第一讲-碳材料剖析
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• 金刚石的外观无色透明，通常因所含杂质元素的不同而 呈淡黄色、天兰色、兰色或红色，有强烈的光泽。它的 晶体外观十分规整。
• 金刚石在所有物质中是最硬的，可用于制造钻头等。金 刚石的炭原子所有的价电子彼此互相共享完全形成共价 键而无自由电子，所以它几乎不导电，导热性能也很差， 但他的析光率很高，经琢磨可制成钻石。现在金刚石已 能人工制造，但多为0.1～1毫米的小颗粒级。
石墨稀 石墨
碳纳米管
富勒稀
金刚石
——碳元素构成材料的特点
• 几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全 透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。
为 什 么 ？
• 独特的电子结构原因。碳元素是六号元素，其原子最外层有四个价电子，C原子除 了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁 键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。
• 自然界中的炭，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经热解反应的生成物。
（热解的概念泛指有机化合物在受热时所发生的分解或分解的重合而生成最终 产物的过程 ）
• 炭素原料的来源非常广泛。（如：煤、石油、植物等）
煤含碳为60～90％，
木材含碳约50％，
石油含碳为80～90％，
天然石墨含碳近100％
含C、H、O、N、S等
• 2）炭素材料学发展简史：
19世纪：伴随着炭素制品的大规模生产的需要而逐步形成。
20世纪：各种炭素新材料不断涌现，用途越来越广泛，品种越来越多，炭素制 品的工业规模也相应扩大，逐渐形成一个独立的工业部门。
1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念
• 3）炭素材料定义：
• 有机物（不管是气体、液体还是固体）只要在隔绝氧的条件下，在有热的作用下，就可以 从烃类化合物中生成炭。
• 炭化将使碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它元素通过受热分解被排除逸出。表1-l列 出了各种有机物炭化生成的炭。
1.2.3 炭的存在形式
• 物质世界是由一百多种元素，以不同形态和不同化合物、混合物或单质组成。 • 在自然界里，单质碳有三种常见的变体：金刚石、石墨及无定形炭。
• 热解石墨材料：具有高 度的各向异性，它沿层 面的导热率与铜相似， 垂直于层面的绝热性与 陶瓷相似，同时有较强 的抗氧化、抗侵蚀、耐 磨等性能。可以应用在 提炼高纯金属，电子工 业及现代科学上的特殊 材料。
富勒碳化物 是用于电容 器、装甲附 甲和武器系 统中的一种 超导材料。
1.2.2 炭的生成过程
主要内容
新型碳材料
碳材料基础 石墨及其衍生物
1
2020/10/8
概述
炭素材料学 相关概念
碳与炭的 区别
炭素（原）材 料物化性质
炭素制品的 特征及分类
炭素材料学 定义
自然界中的碳
物理性质
炭素制品的 主要特征
炭素材料学 发展简史
炭的生成过程
化学性质
炭素制品的 分类
何谓炭素材料
炭的存在形式
炭素材料的基 础晶型态物质
就是以碳元素为主体构成的材料。
• 4）炭素材料的三大常用基础晶 型态物质：
过渡态炭 （无定型炭）
（焦煤）炭、 炭黑、玻璃炭
金刚石
炭素材料 常用晶型
石墨
1.2 关于碳与炭
1.2.1 自然界中的碳
自然界分布很广 ，是 地球上形成化合物最 多的元素
原子量为12.01， 原子序数为6， 元素符号为C， 电子分布状态为： 1S22S22P2。
有机物的混合体
石油、煤一般认为是在亿万年以前被埋入地层下的动物和植物，在隔绝空气、受 地球热和地层高压等条件下转化的结果。这类物质，仍然为碳氢化合物，但已经 有所炭化。而无烟煤可以看作是近乎炭化后期的产物。同理，天然石墨可以认为 已完全炭化，并且已经达到了石墨的程度。
1.2.2 炭的生成过程（续）
——全吸光、绝热和超导炭素材料
