新型碳材料的发展及应用

新型碳材料的发展及简介

The development trend of Several Kinds of New Carbon

Materials and Introduction

摘要碳是世界上含量及广的一种元素。碳材料在人类发展史上起着主导的行的作用，应用最为出众的一次就是第二次工业革命。现代对碳材料了的开发及几种新型的碳材料--碳纳米管、碳纤维、C60、碳素系功能材料。

关键词碳材料碳纳米管碳纤维

Abstract Carbon is an element content and worldwide.Carbon materials plays a dominant role in the history of human development,application of the most outstanding one is the second industrial revolution.Modern on carbon materials development and several kinds of new carbon materials such as C120 and carbon nanotubes,carbon fiber and carbon-related functional materials.

Key words carbon materials,carbon nanotubes,carbon fiber

1 前言

碳是世界上含量及广的一种元素。它具有多样的电子轨道特性（SP、SP2、SP3杂化），再加之SP2的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料。具有各式各样的性质。在历史的发展中传统的碳材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。而随着社会的发展人们不断地对碳元素的研究又发明了许多新型炭

材料：金刚石、碳纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、核石墨、储能型碳材料、玻璃碳，等。其中新型纳米碳材料：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯，等。

没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此多类结构和性质不同的物质，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质，如最硬--最软、绝缘体--半导体--超导体、绝热-良导热、吸光--全透光，等[1]。随着时代的变迁和科学的进步，人们不断地发现和利用碳，可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性[2]。

自1989年著名的科学杂志《Science》设置每年的“明星分子”以来，碳的两种同素异构体“金刚石”和“C60”相继于1990年和1991年连续两年获此殊荣，1996年诺贝尔化学奖又授予发现C60的三位科学家，这些事充分反映了碳元素科学的飞速发展。但是由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳元素和碳材料人有许多不为人们知晓的未开发部分[2]。

2 国际上新型炭材料的发展趋势

新材料的研究开发包括四方面内容：①新材料的创制；②移植材料的新功能及新性质的发现；③已知材料的改性；④新材料创制和评价技术的开发[3]。近几年人们在新材料的创制方面先后划时代地发明了低温气相生长金刚石、C60和纳米碳管；在材料新发现方面发现了石墨的插层性质，使锂离子充电电池得以实用化和飞速发展；在材料改性方面提高和改进了石墨电极的性能，使之在超高电流下工作，使电炉炼钢技术出现新的突破；在新材料评价技术方面也有许多进展，如

超高温超高压技术用于碳素新相的探索等。

日、美等发达国家一直对于碳材料的研究十分重视。由于碳材料突出的特性，美国将碳材料定为战略材料之一，充分利用其巨大的国防费用和航天费用，积极进行研究与开发[4~5]。日本最近几十年来在国际上率先在低温气相生长金刚石和纳米碳管[6~8]等方面取得了突破性进展。为了进一步加强这方面的研究与开发，最近几年日本政府先后实施了三个大型研究项目，即“高功能碳素系材料的研究”项目，重点研究金刚石薄膜等作为电子材料和零磨损、无油润滑材料等；“碳材料中功能性微米和纳米空间的创制”项目；“碳合金的创制”研究项目[9~11]。

3 国内新型炭材料的发展趋势

我国碳材料研究与生产起步于解放初期。在前苏联的援助下，首先建设了以生产炼钢用石墨电极为住的吉林碳素厂和以生产电工用碳制品为主的哈尔滨电碳厂。六十年来我国碳素工业从无到有，有了长足的发展。我国碳材料的研究水平从整体上来说落后于美国、前苏联、日本和欧盟等工业国家，但远超于韩国、印度、等国。在某些重要领域我国紧随美，日等发达国家之后，差距并不明显，如C/C复合材料、活性炭纤维、柔性石墨等。

我国从事碳材料研究的科研机构主要有中科院金属所、中科院山西煤化所、中科院物理所、湖南大学、清华大学、北京大学、武汉大学、中科大、西工大、武汉钢铁学院、北京化工大学、天津大学、哈工大、航天总公司西安非金属材料工艺研究所、北京材料工艺研究所

等。我国有两个与碳材料有关的全国性学术性组织—中国电工学会碳—石墨材料专业委员会和中国金属学会碳素材料学会。

4 当前国际几个有关碳素的热点领域

目前，国际上有几个热点领域—碳纳米管、碳素功能材料、碳纤维、柔性石墨、C/C复合材料和二维石墨烯等。

4.1 碳纤维的探索与研究

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。它比重不到钢的1/4，但强度却非常强。而且其耐蚀性出类拔萃，是新一代增强纤维。碳纤维广泛用于民用、军用、建筑、航天以及超级跑车领域。

碳纤维是纤维状的碳材料，由有机纤维原丝在1000℃以上的高温下碳化形成，且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。碳纤维主要具备一下特性：密度小、质量轻、碳纤维的密度维1.5-2g/cm3，相当钢密度1/4、铝合金密度的1/2；强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍，弹性回复为100%；热膨胀系数小，导热率随温度的升高而下降，耐骤冷、急热、即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂；摩擦系数小，并具有一定的润滑性；导电性好，25℃时高模量碳纤维的比电阻为775Ω·cm，高强度碳纤维则为1500Ω·cm；当碳纤维