炭材料科学第三讲(性质)
讲稿
第一章碳材料基础绪论中我们简单地介绍了一个炭材料，在接下来详细介绍每种炭材料之前我们先讲一些碳材料相关的基础知识。
——————————————1.碳的结构根据原子轨道杂化理论，碳原子在与其他原子结合时，外层电子在不同条件下，会产生不同形式的杂化，最常见的杂化形式是SP1，SP2，SP3。
从而有了三种同素异构体：卡宾碳金，石墨与刚石。
另外，最新的研究结果认为，碳还有其他的杂化方式。
富勒烯和纳米碳管中碳的杂化方式为sp2+s，s 的值大于0小于1。
晶体中原子排列具有周期性，也称长程有序。
非晶体则不具有长程的周期性。
举例说明：金刚石、石墨、富勒烯与碳纳米管、乱层结构结构（键长、键角、晶格参数、层间距）————性质引入故事：贝多芬头发变成一颗璀璨的蓝钻——单质碳的“七十二变”金刚石被人们看作宝石的“钻石”，其基本成分不过是碳而已。
有机物含有的碳在地下数百公里的地幔中，受到长期的热挤压，就会变成金刚石。
2007年，媒体爆出一则吸人眼球的消息：德国作曲家贝多芬的头发被制成一颗璀璨的蓝钻，这是第一颗用名人或者历史人物身上的碳制出的钻石。
数百年前，人们喜欢剪下几缕头发，放在盒子里作为永久保存。
美国康涅狄格档案大学校长因为收藏最有价值的名人物品和历史人物毛发最多而被载入《吉尼斯世界纪录大全》，其收藏的人物毛发中也有贝多芬的。
2007年他决定将这位著名作曲家的头发赠给英国“生命珍宝”公司进行慈善拍卖。
经鉴别后，该公司的专家们在无氧的情况下将头发进行焚烧，从10根头发中得到130毫克炭，然后分成3份，让每份炭在3000摄氏度的高温，约7万大气压力下放置2周，就可使其转化成钻石。
最后，所得这些钻石被切割成圆形，打磨后通过了鉴定；一颗钻石被送回档案大学收藏，另一颗钻石被放在生命珍宝公司的档案馆展出，第三颗钻石在“eBay（电子港湾）”网上进行慈善拍卖,接受世界各地买主的竞标。
据称该钻石有望以50万英镑售出，并决定将销售所得直接捐给为重病或者患病晚期儿童实现愿望的“梦想成真”慈善组织，使这颗历史人物的钻石有机会帮助很多需要救助的孩童。
炭材料科学第三讲(性质)
2 .3 热膨胀系数 （线膨胀系数αl ）
物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称
为热膨胀。l称为线膨胀系数。
l l0
lt
lt l0 l l0 (1lt)
V V0
vt
Vt V0 (1vt)
（1）炭材料的热膨胀的特点 A、 αl比金属材料小得多；
Xm (x10-6emu/g)
-10
-8
-6
-4
-2
0
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Temp (? )
四、炭材料的力学性能
基本结构特征：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。
HMU
Grade
C C C G G G G C C C C G C C C G C C C G
Diameter Density (mm，6K) (g/cm3)
70
1.76
50
1.81
50
1.82
65
1.81
50
1.77
50
1.84
50
1.91
70
1.77
70
1.77
65
1.75
50
1.76
65
1.90
熔解碳，形成固溶体；
金属 熔点℃ 沸点℃ Fe 1535 2750
碳的溶解度 /%
>4.3
Ni 1455 2731
>2.2
Co 1495 Pt 1772
2870 3827±100
碳材料科学与技术：复习
后续
Ra: 芳环 Rn：饱和环烃
根据核磁共振谱推测的石油沥青结构
（二）煤沥青
1. 煤沥青的生成
煤气 煤焦油 煤 焦炭
2. 煤沥青的族组成分析
3. 煤沥青的分子结构模型
三、中间相的生成
（一）中间相生成的一般过程
中间相的形成与发展过程
（二）中间相的结构及影响因素
（三）合成中间相
（四）中间相理论的应用 1. 针状焦
三、VGCF原理
与炭黑高温裂解相区别的催化剂的加入，因此 VGCF的生长机理与催化剂密不可分。
四、VGCF的性质
第三节 富勒烯与纳米碳管
一. 富勒烯的合成方法 （1） 电弧放电法
1990年, Kraschmer和Huffman等人 （2） 苯火焰燃烧法
1991年7月,麻省理工学院教授Jack Howard及其 实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富勒烯。 （3）高频加热蒸发石墨法
活 性 炭 用 于 环 境
高 纯 高 密 石 墨
热 解 石 墨 和 热 解
高 性
炭 纤
膨 胀
中 间
金 刚
60
能维石相石碳
炭复墨炭薄纳
纤合 微膜米
维材 球 管
….
