碳材料 课件
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第三章煅烧工艺及设备炭素材料教学课件
❖ 提高罐式炉产量和煅烧质量的方法 提高罐式炉产量和煅烧质量的关键是适当提高炉温或延长煅烧带，煅
烧带温度必须控制在1250～1380℃（指火道温度、火道温度与罐内物 料温度相差100～150℃）范围内，火道温度低于1250℃时要停产调整， 直到温度合格才能正常加排料。如果煅烧带温度偏低，就会影响罐式炉 的产量和煅烧质量，如果煅烧带温度过高，炉体就容易烧坏，导致炉子 使用寿命缩短。影响煅烧温度的主要因素是燃料、空气量和负压。
❖ 以上几种炉型，由于结构和煅烧工艺条件不同而有明显差别，不仅传热介质类别不同，更 主要的是传热条件和煅烧气氛有所差异。罐式炉和焦炉基本上是一种加热类型，即以耐火 砖火墙传出的热量间接加热碳质原料。回转窑则是另一种类型，燃烧气体与碳质物料接触 而直接加热。电热煅烧炉是借助电能转化为热能进行加热，被煅烧物料同时起着电阻发热 体的作用。
❖ ⑤密封装置 为了防止空气漏入窑内，在窑头、窑尾与窑体结合部位安装密封装置，密封装置 部位设有冷却设备。密封材料一般为金属、胶皮或石棉防风圈等。
❖ ⑥燃料喷嘴和排烟机 为了燃烧和控制窑内温度，在窑头安装有燃料喷嘴。回转窑内的负压靠 烟囱和排烟机的抽力来控制，窑内产生的废气也靠烟囱和排烟机排入大气。
3.1 原料预碎
❖ 碳质原料块度过大，不仅在煅烧工序保证不了煅后料质量的 均一性，而且受到煅烧设备的限制，使加料和排料造成困难， 还会影响中碎设备的效率。因此碳质原料在煅烧前要预先破 碎到50～70mm左右的中等块度，以确保大小块料均能得 到均匀的深度煅烧。
❖ 注意：原料破碎也不能过细，否则会造成粉料过多和增加煅 烧烧损量。
❖ 煅烧带的起点位于距煤气喷嘴2m左右的地方。该带温度最高达1300℃以上，物 料在此带被加热到1200℃左右。煅烧带的长度取决于燃料和挥发分燃烧火焰的 长度，一般约为3～5m，如煅烧挥发分含量较高的石油焦，煅烧带的长度可增 至8～10m。
碳材料PPT课件
形成一切生物有机生命体的骨架元素； 大量的中间过渡状态，较少的纯碳形式； 新型炭材料。
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
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
碳材料氮化碳课件
碳材料氮化碳课件
目录
• 氮化碳概述 • 氮化碳的合成方法 • 氮化碳的结构与性质 • 氮化碳的制备实例 • 氮化碳的改性方法 • 氮化碳的未来发展前景
01
氮化碳概述
定义与特性
定义
氮化碳是一种由碳和氮元素组成 的化合物，通常表示为 $C_{n}N_{m}$，其结构类似于石 墨，具有二维平面结构。
生物成像
氮化碳材料具有优良的光学性能和生物相容性，可用于生物成像 领域，提高成像效果和分辨率。
药物载体
氮化碳材料具有较高的药物负载能力和生物相容性，可用于药物载 体领域，实现药物的靶向传输和控释。
生物传感器
氮化碳材料具有优良的电学性能和生物相容性，可用于生物传感器 领域，提高传感器的灵敏度和稳定性。
05氮化碳的改性方法 Nhomakorabea素掺杂元素掺杂是一种常用的氮化碳改性方 法，通过在氮化碳中掺入其他元素来 改变其电子结构和物理性质。常见的 掺杂元素包括硼、氮、磷等。
元素掺杂可以改善氮化碳的导电性能 、光学性能和稳定性，提高其在光电 器件、传感器和催化等领域的应用效 果。
表面修饰
01
表面修饰是通过化学或物理方法 对氮化碳表面进行改性，以改善 其表面性质和界面性能。
总结词
以石墨为原料制备氮化碳是一种常用的方法，具有操作简便、成本低廉等优点。
详细描述
首先将石墨粉末与无水氯化钙混合，然后在高温下进行热处理，使石墨与氯化钙 发生反应。接着将生成的氮气通入反应体系中，与石墨反应生成氮化碳。最后将 产物进行洗涤、干燥即可得到氮化碳。
以三氧化二铝和氮气为原料制备氮化碳
总结词
氮化碳的应用研究逐渐增 多，涉及到光电器件、场 效应晶体管等领域。
