碳材料基础.讲述

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。
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但是碳原子拥有一个S孤 电子和3个P孤电子，形成 SP2杂化之后，还有一个 P轨道没有参与杂化，P轨 道是一个接近于哑铃型的 电子轨道，它垂直于之前 SP2杂化轨道构成的平面 ，而这个P轨道就可以和 周围的碳原子的P轨道形 成肩并肩形成π键。
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一、碳的存在
1、煤炭
应用：液化 煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。把煤与适当 的溶剂混合后，在高温、高压下（有时还使用催化剂）， 使煤与氢气作用生成液体燃料。这是把煤直接液化的一种 方法。煤还可以进行间接液化。就是先把煤气化成一氧化 碳和氢气，然后再经过催化合成，得到液体燃料。例如， 煤气化后得到的一氧化碳和氢气，可以用来合成甲醇。甲 醇可以直接用作液体燃料。将甲醇掺到汽油中可以代替一 部分汽油，作为内燃机的燃料。甲醇还可以进一步加工成 高级汽油。
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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
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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 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。
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一、碳的存在
7、金刚石和类金刚石
金刚石性质及鉴别：
1、钻石的单折光性 钻石的单折光性，是由于钻石的本质特性决定的。而其它天然宝 石或人造宝石大都是双折光性的。冒充的钻石在10倍放大镜观察下， 从正面稍斜的角度看，很容易看出棱角线出现重叠影像，并同时呈现
出两个底光。
2、钻石的吸附性 钻石对油脂及污垢有一定的亲和力，即油污很容易被钻石吸附。
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一、碳的存在
1、煤炭
应用：液化
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2004年9月13日，在内蒙伊金霍洛旗建 设的神华煤直接液化项目
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一、碳的存在
2、焦炭 生产电石产生的矿渣（最初定义） 含碳物质高温裂解后产生的矿渣（广义的定义）
硬 炭（原料为含异质元素的纤维素） 按原料分 软 炭（原料为有机芳香化合物或亚稳态沥青）
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一、碳的存在
2、焦炭
按用途分
焦炭通常按用途分为冶金焦（包括高炉焦、铸造 焦和铁合金焦等）、气化焦和电石用焦等。
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一、碳的存在
2、焦炭 用途 冶金 气化 电石 人造石墨
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一、碳的存在
2、焦炭 用途 冶金
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一、碳的存在
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一、碳的存在
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一、碳的存在
7、金刚石和类金刚石
金刚石用途： 1：当人服食下金刚石粉末后，金刚石粉末会粘在胃壁上， 在长期的摩擦中，会让人得胃溃疡，不及时治疗会死于胃
出血，是种难以让人提防的慢性毒剂。
2：磨具 3: 割具
4：饰品
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二、碳的结构
1、金刚石
2、石墨 3、富勒烯和纳米碳管 4、其他结构
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2． 碳的结构

碳位于化学元素周期表的
第6位，电子轨道结构为
1s22s22p2。

外层电子2s22p2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。
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5、碳纤维
5、碳纤维
一、碳的存在
5、碳纤维
碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的 大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐 高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学
和力学性能的新型材料。
气相生长碳纤维、有机纤维法合成碳纤维
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一、碳的存在
• 密度最大，理论密度为3.541g/cm3；
•硬度最高，莫氏硬度为10； •熔点高； •折射率高； •电绝缘体； 结 构 决 定 性 质
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2． 碳的结构：石墨
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2． 碳的结构：石墨