料
炭
C
业
3.炭材料的结构与性质
（1）碳原子及其杂化轨道
SP3（正四面体） 、SP2（正三角型）、SP（直线型）
（2）碳的同素异形体
金刚石（diamond）
针状焦的结构性质参数
2. 中间相炭微球（MCMB）
用途：锂离子二次电池电极材料 粒径：5－100um
第二部分 气相碳化 第一节 碳 黑
二、 碳黑的分类 1. 按生产方法分
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。
炭素工艺学――第一章炭和石墨材料PPT课件
1.1.2 炭素材料的结构性质
1.1.2.1 密度
真实密度反映炭素材料的石墨化度，比较精确的测定方法是采用X射线衍 射法测定其晶格常数a和c，然后按下式计算：
Dt
m• N v
Dt——真实密度，g/cm3；
m ——碳原子质量，1.65963×10-24g；
N ——单位晶格中碳原子数，N=4；
v ——单位晶格的体积容积，a2 sin60°•c， μm3
理想石墨结构 （a）六方晶系石墨；（b）斜方晶系石墨
两种堆叠方式的石墨结构
堆叠方式
晶系
键长
层间距
晶胞边长
晶胞高
AB AB ABC ABC
六方 斜方
1.4211 Å 1.4211 Å
3.3538 Å 3.3538 Å
2.4612 Å 2.4612 Å
6.7079 Å 6.7079 Å
斜方晶系石墨实际上是六方晶系由于晶体缺陷形成的，其在天然石墨 中占20%~30%，经3000 ℃处理后，转变为六方晶系石墨，故在人造石墨 中不存在。
几种常用炭素材料的全气孔
名称
全气孔率，%
名称
全气孔率，%
炭电极
17~25
过滤材料
17~25
石墨电极
22~30
浸渍结构材料
22~30
炭块
15~20
电炭材料
15~20
孔径分布及其分布 炭素材料中的气孔一般是不规则的，此时的孔径是指 与不规则气孔具有相同体积的球形气孔的直径。平均孔半径可有下式计算：
r 3 Pt SD v
弹性模量：表示材料所受应力与产生应变之间的关系，通常采用杨氏弹性模量。 石墨晶体、石墨晶须、热解石墨和高模量炭纤维的弹性模量比较高，而一
炭质功能材料
1.碳：●物理性质：碳（carbon）是一种非金属元素，化学符号：C 元素原子量：12.011 质子数：6 原子序数：6 周期：2 族：IVA电子构型：1s22s22p2电子在每能级的排布：2，4熔点：约为3550 ℃（金刚石）沸点：约为4827 ℃（升华）颜色和外表：黑色（石墨），无色（金刚石）●同位素：自然产生的碳由三种同位素组成：12C和13C为稳定同位素（碳-12占地球上碳的98.93%，而碳-13则占剩余的1.07%，13C、14C常用作示踪剂，生物体中12C同位素的比率更高，因为生物化学反应会选择性地消除13C，而核磁共振所探测的是13C），而14C则具放射性，其半衰期约为5,730年，是少数几个自远古就被发现的元素之一，是构成碳基生物的最基本元素，可测量年龄在4万年以下的含碳物质（年代测定、生物遗体遗骸）。
碳有15种已知同位素，其中存活时间最短的是8C，它会进行质子发射和α衰变，半衰期为1.98739x10−21秒。
●成键：碳原子一般是四价的，这就需要4个单电子，但是其基态只有2个单电子，所以成键时总是要进行杂化。
最常见的杂化方式是sp3杂化，4个价电子被充分利用，平均分布在4个轨道里，属于等性杂化。
这种结构完全对称，成键以后是稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。
金刚石中所有碳原子都是这种以此种杂化方式成键。
烷烃的碳原子也属于此类。
●同素异形体：○1金刚石：是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质，可作为工艺品和工业中的切割工具；○2石墨：一种最软的矿物，可用于制造铅笔芯和润滑剂；○3石墨烯（单原子层石墨）是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，很可能会成为硅的替代品，也非常适合作为透明电子产品的原料；○4富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯）：富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。
碳的化学性质教案 (11篇)
碳的化学性质教案 (11篇)碳的化学性质教案 1（854字）一、碳在常温下稳定、高温下活泼二、碳的化学性质1．碳的可燃性，碳的化学性质。