氮化碳的应用领域
目录
• 氮化碳概述 • 氮化碳的合成方法 • 氮化碳的结构与性质 • 氮化碳的制备实例 • 氮化碳的改性方法 • 氮化碳的未来发展前景
01
氮化碳概述
定义与特性
定义
氮化碳是一种由碳和氮元素组成 的化合物，通常表示为 $C_{n}N_{m}$，其结构类似于石 墨，具有二维平面结构。
生物成像
氮化碳材料具有优良的光学性能和生物相容性，可用于生物成像 领域，提高成像效果和分辨率。
药物载体
氮化碳材料具有较高的药物负载能力和生物相容性，可用于药物载 体领域，实现药物的靶向传输和控释。
生物传感器
氮化碳材料具有优良的电学性能和生物相容性，可用于生物传感器 领域，提高传感器的灵敏度和稳定性。
05氮化碳的改性方法 Nhomakorabea素掺杂元素掺杂是一种常用的氮化碳改性方 法，通过在氮化碳中掺入其他元素来 改变其电子结构和物理性质。常见的 掺杂元素包括硼、氮、磷等。
元素掺杂可以改善氮化碳的导电性能 、光学性能和稳定性，提高其在光电 器件、传感器和催化等领域的应用效 果。
表面修饰
01
表面修饰是通过化学或物理方法 对氮化碳表面进行改性，以改善 其表面性质和界面性能。
总结词
以石墨为原料制备氮化碳是一种常用的方法，具有操作简便、成本低廉等优点。
详细描述
首先将石墨粉末与无水氯化钙混合，然后在高温下进行热处理，使石墨与氯化钙 发生反应。接着将生成的氮气通入反应体系中，与石墨反应生成氮化碳。最后将 产物进行洗涤、干燥即可得到氮化碳。
以三氧化二铝和氮气为原料制备氮化碳
总结词
氮化碳的应用研究逐渐增 多，涉及到光电器件、场 效应晶体管等领域。
氮化碳的应用领域
碳碳复合材料ppt课件
循环浸渍－碳化曲线反映了浸渍－碳化工艺特点：
❖ 在进行1～3次浸渍碳化时，复合材料的密度增加较快， 从预制体密度（约1.2～1.3g/cm3）增加到1.6g/cm3以上；
❖ 从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增 加相对较慢。
❖ 为了减少浸渍－碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复 合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压 力浸渍碳化工艺（PIC, Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍－碳化工艺中得 到应用。
沥青碳化率＝0.95QI＋0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS
因此，沥青的碳化率随高分子量芳香族化合物的含量增加而增加。 最高的碳化率达90％，但与碳化时的压力有关。当碳化压力增强时， 低分子量物质挥发气化，并在压力下热解得到固态沥青碳。
★ 沥青碳化特性
★ 沥青碳化特性
沥青的压力碳化经历以下过程：
沥青液态压力浸渍－碳化 工艺是在常压、250℃下先浸 渍，然后在此温度下加压至 100MPa压力下继续浸渍，再 此压力下经650℃碳化。
同样需经历多次PIC工艺 使/C复合材料致密化。
● HIPIC工艺
HIPIC工艺是热等静压浸 渍碳化工艺（Hot Isostatic Pressure Carbonization）,即 在等静压炉中进行PIC工艺。
沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别
C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：
❖ 等温 (Isothermal)法； ❖ 压力梯度 (Pressure gradient)法； ❖ 温度梯度(Thrmal gradient)法； ❖ 化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour
多孔炭材料ppt课件
实验安排 第一阶段，原料分析 第二阶段，预氧化，温度400–450℃ 、时间1–4h、
升温速率0.5–10℃/min 第三阶段，炭化，活化
水平 1 2 3