例：石墨
键长＝0.142nm

晶体通常可以分为七个不
同的晶系，即等轴（立方 ）晶系、六角（六方）晶 系、四方（正方）晶系、 三角（三方、菱方）晶系
因此，用手指抚摸钻石会感到胶粘性，手指似乎有粘糊的感觉。这是
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任何宝石所没有的。这种方法需要加以训练方能掌握其中微妙的区别。 2018/1/30
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7、金刚石和类金刚石
金刚石性质及鉴别：
3、一线直落的特征 钻石表面抛光很光滑。用一支钢笔蘸上墨水在钻石上划过，若是 真钻石，表面留下的是一条光滑连续的线条，特征是一线直落。仿冒 品留下的是一个个小圆点组成的线条。用此法观察应借助放大镜。
不再是“炱”那么简单,它是“气态或液态的碳氢化合物在空气不足
的条件下进行不完全燃烧或热裂分解所生成的无定形碳,为疏松、质 轻而极细的黑色粉末”。
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3、炭黑
最好的黑色颜料、几乎是最廉价的颜料、 着色力及遮 盖力最强的颜料、视觉感官上呈中性、 最稳定的颜料、耐 热、耐化学腐蚀、耐光。 炭黑是仅次于钛白粉的重要颜料，全世界年消耗橡胶 碳黑约六百万吨，着色和其他用途等特殊碳黑约为二十五 万吨。
Βιβλιοθήκη Baidu38
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一、碳的存在
8、富勒烯和纳米碳管
富勒烯（Fullerene) 是一种碳的同素异 形体。任何由碳一种元素组成，以球状， 椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以 被叫做富勒烯。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。
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2、焦炭 用途 人造石墨
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3、炭黑
据记载,中国是世界上最早生产炭黑的国家之一。在古时候,人们 焚烧动植物油、松树枝,收集火烟凝成的黑灰,用来调制墨和黑色颜料。 这种被称之为“炱”的黑灰就是最早的炭黑。 1821 年人们在北美地区首次用天然气为原料生产炭黑,从此炭黑
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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。
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键长0.1554nm 键角为109º 28´
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一般而言，π键的电子也是束缚的，但是由 于所有的碳原子都和周围的碳原子形成了π键， 这些π键彼此接近，就会出现一个共轭效应，也 就是说电子可以不被拘束在一个π键里面，而是 可以在整个互相共轭的π电子云系统当中活动（ 电子的离域），化学上把这种类型的π键叫做大 π键（∏键），而整个石墨分子平面就构成了一 个非常庞大的大π键系统，其中的电子可以自由 穿梭，在电场作用下，电子可以在其中长距离 定向移动，宏观上就表现为电阻很小。
、斜方（正交）晶系、单
斜晶系、三斜晶系。
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2． 碳的结构：石墨
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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
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东北，四川也有煤炭资源。
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一、碳的存在
1、煤炭
应用： 直接做燃料
火力发电
干馏
气化
焦化厂
液化
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一、碳的存在
1、煤炭
应用：直接做燃料
火力发电
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一、碳的存在
1、煤炭
应用：干馏 是煤化工的重要过程之一，指煤在隔绝空气条件下加 热、分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气等 产物的过程。按加热终温的不同,可分为三种：900～ 1100℃为高温干馏，即焦化；700～900℃为中温干馏； 500～600℃为低温干馏。
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一、碳的存在
1、煤炭
应用：干馏
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一、碳的存在
1、煤炭
应用：气化
煤的气化过程是一个热化学过程，它是指在煤气发生炉内， 以煤或焦炭为原料，以氧气(空气、富氧获纯氧)、水蒸气或氢 气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或焦炭中的可 燃部分转化为气体燃料的过程。气化时所得的可燃气体称为气 化煤气，其有效成分主要包括一氧化碳、氢气及甲烷等。
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一、碳的存在
1、煤炭
形成：煤炭是远古植物残骸没入水中经过生物化学作 用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成的 有机生物岩。 按照含碳量的高低，可分为泥煤、褐煤及无烟煤。 分布：全世界标准煤可开采量5万亿吨 ，七位储量最大 的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非 和波兰 中国煤炭资源分布面广，除上海市外，全国各个省、 市、自治区都有不同数量的煤炭资源。山西、陕西、河南、
4、特有的金刚光泽
大致在100度的白炽灯光下，切磨很好的钻石与仿冒品相互比较， 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。
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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。 制备：物理气相沉积、化学气相沉积以及液相 法都是制备DLC 薄膜的新方法和新技术。
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一、碳的存在
4、玻璃碳
玻璃碳是在惰性气氛中，将树脂、纤维素、纤维胶加 热到1200℃以上碳化形成的一种新型碳，因其外形像玻璃 一样光亮，故称玻璃碳(glassy carbon)，简称玻碳。玻璃 碳具有气密性和导电性好、热胀系数小、质地坚硬和易于 抛光成镜面、化学惰性、具有较高的氢超电位等特点，因 此适用于做电化学和电分析用的工作电极材料。玻璃碳一 般内部存大量的封闭孔隙。2500～3000度，可消失。 无法机械加工，其形状须在加热固化前确定。
第一章 碳 材 料 基 础
主要内容
碳材料基础
碳的存在方式及生成 碳的结构 碳的性质
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新型碳材料
一、碳的存在及生成
碳元素在整个宇宙中的丰度列第6位。 碳元素地球上丰度第14位，90％以CaCO3存在。 地球上天然碳单质存在于金刚石、石墨、无 烟煤中，碳质优的少，多数的碳制品为人工合成。 碳纤维、石墨、金刚石、富勒烯、纳米碳管、 焦炭、炭黑、活性碳等。
乱层结构
2． 碳的结构：金刚石
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2． 碳的结构：金刚石
例：金刚石 键长0.1554nm 键角为109º 28´
晶胞为面心立方 晶格参数如下： N＝8 a=0.357 nm 理论密度＝3.5362g/cm3
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2． 碳的结构：金刚石
根据其结构，可推断出其具有以下性质：
6、活性碳
活性炭是一种含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙 结构发达，比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材 料，是一种常用的吸附剂、催化剂或催化剂载体。活性炭 按原料来源可分为：木质活性炭、果壳活性炭、兽骨/血活 性炭、矿物原料活性炭、合成树脂活性炭、橡胶/塑料活性 炭、再生活性炭等；活性炭按外观形态可分为：粉状、颗 粒状、不规则颗粒状、圆柱形、球形和纤维状等。活性炭 的应用极其广泛，其用途几乎涉及所有的国民经济部门和 人们日常生活，如水质净化、黄金提取、糖液脱色、药品 针剂提炼、血液净化、空气净化、人体安全防护等。 下一页
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2． 碳的结构

根据原子的轨道杂化理论，有了三种同素异构体：金刚 石，石墨与卡宾碳，它们的结构见下图。
2． 碳的结构

其它杂化方式还有：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。
2． 碳的结构
规则 碳的结构 不规则
晶体结构
金刚石结构 石墨结构 炔炭结构 富勒烯结构 易石墨化 难石墨化