点燃C + O2＝＝＝＝＝＝＝＝C02(碳充分燃烧)点燃2C + O2＝＝＝＝＝＝＝＝2C0 (碳不充分燃烧)2．碳的还原性(用于冶金工业)。
高温CuO+ C＝＝＝＝＝＝＝＝2Cu +C02 ↑现象：(1)有红色固体生成。
(2)产生使澄清石灰水变浑浊的气体。
高温CO2+C＝＝＝＝＝＝＝2C0三、化学反应中放热或吸热现象转化热能──→电能(如火力发电)、动能(如蒸气机)等四、小结：碳与氢的化学性质比较。
碳氢气常温下化学性质稳定化学性质稳定可燃性点燃C + O2＝＝＝＝＝＝＝＝C02(O2充足)点燃2C + O2＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝2C0(O2不充足)点燃2H2 + O2＝＝＝＝＝＝＝＝2H2O还原性高温C + CO2＝＝＝＝＝＝＝＝2C0高温C +2CuO＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝2Cu+C02 ↑点燃H2 + CuO＝＝＝＝＝＝＝＝2H20碳的化学性质教案 2（1614字）碳的化学性质之三教学目的知识：使学生初步掌握碳的化学性质——稳定性、可燃性、还原性，碳的化学性质之三。
能力：进一步培养学生的观察能力和思维能力。
思想教育：通过碳与氧在不同条件下反应的产物不同，渗透物质所发生的化学反应既决定于物质本身的性质，又决定于反应条件的学习方法的指导。
重点难点碳的可燃性和还原性；碳与氧化铜、二氧化碳发生的氧化、还原反应，以及分析。
教学方法实验探讨法。
教学用品仪器：大试管、铁架台、酒精灯、带导管的单孔塞、烧杯。
药品：炭粉、氧化铜、澄清石灰水。
教学过程附1：课堂练习一1.碳原子的核电荷数是__，核外电子总数是__，最外层电子数是__。
2.常温下，碳的化学性质__，随着温度的升高，碳的活动性__，化学教案《碳的化学性质之三》。
3.碳燃烧可以生成两种氧化物，__和__，其中碳元素的化合价分别为__和__。
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。
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σ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℃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。
炭质材料及其基本特征
炭质材料及其基本特征炭质材料在保护渣中起着骨架的作用，对控制保护渣熔速、保持保护渣在使用中液渣层的厚度，决定保护渣熔化结构模型、调控未熔渣层的传热保温等有着决定性的影响。
目前国内外连铸保护渣多采用高碳石墨、炭黑以及少量的焦炭。
对于一些特殊用保护渣，其骨架材料也有采用BN等非碳质材料的情况。
1.石墨：包括鳞片石墨、土状石墨、电极石墨等。
其建构为粗大片状。
其中鳞片石墨呈典型的六方晶系层状结构，层间易滑移，其可磨性较其它石墨难，应用中应注意粉磨；2.炭黑：炭决非偶然是由许多烃类物质（固态、液态、或气态）经不完全燃烧或裂解生成的。
它主要由碳元分析组成，其微晶具有准石墨结构，其粒子是近乎球形的胶体粒子，并大都熔结成聚集体，因此，炭黑的一个突出特点即是分散困难。
炭黑的种类很多，有按制造方法分类的，如：槽法炭黑、炉法炭黑；有按用途和使用特点分类的，如：橡胶用炭黑、色素炭黑、导电炭黑等。
现正式纳入我国国家标准的炭黑品种有橡胶用炭黑、色素炭黑和乙炔炭黑三类。
保护渣用炭黑基本上是按橡胶用炭黑的标准来选用的。
炭黑的三大基本特性是粒径、结构和表面的物理化学性能。
几种常用炭黑的性质列于下表常用炭黑的性能不同的炭质材料在保护渣中的作用效果是不一样的。
表列出了炭黑和石墨在几个方面的作用能力比较。
选择炭黑及其配加量应根据配渣要求来确定。
主要要考虑连铸操作条件、钢种等因素。
炭黑、石墨在保护渣中作用效果比较添加剂的作用与选择为了提高颗粒渣的颗粒强度、增加粉未的成粒能力、提高研磨保护渣的生产效率，保护渣（及其半成品料浆、渣泥）中都要加入一些添加剂，以保护渣生产的顺行。
常用的添加剂主要有结合剂、分散剂、缓凝剂、泵送剂、助磨剂等。
结合剂又称粘结剂，是在保护渣成形工艺中（如园盘造粒、挤压造粒、喷雾造粒），将保护渣粉未粘结在一起，并使其产生一定强度的物质。