炭化温度(A) 炭化时间(B) 活化温度(C) 活化时间(D)
℃
min
℃
min
350
30
800
80
400
45
850
100
450
m ple
图 煤沥青与不同升温速率下前驱体中挥发分及TI含量
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
图 煤沥青与各前驱体SEM图 (a) CP (b) PC-r0.5 (c) PC-r2 (d) PC-r5 (e) PC-r10
1400
2
S p e c i f i c s u r f a c e a r e/ag / m
考察因素 原料分析（元素组成、灰分、挥发分、软化点） 预氧化条件（预氧化温度、时间、氧化介质及流量、
升温速率） 前驱体粒度、碱炭浸渍比、分散剂的选择等 炭化条件（炭化温度、时间、升温速率） 活化条件（活化温度、时间、升温速率） 产品性能（灰分、比表面积、孔径分布）
实验设计
吸附等温线是在恒定温度下平衡吸附量与被吸附气体压力 的关系曲线 。
BET吸附理论
吸附等温线类型
不同恒温时间下前驱体制备的活性炭比表面积
2
S p e c i f i c s u r f a c e a r e/ ag / m
1400 1200 1000 800 600 400 200
0 A C -h1
国内外活性炭的生产现状
二战前后，美国的AC产量一直居世界第一位。80年代后， 第三世界国家的AC工业开始发展，产量逐渐增加，到目 前，世界五大洲40多个国家生产AC，年产量达70多万吨。
《碳碳复合材料简介》课件
高强度与高刚度
具有出色的强度和刚度，适用 于要求高强度和轻质化的领域。
良好的耐损性
具有优异的耐磨、耐热疲劳和 耐腐蚀性能。
碳碳复合材料的应用领域
1
航空航天
广泛应用于飞机结构、发动机部件和导弹热防护等领域。
2
能源工业
用于核电站中的炭碳复合材料管道和储罐，以及燃烧器等高温设备。
3
汽车工业
用于制造高性能汽车制动系统、排气系统和座椅结构。
碳碳复合材料的优势与局限性
优势
高温性能卓越，具有较高的强度和刚度。
局限性
制备工艺复杂，生产成本较高。
碳碳复合材料的发展趋势
随着技术的进步，碳碳复合材料将继续发展，更广泛地应用于航空航天、能 源、汽车等领域。同时，制备工艺将更加成熟，并不断降低生产成本。
结论和总结
碳碳复合材料具有独特的优点，是一种重要的高性能材料。它在航空航天、能源和汽车工业等领域发挥着重要 作用，并有着广阔的发展前景。
《碳碳复合材料简介》 PPT课件
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的高性能复合材料。它具有高 强度、高刚度、高温性能和优异的耐损性。
什么是碳碳复合材料
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的复合材料。碳纤维提供高强 度和高刚度，炭素基体则提供高温抗氧化性能。
碳碳复合材料的制备方法
1 化学气相沉积 (CVD)
通过化学反应在碳纤维表 面沉积炭素来制备碳碳复 合材料。
2 航空电弧加热法 (AIR) 3 热解石墨化 (HTI)
利用航空电弧对碳纤维进 行加热，使其与炭素基体 结合。
先将碳纤维石墨化，然后 与绿石墨和残余碳反应形 成碳碳复合材料。
碳碳复合材料的性质与特点
多孔碳材料的研究进展ppt课件
Wan Y， Shi Y， Zhao D. Supramolecular Aggregates.as Templates: Ordered Mesoporous Polymers and 11 Carbons†[J]. Chemistry of Materials， 2007， 20(3):932-945.
carbon
materials[J].
Advanced
Materials,
2011,
8
硬模板法
Ryoo以介孔氧化硅SBA-15为模板，合成了介孔碳CMK-3和 CMK-5 。当碳源全部填充SBA-15 的孔道时，得到纳米棒状 CMK-3；如果碳源部分填充或仅在孔道的内表面包覆一层， 得到的是一空心的纳米管型的CMK-5。
.
