碳材料科学 期末复习题

•1、炭材料的多样性？(广义和狭义定义)是主要以煤、石油或它们的加工产物等(主要为有机物质)作为主要原料经过一系列加工处理过程得到的一种非金属材料，其主要成分是碳。

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，不象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SP2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。

•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。

最硬（金刚石）→软（石墨）绝缘体（金刚石）→半导体（石墨）→良导体（热解石墨）绝热体（石墨层间）→良导热体（金刚石、石墨层内）全吸光（石墨）→全透光（金刚石、石墨烯）•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。

•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？★大量的中间过渡状态，很少的纯碳结晶形式。

★结晶形式：金刚石、石墨、咔宾、富勒烯★非晶态：多种过渡形式炭，包括高变质程度煤、人造石墨、热解炭、玻璃炭、炭黑、CF等。

碳原子杂化态键型晶系密度晶格参数金刚石SP3 4σ立方 3.51 A03.5667A石墨SP2 3σ1π六方菱面2.2652.29A2.4612c6.7080A2.4612c10.062咔宾SP 2σ2π六方(α)六方(β)2.683.13A8.72c15.36A8.27c7.68富勒烯C60 变形SP2 3σ1π立方 1.678 A10.02c1636 金刚石：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：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：线状，单元链长10-12C 原子，六方晶体；树脂状组织，白色，白碳◆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：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？C(diamand) C(graphite) ΔH=-2.1KJ/mol 石墨低压稳定相、金刚石高压稳定相碳原子的生成热：C60 ΔH=10.16kcal/克分子 C70 ΔH=9.65kcal/克分子 Graphite ΔH=0kcal/克分子 Diamond ΔH=0.4kcal/克分子 • 3、概念：炭化，Carbonizationis a process of formation of material with increasing carbon content from organic material, usually by pyrolysis, ending with an almost pure carbon residue at temp. up to 1600K.自有机物通过热解而导致生成含碳量不断增加的化合物的一个长过程，它的最终产物为在1600K 下的纯碳物质。

石墨化，Graphitizationis a solid state transformation of thermodynamically unstable non-graphitic carbon into graphite by thermal activation.The degree of graphitization depends upon the temp. of the heat treatment and the time allowed to anneal structure.可石墨化炭，Graphitizable Carbon are those which can be transformed into graphitic carbon by heat treatment up to 3300K under atmospheric or lower pressure.不可石墨化炭，Non-graphitizable Carbon are those which cannot be transformed into graphiticA ：石墨催化转化为金刚石的区域B ：石墨自发快速转化为金刚石的区域C ：金刚石自发快速转化为石墨的区域D ：石墨自发缓慢转化为金刚石的区域T1: 4100K P1: 12GPa T2: 4020±50KP2: 12.25 ±1.47MPacarbon solely by heat treatment up to 3300K under atmospheric or lower pressure. Many non-graphitic carbon can be converted into graphitic carbons by heat treatment to about 2500K. Such conversion is called graphitization.石墨化性炭，Graphitic Carbonare all varieties of substance consisting of the element carbon in the allotropic form of graphite irrespective of the presence of structural defects.非石墨化性炭，4、石墨化度的表征？石墨化度：XRD: d002LaLcMaireandMeringd002=3.354g+3.440(1-g) g=0-1g=(3.440-d002)/(3.440-3.354)L(hkl)=kλ/βcosθ5、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、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石墨材料的αl随温度升高的增量ΔαlB、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/Kc方向:为正值，（25-30）10-6/K6、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。

7、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？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。

8、炭与过渡金属的反应类型？1）ⅠB、ⅡB（以Cu,Zn为代表，d10），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；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？炭化：ICCTC 自有机物通过热解而导致生成含碳量不断增加的化合物的一个长过程，它的最终产物为在1600K下的纯碳物质。

按照炭化反应进行的状态，炭化可分为：气相炭化：挥发先于热解，即沸点在200℃以下，碳原子数在1-20之间的有机物和CO都可经气相成碳；液相炭化：热解先于挥发的液体或高温下熔融的固体烃类有机物在惰性气氛中热解时，一般经历液相炭化成碳；固相炭化：炭化过程中炭原料不熔融的成碳过程。

2、炭化反应的实质？A 能量观点看ΔG室温—200 ℃烷烃<芳烃<烯烃300-500 ℃芳烃<烷烃<烯烃>600 ℃芳烃<烯烃<烷烃B 共振能芳香缩合环数愈多，其稳定性愈高不同环数多环芳烃的共振能•3、有机物热解的一般规律？烷烃—烯烃—芳烃—多环芳烃—六元碳网层片大分子—石墨•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。

••••5、低碳烃的热解反应规律及其化学反应类型？热解中发生的化学反应1、脱氢反应2、D-A反应3、自由基反应4、重排反应•6、热解炭的类型及其形成机理？1、热解炭的形成机理1）1905年，法国M. Berthelot甲烷在1300℃热解于石英管壁获得灰色炭膜及H2气体，认为甲烷在气相中分解和聚合生成复杂的烃分子，最后沉积到表面炭化而成；2）1908年，德国W.A.Bone and H. F. Coward在800-1000℃将甲烷通过石英管发现管壁沉积有灰色炭膜及H2气体，认为转化为炭膜的反应为甲烷分子在固体表面直接分解成碳和氢；3）二十世纪五十年代，美国R. O. Grisdale将Berthelot的观点发展为系统的沉炭液滴理论（Droplet Mechanism of Carbon Deposition）CH4（1000 ℃）—中间产物（乙烯、苯、萘、多环芳烃等）—于气相形成液滴圆珠—液滴落于固体表面—化学脱氢—表面炭4）1958年，美国C. R. Kinney将液滴学说和直接分解学说统一起来，用苯在1200℃及较低反应物浓度下进行气相热解，结果在反应管的不同部位得到四种不同形态的炭。