按其化学性质可分为两类，即无机结合剂和有机结合剂无机结合剂：硅酸钙水泥、水玻璃和粘土等结合剂天然有机物：淀粉、糊精、纤维素有机结合剂纸浆废液等合成有机物：聚乙稀醇等结合剂的结合剂机理：■水化结合：如水泥■化学结合（反应结合）：水玻璃■附着（粘附）结合：纤维素、纸浆废液等■凝聚结合■缩聚结合一促结合剂有其特定的结合机理，但有时也会有几种机理同时存在，只是主次有别而以。
碳材料科学ppt课件
15
炭纤维 纳米管/树脂复合材料
炭微球 C/C复合材料
16
金属填充富勒烯
17
金刚石
金刚石薄膜
18
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
英国Sussex 大学 H. W. Kroto
—金属颗粒和金属线
2、碳纳米洋葱（实心和空心）
3、纳米碳管、石墨烯及其树脂基复 合材料
新型能源炭材料
4、介孔碳材料（有序，气凝胶）
1、Li+电池负极材料炭材料的设计
—炭基材料（天然石墨、树脂炭、碳管、石墨烯等）
2、大功率充放动力型锂电池电极材料 —纳米碳/金属复合材料
3、超级电容器电极材料
3
炭 微 球
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
要求： 1、有事请假； 2、课上认真听讲； 3、课上认真作笔记，课下找相关参考书复习； 3、不明白的地方一定设法弄明白。
报告题目：We and Carbon 11
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
20nm
HREM images of carbon encapsulated iron nanorods from YD heated at 480 ℃ in the presence of ferrocene content of 40.0 wt. %
无机非金属材料新型炭材料---教学大纲
无机非金属材料新型炭材料---教学大纲《新型炭材料》课程教学大纲课程代码：050542007课程英文名称：New carbon materials课程总学时：24讲课：24 实验：0 上机：0适用专业：粉体材料科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.3一、大纲使用说明:（一）课程地位及教学目标（1）课程的地位本课程是粉体材料工程专业的专业课，选修课。
（2）教学目标掌握典型的新型炭材料如，高性能碳（石墨）纤维、气相生长碳纤维及纳米碳管、富勒烯、中间相炭微球、活性炭纤维、碳分子筛、碳合金、碳纤维树脂基复合材料、碳/碳复合材料。
（二）知识、能力、技能方面的基本要求（1）知识方面的基本要求掌握碳的存在形式及生成，碳的结构，碳的各种性质；掌握高性能碳（石墨）纤维，气相生长碳纤维及纳米碳管，富勒烯，中间相炭微球，活性炭纤维，碳分子筛，碳合金，碳纤维树脂基复合材料，碳/碳复合材料等发展概况、分类、结构性能、制备方法、研究水平和应用前景。
（2）能力方面的基本要求要求学生掌握新型碳材料基本理论、基本知识和基本技能，具备运用这些知识的能力，（3）技能方面的基本要求具备研究、开发、应用新型碳材料的必要的基础知识和基本技能。
（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性。
讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。
2．教学手段：由于本课程实践性较强，因此在教学过程中除了强调基本理论和基础知识，还注重基本理论和基本知识在新型碳材料领域的应用。
通过实践教学加强对基础知识与基本理论的理解和应用。
（四）对先修课的要求在讲授本课前，学生应修完材料性能学、炭素工艺学、炭素生产设备原理及应用等专业课程。
（五）对习题课、实验环节的要求1．对重点、难点章节安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。
碳材料科学ppt课件
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
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。
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σ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℃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。
