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。

石墨：SP2杂化轨道，2S2Px2Py三个在同一平面内互为120C角的三个等价的c 键，剩余的2Pz轨道与c键所在的平面垂直形成n键；n电子属非定域电子，在受到外电磁场作用时可在六元环网上自由运动，形成金属键；n键较弱，易发生断裂；

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：SP杂化轨道，2个c键，2个n键；两种类型：B累积烯烃=C=C=C= a聚炔-

C=C-C=C-;线状，单元链长10-12C原子，六方晶体；树脂状组织，白色，白碳

特性：具有半导体及超导体性质；生物相容性好；由a聚炔出发易于转化为金刚石。

富勒烯：当SP2杂化轨道形成的六圆环在一起形成某些五圆环时，它就不再呈平面状而是呈现球状笼形结构；C60 20个六元环、12个五元环，当六元环增加时，

则可形成更大的球形分子；最大到 C96Q

特性：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？

金刚石和石墨的形成及转化条件：C(diama nd)

C(graphite) △ H=-2.1KJ/mol 石墨低压稳定相、金刚石高压稳定相

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

3、概念:

炭化，石墨化，可石墨化炭，不可石墨化炭，石墨化性炭，非石墨化性炭

1)Carbonization ( 炭化)

is a process of formatio n of material with in creas ing carb on content from orga nic material, usually by pyrolysis, ending with an almost pure carb on residue at temp. up to 1600K.

2)Graphitizati on (石墨化)

non-graphitic carbon into graphite by thermal activation. The degree of graphitization depends upon the temp. of the heat treatment and the time

Is a solid state tran sformatio n of thermod yn amically un stable

allowed to anneal structure.

3)Non-graphitizable Carbon (不可石墨化炭)

are those which cannot be transformed into graphitic carbon solely by heat treatment up to 3300K under atmospheric or lower pressure.

4)Graphitizable Carbon ( 可石墨化炭 )

are those which can be transformed into graphitic carbon by heat treatment up to 3300K under atmospheric or lower pressure.

5)Non-graphitic Carbon (非石墨质炭)

are all varieties of substance consisting mainly of the element carbon with two dimensional long range order of the carbon atoms in plannar hexagonal networks, but without any measurable crystallographitic order in the third direction (c-direction) apart from more or less parallel stacking.Many non-graphitic carbon can be converted into graphitic carbons by heat treatment to about 2500K. Such conversion is called graphitization.

6)Graphitic Carbon (石墨质炭)

are all varieties of substance consisting of the element carbon in the allotropic form of graphite irrespective of the presence of structural defects.

4、石墨化度的表征？

石墨化程度的表征 /石墨化度： XRD: d002 La Lc Maire and Mering

d002=3.354g+3.440(1-g) g=0-1 g=(3.440- d002)/(3.440-3.354)

L(hki)=k X / B cos 0

5、炭材料具有优良抗热震性能的原因？

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