美国赖斯大学的科学家制 造出了世界上最黑的材料。 他们用碳纳米管织出了一 片毯子，仅反射0.045%的 光线，这大约是以前纪录 的四分之一。该材料比漆 成黑色的雪佛兰Corvette 跑车要黑100倍。此前最 黑的材料是伦敦科学家制 造的一种镍磷合金，大约 反射0.16%的光线。
天然石墨矿
天然金刚石矿
——碳在自然界中存在的形式
石油
（碳氢化合物）
天然气
（碳氢化合物）
——碳在自然界中存在的形式
动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素
——碳元素的特点
• 碳元素的最大特点之一：存在着众多同素异形体。如人们熟悉的金刚石和石墨，前些年发现的卡宾（碳 宾、碳烯 ），以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等以及最新发现的石墨烯(Graphene)。
• 自然界中碳的资源以两种类型存在，
一种是循环性资源，即由植物和动物 所代表的生物和CO2；另一种是循环 速度很慢，但数量极大的堆积物，如 碳酸盐矿物和有机质堆积物。
——碳在自然界中存在的形式
在水和大气中主要以CO2、碳酸和碳酸盐的形式存在
——碳在自然界中存在的形式
碳酸盐
煤
——碳在自然界中存在的形式
——人造金刚源自文库的制备
1、千巴：压力单位，1千巴等于987大气压。 2、金属触媒：石墨转化为金刚石的触媒可分为平制触媒和全金触媒两种。 目前所用的单质触媒是元素周期表中第Ⅷ族元素和Mn、Ta、CY合金触媒； Ni—CY；Ni—Fe；Ni—Mn；Fe一Ai；Ni—Co；Ni—CY—Fe； Ni—CY—Mn；Co一Cu—Mn等。
1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念
• 1）炭素材料学定义：
研究炭素原料和炭素制品的组织结构、 性质、生产工艺和使用能效，以及它们之间 的关系的学科。
原因：①导电材料和 耐腐蚀的结构材料； ②炭素材料的特殊性 能（首先被选中作为 炼铁炉的内衬及电冶
炼的导电材料）
• 三种碳的同素异构体结构和性质
1.2.3 炭的存在形式——金刚石
• 结构：碳原子之间以sp3方式键合，每一个碳 原子与相邻的4个碳原子相连，即碳原子的配 位数为4。每一个碳原子处于一个四面体的中 心，与之相邻的碳原子则处于四面体的是个 顶点之上。金刚石有天然和人造两类，从晶 体结构看，有四方晶和六方晶之分。
• 金刚石在所有物质中是最硬的，可用于制造钻头等。金 刚石的炭原子所有的价电子彼此互相共享完全形成共价 键而无自由电子，所以它几乎不导电，导热性能也很差， 但他的析光率很高，经琢磨可制成钻石。现在金刚石已 能人工制造，但多为0.1～1毫米的小颗粒级。
石墨稀 石墨
碳纳米管
富勒稀
金刚石
——碳元素构成材料的特点
• 几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全 透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。
为 什 么 ？
• 独特的电子结构原因。碳元素是六号元素，其原子最外层有四个价电子，C原子除 了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁 键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。
• 自然界中的炭，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经热解反应的生成物。
（热解的概念泛指有机化合物在受热时所发生的分解或分解的重合而生成最终 产物的过程 ）
• 炭素原料的来源非常广泛。（如：煤、石油、植物等）
煤含碳为60～90％，
木材含碳约50％，
石油含碳为80～90％，
天然石墨含碳近100％
含C、H、O、N、S等
• 2）炭素材料学发展简史：
19世纪：伴随着炭素制品的大规模生产的需要而逐步形成。
20世纪：各种炭素新材料不断涌现，用途越来越广泛，品种越来越多，炭素制 品的工业规模也相应扩大，逐渐形成一个独立的工业部门。
1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念
• 3）炭素材料定义：
• 有机物（不管是气体、液体还是固体）只要在隔绝氧的条件下，在有热的作用下，就可以 从烃类化合物中生成炭。