《碳的化学性质》教案及说课稿
《碳的化学性质》教案及说课稿教学目标：1. 让学生了解碳的基本化学性质，如可燃性、还原性和稳定性。
2. 使学生掌握碳单质之间的转化以及碳与其他元素化合的规律。
3. 培养学生的实验操作能力和观察能力，提高学生的科学思维能力。
教学内容：1. 碳的基本化学性质2. 碳单质之间的转化3. 碳与其他元素的化合物4. 碳的化学反应原理5. 碳化合物在生活中的应用教学重点与难点：重点：1. 碳的基本化学性质2. 碳单质之间的转化3. 碳与其他元素的化合物难点：1. 碳的化学反应原理2. 实验操作和观察能力的培养教学准备：1. 实验室用具：烧杯、试管、酒精灯、镊子、滴定管等。
2. 实验试剂：石墨、木炭、氧气、氢气、硫酸、硝酸等。
3. 课件和教学素材。
教学过程：第一章：碳的基本化学性质1.1 导入：通过展示碳的单质形态（石墨和木炭），引发学生对碳的兴趣。
1.2 讲解：介绍碳的可燃性、还原性和稳定性。
1.3 互动：学生分组讨论，举例说明碳的基本化学性质。
1.4 实验：学生分组进行实验，观察碳的燃烧、还原和氧化反应。
1.5 总结：概括碳的基本化学性质，引导学生思考碳在化学反应中的作用。
第二章：碳单质之间的转化2.1 导入：通过展示碳单质之间的转化过程，引导学生关注碳的化学性质。
2.2 讲解：介绍碳单质之间的转化规律，如石墨转化为金刚石。
2.3 互动：学生分组讨论，举例说明碳单质之间的转化过程。
2.4 实验：学生分组进行实验，观察碳单质之间的转化现象。
2.5 总结：概括碳单质之间的转化规律，引导学生思考碳单质在工业应用中的重要性。
第三章：碳与其他元素的化合物3.1 导入：通过展示碳与其他元素化合的产物，引导学生关注碳的化学性质。
3.2 讲解：介绍碳与其他元素化合的规律，如碳与氧、氢、硫等元素的化合物。
3.3 互动：学生分组讨论，举例说明碳与其他元素的化合物。
3.4 实验：学生分组进行实验，观察碳与其他元素化合物的反应现象。
碳材料基础资料
1
为什么金刚石不导电而石墨导电？
导不导电取决于有没有能够在整个分子中自由 运动的电子。
石墨的晶体结构是层状的，包 含很多层石墨分子片层。在每 个片层中，碳原子呈SP2轨道 杂化，与周围的三个碳原子形 成三个互成120°角的σ键（电子 云沿纵向轴相互重叠），这样 的化学键中的电子是“束缚” 的，只能在两个原子核周围活 动。
2． 碳的结构：石墨
根据其结构，可推断出其具有以下性质： • 各向异性； •层面间相对易滑动，可生成层间化合物； •不熔融性及化学稳定性； • 导电性
结 构 决 定 性 质
2． 碳的结构：石墨
例：富勒烯和纳米碳管
笼状32面体，五边形环为单键，键长约为0.145nm，两个六边形
环的公共边则为双键，键长为0.138nm，共有30个双键；每个五
很容易看出哪个具有金刚光泽。此方法不宜在过暗或过强的灯光下是
进行。
37
2021/6/15
类金刚石：
类金刚石(diamond like carbon，简称为DIC)薄 膜是一种含有一定量金刚石键(sp3)的非晶碳的亚稳 类型的薄膜，它是一类性质近似于金刚石，具有高 硬度.高电阻率.良好光学性能等，同时又具有自身 独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。
2021/6/15
1
可以看出每个碳原子 的电子轨道呈现出 SP3杂化，也就是说 碳原子的所有外层孤 电子都参与形成了σ键 ，没有多余的孤电子 来形成π键，就更遑论 大π键了，所有的电子 都被束缚着，没有自 由电子，电阻自然就 很大了。
2021/6/15
键长0.1554nm 键角为109º28´
1
边形与6个六边形共边，而六边形则将5个五边形彼此隔开。
7、金刚石和类金刚石
碳材料概述PPT讲稿
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。
❖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 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。
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
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。
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不 容
