最新碳材料介绍

新型碳材料的发展及简介

摘要:碳是世界上含量十分丰富的一种元素。碳材料在人类发展史上起着主导的作用，其应用最为出众的一次是在第二次工业革命。现代科技的发展使得人类又获得了几种新型的碳材料--碳纳米管、碳纤维、C60、碳素系功能材料等。

关键词：碳材料碳纳米管碳纤维

一、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有：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。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。

自1989年著名的科学杂志《Science》设置每年的“明星分子”以来，碳

”相继于1990年和1991年连续两年获此的两种同素异构体“金刚石”和“C

60

殊荣，1996年诺贝尔化学奖又授予发现C

的三位科学家，这些事充分反映了

60

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。

二、国内外新型碳材料的发展趋势

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。近

和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、C

60

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。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。

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主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、日本和欧洲等工业国家。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。

三、碳材料的介绍与研究

1、碳纤维

碳纤维是一种比铝轻、比钢强、比人发细、含碳量大于90%的纤维状碳材料，其中碳含量高于99%的称为石墨纤维。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，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。

按照制造工艺和原料的不同，碳纤维可以分为有机前驱体法和气相生长法碳纤维。有机前驱体法即采用有机纤维为原料，经过一系列前处理后将其碳化，收集得到碳纤维的方法。有机前驱体法制备碳纤维的质量、品种和成本80%取决于纤维前驱体，例如聚丙烯蜡基。气相生长法是碳纤维的另一种制备方法，在低分子气态烃类的高温下与过渡金属如Fe、Co、Ni或合金接触时通过特殊的催化作用可以从气相直接生成碳纤维。该法制备的碳纤维其拉伸强度和拉伸模量比前驱体法制备的碳纤维都要强。

2、碳纳米管

碳纳米管是碳材料家族中一个重要的成员。1991 年，Iijima 首次在高分辨电镜下发现在C60的产物中有纳米级碳管状物的存在，并将其定义为碳纳米管(CNT)，随后1993年首次得到了单壁碳纳米管。这成为继C60后碳材料又一重大发现，立即在科学界引起了重大的轰动。

目前已有不同的方法制备碳纳米管。电弧放电法制备碳纳米管是在真空反应腔中充满惰性气体或氢气，采用较粗大的石墨棒为阴极，细石墨棒为阳极，在电弧放电过程中阳极石墨棒不断被消耗，同时在阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。此外还有激光蒸发法、化学气相沉积法、热解聚合物、离子辐射、电解、金属材料原位合成池、火焰法等方法制备碳纳米管。

3、富勒烯

富勒烯是完全由碳组成的中空的球形、椭球形、柱形或管状分子的总称。其中C60是最早发现的富勒烯，也是富勒烯类材料中最重要的一种。C60分子是一种由60个碳原子组成的分子，形似足球，又名足球烯。分子轨道计算表明，足球烯具有较大的离域能。C60具有金属光泽，有许多优异性能，如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀，在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。

C60的首次合成是由美国休斯顿赖斯大学的史沫莱等人和英国的克罗脱于1985年利用烟火法实现的。除了C60这种足球烯外，还有C70等许多类似的足

球烯分子相继被发现。目前已有多种方法可以人工制备C60，较为成熟的制备方法主要有电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。

4、石墨烯

石墨烯是指单层的石墨片层，在片层方向呈准二维结构，是由一层SP2碳原子组成的具有蜂窝状结构的二维晶体。由于石墨烯具有神奇的二维结构，所以石墨烯在电、光和磁等方面都具有许多奇异的性质，如室温量子霍尔效应、超导性、铁磁性和巨磁阻效应等。石墨具有完美的杂化结构，大的共轭体系使其具有很强的电子传输能力，同时石墨本身就是良好的导热体，可以很好地散发热量，因此用石墨烯制备的电子元器件的运行速度可以得到大幅度的提高。2004年之后，关于石墨烯的报道在Science、Nature上就有400余篇，又一场碳研究的革命正悄然兴起。

目前制备石墨烯的方法众多，大体上可以分为两类：由下而上法和由上而下法。前者的原料是含碳小分子，后者是石墨。其中由下而上法主要包括化学气相沉积法、SiC表面石墨法、碳纳米管解压法和CO还原法。而由上而下法种类较多，主要有为机械剥离法、氧化石墨还原法、液相剥离法、超临界流体法、电化学法、直接超声法等。

四、总结

新型碳材料和碳素系材料的发现及应用，使得它们组成了一个重要而又发展迅速的家族。让世界各国的十分重视，因此发展的十分迅速，各种新型碳材料不断涌现而出。使现在的生活更轻便、快捷、高效、科学。