21
功能性改进
催化 吸附 杀菌
➢ 活性炭纤维用硫酸处理后可催化NO与NH3 反应生成N2，提高低浓度NO的脱除率。
➢ 添加溴的多孔炭可作为强催化剂氧化甲硫 醚、二硫甲烷。
➢ 活性炭纤维上分散MgO粒子可大大增加对 甲烷的吸附。
➢ 在多孔碳表面添加氯化亚铜，可提高对CO 的吸附。
➢ 多孔碳上添加有杀菌作用的银粒子后对大 肠杆菌、黄色葡萄状球菌等都有极好的杀 菌作。
.
15
超级电容器
• 碳材料，如碳粉末、碳纤维、碳凝胶、碳纳米管、碳复合 物、碳垫、碳独块巨石、碳箔等， 被广泛的应用于超级电 容器。
北京科技大学范丽珍 教授用氨基葡萄糖为 原料合成氮掺杂碳材 料，比容量在 H2SO4 和 KOH 溶液中分别可 达 300 和 220F/g。
Li Z， Li-Zhen F， Meng-Qi Z， et al. Nitrogen-containing hydrothermal carbons with superior performance in supercapacitors.[J]. Advanced Materials， 2010， 22(45):5202–5206.
carbon
materials[J].
Advanced
Materials,
2011,
8
硬模板法
Ryoo以介孔氧化硅SBA-15为模板，合成了介孔碳CMK-3和 CMK-5 。当碳源全部填充SBA-15 的孔道时，得到纳米棒状 CMK-3；如果碳源部分填充或仅在孔道的内表面包覆一层， 得到的是一空心的纳米管型的CMK-5。
.
21
功能性改进
催化 吸附 杀菌
➢ 活性炭纤维用硫酸处理后可催化NO与NH3 反应生成N2，提高低浓度NO的脱除率。
➢ 添加溴的多孔炭可作为强催化剂氧化甲硫 醚、二硫甲烷。
➢ 活性炭纤维上分散MgO粒子可大大增加对 甲烷的吸附。
➢ 在多孔碳表面添加氯化亚铜，可提高对CO 的吸附。
➢ 多孔碳上添加有杀菌作用的银粒子后对大 肠杆菌、黄色葡萄状球菌等都有极好的杀 菌作。
.
15
超级电容器
• 碳材料，如碳粉末、碳纤维、碳凝胶、碳纳米管、碳复合 物、碳垫、碳独块巨石、碳箔等， 被广泛的应用于超级电 容器。
北京科技大学范丽珍 教授用氨基葡萄糖为 原料合成氮掺杂碳材 料，比容量在 H2SO4 和 KOH 溶液中分别可 达 300 和 220F/g。
Li Z， Li-Zhen F， Meng-Qi Z， et al. Nitrogen-containing hydrothermal carbons with superior performance in supercapacitors.[J]. Advanced Materials， 2010， 22(45):5202–5206.
北京化工大学-聚合物合成与制备课件-碳材料部分-(7)
24.5
胺
4. 添加剂
能够起到增加或降低活性种活性、提高或降 低聚合反应速度、调节聚合物微观结构、 共聚竞聚率和在非极性溶剂中负离子活性 种的缔合或解缔、达到活性聚合物偶联或 活性末端官能化等目的。所以，添加剂包 括微观结构调节剂、戴帽剂、解缔剂、偶 联剂等。实际上许多添加剂能够同时起到 多种作用，因此，聚合体系对添加剂的选 择需进行综合考虑。
CH2 =CH C = CH2 CH3
Ip
CH3 CH2 =C C = CH2
CH3
CH2 =CH
St
CH2 =CH
- Cl
CH2 =CH
N
CH2 =CH
N
杂原子负离子为活性种的阴离子聚合单体
CCl3CH = O
CnH2nCH = O
（n=0,1, 2, 3）
(CH3)2C = O
R CH - CH2 O
1. 共轭二烯烃负离子聚合 丁二烯聚合物的微观结构
CH2=CHCH=CH2
( CH2 CH = CH CH2 )
1，4-PB
( CH2 CH ) CH CH2
1，2-PB
( CH2
H
C=C
H
CH2 )
Trans-1,4-PB
H
H
C=C
( CH2
CH2 )
Cis-1,4-PB
异戊二烯聚合物结构
CH3 CH2=CHC=CH2
(R=H, CH3, C6H5)
CH2 - CH2
R1
-[Si - O -]x R2
CH2 - S
(R1, R2=H, CH3, C2H5, C6H5)
CH2 - CH2
H2C
CH2
《炭的化学性质》课件
《炭的化学性质》PPT课 件
本课件将介绍炭的化学性质，包括炭的构成与性质、炭化反应过程、炭材料 的合成、炭的应用领域以及炭材料的未来发展趋势。
炭的构成与性质
炭的主要成分
炭主要是由碳元素组成的物 质，但也包含其他的元素和 杂质。
不同种类的炭介绍
