碳材料 深度 精品讲义

五、炭材料的发展史
1、第一代（5千—1万年前） 2、第二代（十九世纪） 烧结型炭材料
（人造石墨） 3、第三代（第二次世界大战后） 4、二十世纪八十年代中叶以后
第一代 炭材料
天然物质加热，利用炭的化学性质，作燃 料和还原剂炼铜和炼铁
CuO + C Fe2O3 + C
Cu + CO2 Fe + CO2
环保吸附材料
电池电极隔板、半 导体器件 高温晶体管、激光 器件、绝缘材料等
高导电材料、电池 活性物质、催化剂 等 增强材料、催化材 料、导电材料等
各向同性炭、坩 埚、电极等
第四代 炭材料
¾ 富勒烯 ¾ 碳纳米管 ¾ 碳纳米洋葱（富勒洋葱） ¾ 碳包覆纳米金属晶 ¾ 碳气凝胶 ¾ 多孔炭 ¾ 石墨烯 ¾ ………..
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。
3、“炭”与“碳”的区别
Carbon as element Carbon as material
¾ 4 、Introduction to Carbon Technology, H. Marsh and F. R. Reinoso, Universidad de Alicante, (2000)
C 的存在
碳的起源---“big bang”理论
宇宙巨大的能量块 150亿年前发生大爆炸
宇宙空间充满高能的光
膨胀 温度降低
光转化为物质，各种 粒子开始形成
温度降低 温度升高
粒子凝聚成氢
温度升高
Ne Na Mg O S Si P…
二、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
狭义上看：炭材料一般是指类石墨材料，即以SP2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。
2、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，
原 化炭
的 来 源
和 墨 汁
剂
木。
炭
炼 钢
工
焦炭 石墨
电 极 ， 电 刷 和 电 极 糊
活 性 炭 用 于 环 境
业
高 热 高炭膨中金
C
纯 解 性纤胀间刚
高 石 能 维 石 相 石 6碳0
密 墨 炭复墨炭薄纳
石 和 纤合
微膜米
墨 热 维材
球
管
解
料
….
炭
主要参考书目
¾ 1、新炭素材料入门 日本炭素材料学会编，中国金 属学会炭材料专业委员会编译（1999）
是完全对立的性质
最硬（金刚石）→ 软（石墨） 绝缘体 （金刚石） → 半导体（石墨） →良导体（热解石墨） 绝热体（石墨层间） → 良导热体（金刚石、石墨层内） 全吸光（石墨） → 全透光（金刚石）
碳纳米管有可能将碳元素的独特性发挥到及至
四、炭材料的应用
¾ 机械工业：轴承、密封元件、制动元件等； ¾ 电子工业：电极、电波屏蔽、电子元件等； ¾ 电器工业：电刷，集电体、触点等； ¾ 航空航天：结构材料，绝热、耐烧蚀材料等； ¾ 核能工业：反射材料，屏蔽材料等； ¾ 冶金工业：电极，发热元件，坩锅、模具等； ¾ 化学工业：化工设备，过滤器等； ¾ 体育器材：球杆，球拍，自行车等； ¾ …………
炭材料的发展史
人
人 类 wk.baidu.com 源
类 文 明 时 代
铜 器 时 代
十 八 世 纪 初
十 九 世 纪 中
1895 年
20世纪 20世纪 20世纪 1907 40-50 50-60 60-70
年 年代 年代 年代
20世纪 80年代
木烟 炭炱 为做 热染
炭 还 原 铜
焦 电电 炭 极炉 作 工炼 还 业钢
能料
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）
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
材料
性能
CF 活性CF 玻璃炭
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。
碳原子在电子结构上可形成SPn杂化，能键合众多原子和分 子，在纳米及微米尺度上以不同方式和取向进行堆叠和聚 集，形成粒子、孔状、纤维状、薄膜状及块体材料。各种类 型炭物质具有的性质几乎包括地球上所有的性质，有的甚至
一、炭材料的定义
1、定义
是主要以煤、石油或它们的加工产物等有机物质作为主要原 料经过一系列加工处理过程得到的一种非金属材料，其主要 成分是碳。
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，不象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）。
高比强、比模量、热膨 胀系数小等 比表面积大、吸附性能 好 不浸透性、耐热耐蚀性
金刚石薄膜
石墨层间化合 物 气相生长炭纤 维 中间相沥青炭 微球
透光、发光性，硬度 高、耐磨、高膜量，光 交换性 轻、高导电性、电化学 性，反应性等
极细、比表面积大、中 空、结晶性好
自烧结性，球形、层状
用途
复合材料的增强剂
¾ 2、Chemistry and Physics of Carbon, a series of advances from 1965, Marcel Dekker, Inc., Vol.26
¾ 3、Science of Carbon Materials, H. Marsh and F. R. Reinoso, Universidad de Alicante, (2000)
《聚合物合成与制备》
z 韩丙勇 赵东林 赵京波
z
北京化工大学
《聚合物合成与制备》
z 高分子材料合成与制备—韩丙勇 32学时 z 复合材料、碳材料合成与制备—赵东林 8学时 z 生物(环境)材料合成与制备——赵京波 8学时
《碳材料合成与制备》
z
赵东林 教授
z 电话：64434914 z E-mail：dlzhao@mail.buct.edu.cn