碳材料概述.

四、新型碳材料
完整的碳系家族
2010获奖
Diamond ： 印 度 金 刚 石 开采的可考历史大约是 1638～1668 年； Graphite ： 1779年人们才 知道石墨是碳元素的一
种物质形式；
第三种碳元素的晶体形
Fullerene ： 1985 年 发 现 ，
态 （ 20 个六边形 +12 个五边形）
一、碳的基础知识
关于“碳材料”与“炭素材料”
“炭”与“碳”二字有联系又有区别: 碳：指碳元素、碳单质总体、含碳化合物及其众多的衍生物时用“碳” 如碳水化合物、碳酸盐、碳氢化合物。 炭：指由碳元素形成的单质，指的是具体物质。 C/H 比在 10 以上，主 要由碳元素组成、多数为固体材料，如煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、 炭电极、炭块、炭纤维等。
和 PVD两类。
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。
“炭素材料”与“炭素制品”的区别与联系
炭素材料是个总称，包括炭素原料和炭素制品，如炭素工业使用的石 油焦、无烟煤、天然石墨属炭素原料；炭素原料经加工制成具有一定 形状及物化性质的产品称炭素制品(如炭质电极、石墨电极、炭纤维)。
一、碳的基础知识
碳材料： 结构多样性 功能多样性
碳材料的分类
传统碳材料（Classic carbons） 木炭、竹炭（Charcoals） 活性炭（Activated carbons） 炭黑（Carbon blacks） 焦炭（Coke） 天然石墨（Natural graphite） 天然金刚石（Natural diamond）
CNT：1991 年日本筑波 NEC 实验室 Sumio· Iijim用HRTEM 观察电弧放电后的石墨棒时发现。 Graphene ： 2004 年 ， 物 理 学 教 授 安 德 烈 • 海 姆 (Andre Geim) 和 康 斯 坦 丁 • 诺 沃 肖 洛 夫 （Kostya Novoselov）博士用一种简单易行的胶带分离法从HOPG中成功制备出了石墨烯。
利用了石墨具有导电性、润滑性和熔点高
二、金刚石与石墨
金刚石合成已有40多年的历史。其合成方法大致可分为两类： 石墨转化法（静态超高压高温法+动态法）和气相合成法 1954 年人造金刚石在美国通用电气公司的诞生，揭开了人工合 成金刚石发展的序幕，它是静态高压高温技术发展的重大成果。 化学气相沉积 (CVD) 金刚石膜的问世是人工合成金刚石技术发 展的第二次大飞跃。20世纪50年代和60年代，美国、苏联等国先 后在低压下实现了金刚石多晶膜的化学气相沉积。1987年“金刚 石薄膜”的合成在世界上兴起，但合成方法归纳起来主要有 CVD
四、新型碳材料
C60的发现
1985年，英国Sussex大学的H.W.Kroto和美国Rice大学的Smalley及Curl等人发 表文章，宣布笼形分子C60的发现（一种由60个碳原子组成的稳定原子簇）。 此后又发现了C50、C70、C240乃至C540等，它们都具有空心的球形结构，属于笼 形碳原子簇分子。由于C60的结构类似建筑师Buckminster Fuller设计的圆顶建筑， 因而称为富勒烯(Fullerence)。从化学和材料科学的角度来看，富勒烯具有重要 的学术意义和应用前景。
Contents
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碳的基础知识 金刚石与石墨 其他传统炭素材料 新型碳材料
一、碳的基础知识
汉字“碳”由木炭的“炭”加石字旁构成，从“炭”字音。碳 是人类接触到的最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之 一。尧舜时代，炭黑作为涂料；商朝时，广泛用木炭来冶炼金属， 在冶炼中木炭充当燃料、还原剂。 碳元素是一种平凡而神奇的元素，以多种形式广泛存在于大气 和地壳中，在地壳中的含量为0.027%，能形成多种单质和千万种 化合物。碳—地球上一切生物有机体的骨架元素。 碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度，以12g碳12中含有的原 子数为1 mol。碳14由于具有较长的半衰期，被广泛用來测定古
新型碳材料（New carbons） 金刚石功能材料（薄膜、纳米） 石墨层间化合物 炭纤维（Carbons fibers） 多孔炭（Porous carbons） 玻璃炭（Glass-like carbons） 柔性石墨（Flexible graphite ） 核石墨（Nuclear graphite ） Fullerene、CNTS、 Graphene
物的年代。
一、碳的基础知识
佛罗伦萨科学院大事记：1649年金刚石消失之谜
1772年，拉瓦锡做了燃烧金刚石和木炭的实验 后，确定两种 物质燃烧都产生CO2，因而金刚石和木炭具有相同的成分。 1776年（1787），拉瓦锡借鉴拉丁语的木炭“carbo”，将碳 的英文名定为“Carbon”。并于1789年，碳作为元素被列入第一 张元素表中。 I 栏：简单物质 光、热质、氧、氮、氢 II 栏：非金属简单物质 硫、磷、碳、盐酸基、氟酸基、硼 酸基 III栏：金属简单物质 锑、银、砷、铋、钴、铜、锡、铁、 锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌 IV 栏：土类简单物质 石灰、镁土、钡土、铝土、硅土
钻头
三、其他传统炭素材料
木炭
活性炭
焦炭
炭黑
以石墨微晶为基础构成的，其共同点是：由石墨的微小晶体和 少量杂质构成的混合物。不同的炭素材料中，微晶的尺寸和微晶 的三维排列的有序程度有相当大的差别。 炭纤维、多孔碳材料，功能化金刚石薄膜、玻璃炭等。
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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）。
1）作耐火材料，如石墨坩埚、石墨模具; 2）作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、 石墨垫圈，，电视机显像管的涂层等; 3）用于原子能工业和国防工业：作为中子减速剂用于原子反应堆; 4）作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料; 5）石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂; 6）作耐磨润滑材料，耐烧蚀材料。