介绍不同种类的炭，包括木 炭、活性炭、石墨等，以及 它们的特性和用途。
炭材料的合成
炭材料的制备方法
详细介绍几种制备炭材料的方法， 如化学气相沉积法、碳化法等。
化学气相沉积法的原理和 应用
解释化学气相沉积法的原理，并 阐述该方法在炭材料制备中的应 用。
炭形貌与结构特性的调控
讨论炭的形貌和结构特性是如何 通过合适的制备方法进行调控的。
炭的应用领域
炭的目前应用领域，包 括生产和生活
介绍当前炭材料在工业生产 和日常生活中的广泛应用， 如金属冶炼、过滤系统等。
炭材料在电子、电化学、 化学工程、环境与能源 等领域ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的应用
探索炭材料在各个领域的应 用，如电池技术、催化剂、 吸附剂等。
炭材料未来的发展趋势 和前景
展望炭材料未来的发展趋势， 如新材料设计、炭基复合材 料等。
总结与展望
1 炭材料的重要性与发展
炭的物理与化学性质分 析
分析炭的物理性质，如颜色、 质地等，以及化学性质，如 反应性和稳定性。
炭化反应过程
1
炭化反应的定义和基本原理
解释炭化反应是什么以及它的基本原理，涉及到炭的分解和重排过程。
2
炭化反应的条件和影响因素
探讨影响炭化反应的条件和因素，如温度、压力、催化剂等。
3
炭化反应的应用领域
介绍炭化反应在不同领域的应用，如碳材料的合成和炭化技术等。
本课件将介绍炭的化学性质，包括炭的构成与性质、炭化反应过程、炭材料 的合成、炭的应用领域以及炭材料的未来发展趋势。
炭的构成与性质
炭的主要成分
炭主要是由碳元素组成的物 质，但也包含其他的元素和 杂质。
不同种类的炭介绍
介绍不同种类的炭，包括木 炭、活性炭、石墨等，以及 它们的特性和用途。
炭材料的合成
炭材料的制备方法
详细介绍几种制备炭材料的方法， 如化学气相沉积法、碳化法等。
化学气相沉积法的原理和 应用
解释化学气相沉积法的原理，并 阐述该方法在炭材料制备中的应 用。
炭形貌与结构特性的调控
讨论炭的形貌和结构特性是如何 通过合适的制备方法进行调控的。
炭的应用领域
炭的目前应用领域，包 括生产和生活
介绍当前炭材料在工业生产 和日常生活中的广泛应用， 如金属冶炼、过滤系统等。
炭材料在电子、电化学、 化学工程、环境与能源 等领域ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的应用
探索炭材料在各个领域的应 用，如电池技术、催化剂、 吸附剂等。
炭材料未来的发展趋势 和前景
展望炭材料未来的发展趋势， 如新材料设计、炭基复合材 料等。
总结与展望
1 炭材料的重要性与发展
炭的物理与化学性质分 析
分析炭的物理性质，如颜色、 质地等，以及化学性质，如 反应性和稳定性。
炭化反应过程
1
炭化反应的定义和基本原理
解释炭化反应是什么以及它的基本原理，涉及到炭的分解和重排过程。
2
炭化反应的条件和影响因素
探讨影响炭化反应的条件和因素，如温度、压力、催化剂等。
3
炭化反应的应用领域
介绍炭化反应在不同领域的应用，如碳材料的合成和炭化技术等。
碳材料科学ppt课件
碳纳米管和石墨烯有可能将碳元素的独特性 发挥到极工业：轴承、密封元件、制动元件等； ➢ 电子工业：电极、电波屏蔽、电子元件等； ➢ 电器工业：电刷，集电体、触点等； ➢ 航空航天：结构材料，绝热、耐烧蚀材料等； ➢ 核能工业：反射材料，屏蔽材料等； ➢ 冶金工业：电极，发热元件，坩锅、模具等； ➢ 化学工业：化工设备，过滤器等； ➢ 体育器材：球杆，球拍，自行车等； ➢ …………
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
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
常见碳材料PPT课件
无序诱导的D-band的产生---双共振拉曼散射
精选ppt课件2021
6
D,2D-Band-Double Resonance
D-Band
G-Band
K
158c0m1
1. e excitation 2. e-phonon scattering 3. defect scattering 4. E-hole recombination
精选ppt课件2021
12
石墨烯的拉曼光谱
Graphene中 心无缺陷存在
(a) Comparison of Raman spectra at 514 nm for bulk graphite and graphene. They are scaled to have similar height of the 2D peak at 2700 cm-1.
