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

2.265

2.29

A2.4612c6.7080

A2.4612c10.062

咔宾SP 2σ2π六方(α)

六方(β)

2.68

3.13

A8.72c15.36

A8.27c7.68

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 graphitic

A ：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±50K

P2: 12.25 ±1.47MPa