受 日
常 温
画 为
易光下 什
起 变 化 。
照 射 或 与 空 气
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3.2 抗磁性和磁化率
炭材料属于抗磁物质，磁化率为负值。 （1）抗磁性磁化率的各向异性和平均抗磁 性磁化率 单晶石墨的抗磁性磁化率
χ χ
-6emu/g =-21.5x10 ⊥ -6emu/g =-0.5x10 ∥
(2)抗磁性磁化率与石墨化度的关系
-10
-8
Xm (x10 emu/g)
-6
-6
-4
测量方向
垂直于晶粒方向 83.7 （C 方向）
52 平行于晶粒方向 272 （A 方向） 240 400
228 384 410
（1）石墨的热传导特点
具有明显各向异性，其值与材料的石墨化度及 测量温度等密切相关，石墨热导率是由其基本 结构决定的固有特征。
影响因素： 1）原料的基本性质； 2）制造的工艺过程； 3）热处理温度； 4）表观密度，孔隙分布等。
Q Ct T T
1mol物质的热容称为比热容（J/mol.K） 室温8.36J/molk, 2000K 25.08J/molK 3500K, 31.27J/molK
三、炭材料的电磁性质
3.1 导电性和电阻率 （1）导电的特点 A、电阻率具有明显的各向异性；
（2）石墨的导热机理
固体材料内导热有两种：自由电子流动和晶格
原子热振动
德拜理论（声子热传导理论）：
λ =ACLυ 其中λ 热导率 A—几何因子（对各向同性晶体A=1/3） C—比热容（单位体积的热容） L—声子（晶格波）自由程平均长度 υ —声子的传播速度
（3）石墨导热的各向异性
υ a=1.23x104ms-1 υ c=3.9x103ms-1
（4）热导率与石墨化度的关系
热导率随石墨化度提高而增大，石墨化前仅为石墨 化后热导率的1/20到1/30
（5）热导率与宏观组织的关系
随体积密度的增大而增大，随气孔率增大而减小 1- λ /λ0=KP
式中， λ —被测物质的热导率，w/m.k λ 0—真密度为2.26g/cm3的石墨的热导率，w/m.k P—被测材料的气孔率，%
（1）炭材料的热膨胀的特点 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 Δ αl
温度 t (℃) Δα l (10-7/K) 200 2.0 300 400 500 600 4.0 6.0 7.7 9.2 700 10.4 800 11.4 900 12.3 1000 1500 2000 2500 13.2 17.2 21.2 25.2
（3）、抗热震性指标与耐冲击参数
P R l E C db
1/ 2
P R' l E
J/m· s
式中，R—抗热震性指标 R ’—耐热冲击参数 P—抗拉强度 αl—线膨胀系数 E—模量 λ—热导率 C—热容 db—体积密度
一些材料的耐冲击参数
Diameter (m) 12.5 14.5 12.5 14.5 10 10 10 10 10 10
Graphite Crystal
Single
Diamond
Density (g/cm3) 1.65 1.65 1.57 1.57 2.1 2.1 2.15 2.18 ----2.26 3.52
TS (GPa) 0.790 0.720 0.690 0.590 1.90 2.10 2.20 2.20 2.10 2.10 21
按照力学性能分类
通用级（GP）； 高性能（HP）： 中强型（MT）； 高强型（HT）； 超高强型（UHT）； 中模型（IM）； 高模型（HM）； 超高模型（UHM）
CF制备的工艺流程
2) 炭纤维的力学性能
Designation Toraca (Toray 日东丽) Type Grade C C C G G G G C C C C G C C C G C C C G T300 T800H T1000 M40 M40J M46J M50 Besfight HTA (ToHo Rayon 日 ST3 IM400 东邦人造丝) IM500 HM45 Pyrofil T-1 (MitsubishiRay T-2 on 日三菱人造 M-1 丝) HM-4 Magnamite AS-1 (Sumika AS-6 Hercules 美) IM-7 HMU
2.1抗热震性（热稳定性）
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 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。