（2）G-band(~1580cm-1)是由碳环或长链中 的所有sp2原子对的拉伸运动产生的。
（3）缺陷和无序诱导D-band（~1360cm-1）的产生。
（4）一般我们用D峰与G峰的强度比来衡量碳材料 的无序度。
精选ppt课件2021
4
商用石墨
1355cm-1峰的出现归结于微晶尺寸效应使得没 有拉曼活性的某些声子在选择定则改变后变得 有了拉曼活性。 发现D模对于拉曼活性G模的相对强度与样品中 石墨微晶尺寸的大小相关。
b The statistical results of the angle measurements.The standard deviation is 5.4°.
(b) Evolution of the spectra at 514 nm with the number of layers.
精选ppt课件2021
6
D,2D-Band-Double Resonance
D-Band
G-Band
K
158c0m1
1. e excitation 2. e-phonon scattering 3. defect scattering 4. E-hole recombination
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12
石墨烯的拉曼光谱
Graphene中 心无缺陷存在
(a) Comparison of Raman spectra at 514 nm for bulk graphite and graphene. They are scaled to have similar height of the 2D peak at 2700 cm-1.
（2）G-band(~1580cm-1)是由碳环或长链中 的所有sp2原子对的拉伸运动产生的。
（3）缺陷和无序诱导D-band（~1360cm-1）的产生。
（4）一般我们用D峰与G峰的强度比来衡量碳材料 的无序度。
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4
商用石墨
1355cm-1峰的出现归结于微晶尺寸效应使得没 有拉曼活性的某些声子在选择定则改变后变得 有了拉曼活性。 发现D模对于拉曼活性G模的相对强度与样品中 石墨微晶尺寸的大小相关。
b The statistical results of the angle measurements.The standard deviation is 5.4°.
(b) Evolution of the spectra at 514 nm with the number of layers.
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三、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。
炭材料的发展史
人
人 类 起 源
类 文 明 时 代
铜 器 时 代
十 八 世 纪 初
十
九
20世纪 20世纪 20世纪
世 纪 中
1895 年
1907 40-50 50-60 年 年代 年代
60-70 年代
20世纪 80年代
木烟 炭炱 为做 热染
炭 还 原 铜
焦 电电 炭 极炉 作 工炼 还 业钢
能料 的和 来墨 源汁
1991年 碳纳米管
碳包覆金属
2004年 石墨烯
21世纪将是碳世纪
二、炭材料的定义
1、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）。
主要参考书目
1、新炭素材料入门 日本炭素材料学会编，中国金 属学会炭材料专业委员会编译（1999）
2、Chemistry and Physics of Carbon, a series of advances from 1965, Marcel Dekker, Inc., Vol.28(2003)
● 炭化研究则在燃料化学（煤化学和石油化学 与加工）学科领域中发展壮大
● 二十世纪五十年代末，高分子领域加强了耐 高温聚合物方向的探索，广泛开展了高聚物热 解的研究；
关于炭材料科学作为独立的学科分枝在国际 学术舞台上出现的时间，至今无人加以探 讨。
● 真正具有国际性的世界炭科学会议召开 于1957年，即美国第三届炭会议；
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。
3、“炭”与“碳”的区别
Carbon as element Carbon as material
炭化机理和炭的结构是整座炭科学大厦的 两大基石。
主要讲授内容：
1）碳的结构与性能； 2）有机化合物的成炭途径；
气相炭化 液相炭化 固相炭化 多相炭化
3）碳的化学反应； 4）碳科学研究的新进展。
3、“炭材料科学”所涉及的基础学科
是一门交叉性很强的学科，正处于不断发展之中。
* 物理角度，炭材料科学的两个主要方向是固体结构和物理性 质，如晶体与非晶体，价键结构，晶体缺陷与运动，晶体中 的电子状态，固体的物性（力、光、磁、热、电等）。
