 S C
1 4 .5
1 .6 5
0 .7 2 0 3 2
2 .2
B ro ch u re T 2 0 1 F G （ 日 吴 羽 ） T201S G
1 2 .5
1 .5 7
0 .6 9 0 3 3
2 .1
1 4 .5
1 .5 7
0 .5 9 0 3 0
70
1.79
70
1.81
70
1.78
67
1.88
75
1.80
55
1.83
55
1.79
70
1.84
TS (GPa)
3.53 5.59 7.06 2.77 4.40 4.20 2.45 3.63 4.32 4.12 4.80 2.15 3.53 4.90 3.43 2.94 3.10 4.14 5.42 2.76
P -1 3 0 G
10
---
2 .1 0 8 9 7 0 .2 30 9 6 6 0 .2 2
G ra p h ite S in g le C ry sta l
2 .2 6
21
1000
D ia m o n d
3 .5 2
1150
UE: ultimate elongation
2 .1
P -5 5 S G
10
2 .1
1 .9 0 3 8 0 0 .5
P -7 5 S G
10
2 .1
2 .1 0 5 2 0 0 .4
A m o co P -1 0 0 G
10
（ 美）
P -1 2 0 G
10
2 .1 5
2 .2 0 7 2 4 0 .3 1
2 .1 8
2 .2 0 8 2 7 0 .2 7
沥青基CF的性能
D e sig n a ti T y p e G ra d e D ia m e te r D e n sity T S
YM
UE