材料 石 墨 R'/ 陶瓷 碳 化 重晶石 钛 2.72 氧化铍 氧化镁 氧化锆
2.4x 2.01x 1.44x 5.07x10 5.06x10 5-15 102
10-3J/m.s 104 102
2.2 导热性
常温下石墨的热导率与金属的对比
石墨λ （w/m.k） 金属λ （w/m.k） 硫铜 铝 铜 银 天然 人造的性能
Diameter (mm，6K) 70 50 50 65 50 50 50 70 70 65 50 65 70 70 70 67 75 55 55 70 Density (g/cm3) 1.76 1.81 1.82 1.81 1.77 1.84 1.91 1.77 1.77 1.75 1.76 1.90 1.79 1.81 1.78 1.88 1.80 1.83 1.79 1.84 TS (GPa) 3.53 5.59 7.06 2.77 4.40 4.20 2.45 3.63 4.32 4.12 4.80 2.15 3.53 4.90 3.43 2.94 3.10 4.14 5.42 2.76 YM (GPa) 235 295 295 390 380 440 490 235 235 295 300 400 235 245 295 440 230 240 275 380 UE (%) 1.5 1.9 2.4 0.6 1.2 1.0 0.5 1.4 1.7 1.8 1.6 0.5 1.5 2.0 1.7 0.7 1.3 1.7 1.85 0.7
电阻率ρ （Ω .mm2/m） 天然鳞片石墨 热解石墨 A 轴方向 0.99-1 0.6 异向比 （ρ c/ρ a）
C 轴方向 104 104 5x103
0.8x104
Grapheen CNTs
●
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。
CO + H2O → CO2 + H2 Δ H=-9.65 Kcal/克分子 c.C + 2H2 → CH4 Δ H=-17.87 Kcal/克分子 ≥1000℃ d. C + 2F2 → CF4 常温反应 自燃
1.2 与液态酸、盐的反应
1.3 固-固反应
形成碳化物的反应
元素 Al B Be Co Fe Li Mg Ni 反应温度（℃） 800 1600 900 218 1550 500 1100 1310 反应产物 Al4C3 1400℃反应剧烈 B4C （通常生成温度 2400℃） Be2C (在真空或氦气中) Co3C(亚稳定) Fe3C LiC2 接近镁的熔点时无反应 没有稳定的碳化物生成 Co2C(不稳定)
1.4 降低化学反应的途径
*
降低开口气孔率，阻止气体向炭表面的 扩散； * 提高炭的晶体度，降低反应可能发生的 活性点； * 驱除可起催化作用的异物； * 表面引入原子或基团降低炭的反应性 （又叫负催化剂，磷、卤素、硼等）； * 表面涂以玻璃层，形成气体向炭扩散的 阻挡层。
二、 炭材料的热性能
2731
2870 3827±100
3）ⅣB-ⅦB族（Ti,Cr,Mn为代表，d层2-5电子），与 碳共价形成碳化物。
与氧化物的还原反应
氧化物 B2O3 SiO2 MgO V2O5 Al2O3 BeO 还原温度（℃） 1200 1250 1350 650 1280 960 反应产物 B + CO Si + CO Mg +CO V +CO Al4C3 Be2C
沥青基CF的性能
Designati on Kureha Chemicals Brochure
（日吴羽）
Type T101F T101S T201F T201S P-55S P-75S P-100 P-120 P-130 P-140
Grade C C G G G G G G G G
Amoco （美）
过渡金属与碳的反应分三类：
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；
金属
Fe
熔点℃
1535
沸点℃
2750
碳的溶解度 /% >4.3 >2.2
>2.9 >1.45
Ni
Co Pt
1455
1495 1772
YM (GPa) 33 32 33 30 380 520 724 827 897 966 1000 1150
UE (%) 2.4 2.2 2.1 2.1 0.5 0.4 0.31 0.27 0.23 0.22
UE: ultimate elongation
粘胶基CF的制备
纤维素
NaOH
一些无机材料的弹性模量