● 1957年9月在伦敦召开了第一届工业用炭 和石墨会议；
● 具有广泛国际性的炭材料专业杂 志”Carbon”于1963年在美国创刊。
因此，炭材料科学真正独立存在，应在二十 世纪五十年代末到六十年代初。
2、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。
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，
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）
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
材料
性能
用途
Alan J. Heeger
1/3 of the prize
USA
University of California Santa Barbara, CA, USA b. 1936
Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa
1/3 of the prize
1/3 of the prize
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”
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。
炭纤维 纳米管/树脂复合材料
炭微球 C/C复合材料
金属填充富勒烯
金刚石 金刚石薄膜
1990年和1991年金刚石和C60分获Science明星分 子；
1996年 美国Rice大学 R F Curl R. E. Smalley
五、炭材料的发展史
1、第一代（5千—1万年前） 2、第二代（十九世纪） 烧结型炭材料
（人造石墨） 3、第三代（第二次世界大战后） 4、二十世纪八十年代中叶以后
第一代 炭材料
天然物质加热，利用炭的化学性质，作燃 料和还原剂炼铜和炼铁
CuO + C Fe2O3 + C
Cu + CO2 Fe + CO2
电池电极隔板、半 导体器件 高温晶体管、激光 器件、绝缘材料等
高导电材料、电池 活性物质、催化剂 等 增强材料、催化材 料、导电材料等
自烧结性，球形、层状
各向同性炭、坩埚、 电极等
第四代 炭材料
富勒烯 碳纳米管 碳纳米洋葱（富勒洋葱） 碳包覆纳米金属晶 碳气凝胶 多孔炭 石墨烯 ………..
Robert F. Curl Jr.
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
Grapheen CNTs
●
碳原子在电子结构上可形成SPn杂化，能键合众多原子和分 子，在纳米及微米尺度上以不同方式和取向进行堆叠和聚集， 形成粒子、孔状、纤维状、薄膜状及块体材料。各种类型炭 物质具有的性质几乎包括地球上所有的性质，有的甚至是完
全对立的性质
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）
英国Sussex 大学 H. W. Kroto
富勒烯C60
2000年美国科学家A. J. Heeger A. G. MacDiamid
日本科学家H Shirakawa(白川英树)
导电聚合物
2010年英国 A Geim and K Novoselov 石墨烯
The Nobel Prize in Chemistry 1996 "for their discovery of fullerenes"
USA and New Zealand Japan
University of Pennsylvania University of Tsukuba
Philadelphia, PA, USA
Tokyo, Japan
b. 1927
b. 1936
Andre Geim
Konstantin Novoselov
炭材料科学
Science of Carbon Materials
炭 微 球
炭 纤 维
针
状
高导热材料,发泡炭、高级粘
焦
结剂、浸渍剂、炭纳米材料
第一部分 绪言
一、炭材料的多样性
1、碳的多样性
碳元素的产生； 太阳系产生热核反应中“碳、氮循环”； 地球上碳产生生物学、硅产生地学，碳是
形成一切生物有机生命体的骨架元素； 大量的中间过渡状态，较少的纯碳形式； 新型炭材料。
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）
化学
2、各过程中物质的结构与性质
物理
3、外界条件与材料结构性能的关系
在热处理时，我们感兴趣的温度范围是 400℃-600℃ 。 在 此 温 度 范 围 内 ， 大 多 数 有机固体开始脱氢转变成自由基，后者随 之缩合成大的分子单元，最终导致固体材 料。也就是在此温度范围内，微晶的排列 将被确立下来，虽然大部分炭物质最终被 加热到更高的温度，但是在600℃以下微 晶排列的配置乃是决定最终炭材料的结构 和性能的主要因素。
碳纳米管和石墨烯有可能将碳元素的独特性 发挥到极至!