• 炭化将使碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它元素通过受热分解被排除逸出。表1-l列 出了各种有机物炭化生成的炭。
1.2.3 炭的存在形式
• 物质世界是由一百多种元素，以不同形态和不同化合物、混合物或单质组成。 • 在自然界里，单质碳有三种常见的变体：金刚石、石墨及无定形炭。
• 热解石墨材料：具有高 度的各向异性，它沿层 面的导热率与铜相似， 垂直于层面的绝热性与 陶瓷相似，同时有较强 的抗氧化、抗侵蚀、耐 磨等性能。可以应用在 提炼高纯金属，电子工 业及现代科学上的特殊 材料。
富勒碳化物 是用于电容 器、装甲附 甲和武器系 统中的一种 超导材料。
1.2.2 炭的生成过程
主要内容
新型碳材料
碳材料基础 石墨及其衍生物
1
2020/10/8
概述
炭素材料学 相关概念
碳与炭的 区别
炭素（原）材 料物化性质
炭素制品的 特征及分类
炭素材料学 定义
自然界中的碳
物理性质
炭素制品的 主要特征
炭素材料学 发展简史
炭的生成过程
化学性质
炭素制品的 分类
何谓炭素材料
炭的存在形式
炭素材料的基 础晶型态物质
就是以碳元素为主体构成的材料。
• 4）炭素材料的三大常用基础晶 型态物质：
过渡态炭 （无定型炭）
（焦煤）炭、 炭黑、玻璃炭
金刚石
炭素材料 常用晶型
石墨
1.2 关于碳与炭
1.2.1 自然界中的碳
自然界分布很广 ，是 地球上形成化合物最 多的元素
原子量为12.01， 原子序数为6， 元素符号为C， 电子分布状态为： 1S22S22P2。
有机物的混合体
石油、煤一般认为是在亿万年以前被埋入地层下的动物和植物，在隔绝空气、受 地球热和地层高压等条件下转化的结果。这类物质，仍然为碳氢化合物，但已经 有所炭化。而无烟煤可以看作是近乎炭化后期的产物。同理，天然石墨可以认为 已完全炭化，并且已经达到了石墨的程度。
1.2.2 炭的生成过程（续）
——全吸光、绝热和超导炭素材料
美国赖斯大学的科学家制 造出了世界上最黑的材料。 他们用碳纳米管织出了一 片毯子，仅反射0.045%的 光线，这大约是以前纪录 的四分之一。该材料比漆 成黑色的雪佛兰Corvette 跑车要黑100倍。此前最 黑的材料是伦敦科学家制 造的一种镍磷合金，大约 反射0.16%的光线。
天然石墨矿
天然金刚石矿
——碳在自然界中存在的形式
石油
（碳氢化合物）
天然气
（碳氢化合物）
——碳在自然界中存在的形式
动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素
——碳元素的特点
• 碳元素的最大特点之一：存在着众多同素异形体。如人们熟悉的金刚石和石墨，前些年发现的卡宾（碳 宾、碳烯 ），以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等以及最新发现的石墨烯(Graphene)。
• 自然界中碳的资源以两种类型存在，
一种是循环性资源，即由植物和动物 所代表的生物和CO2；另一种是循环 速度很慢，但数量极大的堆积物，如 碳酸盐矿物和有机质堆积物。
——碳在自然界中存在的形式
在水和大气中主要以CO2、碳酸和碳酸盐的形式存在
——碳在自然界中存在的形式
碳酸盐
煤
——碳在自然界中存在的形式
——人造金刚源自文库的制备
1、千巴：压力单位，1千巴等于987大气压。 2、金属触媒：石墨转化为金刚石的触媒可分为平制触媒和全金触媒两种。 目前所用的单质触媒是元素周期表中第Ⅷ族元素和Mn、Ta、CY合金触媒； Ni—CY；Ni—Fe；Ni—Mn；Fe一Ai；Ni—Co；Ni—CY—Fe； Ni—CY—Mn；Co一Cu—Mn等。
1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念
• 1）炭素材料学定义：
研究炭素原料和炭素制品的组织结构、 性质、生产工艺和使用能效，以及它们之间 的关系的学科。
原因：①导电材料和 耐腐蚀的结构材料； ②炭素材料的特殊性 能（首先被选中作为 炼铁炉的内衬及电冶
炼的导电材料）
• 三种碳的同素异构体结构和性质
1.2.3 炭的存在形式——金刚石
• 结构：碳原子之间以sp3方式键合，每一个碳 原子与相邻的4个碳原子相连，即碳原子的配 位数为4。每一个碳原子处于一个四面体的中 心，与之相邻的碳原子则处于四面体的是个 顶点之上。金刚石有天然和人造两类，从晶 体结构看，有四方晶和六方晶之分。