炭质功能材料

1.碳：
●物理性质：碳（carbon）是一种非金属元素，化学符号：C 元素原子量：12.011 质子数：6 原
子序数：6 周期：2 族：IVA电子构型：1s22s22p2电子在每能级的排布： 2，4熔点：约为3550 ℃（金刚石）沸点：约为4827 ℃（升华）颜色和外表：黑色（石墨），无色（金刚石）
●同位素：自然产生的碳由三种同位素组成：12C和13C为稳定同位素（碳-12占地球上碳的98.93%，
而碳-13则占剩余的1.07%，13C、14C常用作示踪剂，生物体中12C同位素的比率更高，因为生物化学反应会选择性地消除13C，而核磁共振所探测的是13C），而14C则具放射性，其半衰期约为5,730年，是少数几个自远古就被发现的元素之一，是构成碳基生物的最基本元素，可测量年龄在4万年以下的含碳物质（年代测定、生物遗体遗骸）。

碳有15种已知同位素，其中存活时间最短的是8C，它会进行质子发射和α衰变，半衰期为1.98739x10−21秒。

●成键：碳原子一般是四价的，这就需要4个单电子，但是其基态只有2个单电子，所以成键时
总是要进行杂化。

最常见的杂化方式是sp3杂化，4个价电子被充分利用，平均分布在4个轨道里，属于等性杂化。

这种结构完全对称，成键以后是稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。

金刚石中所有碳原子都是这种以此种杂化方式成键。

烷烃的碳原子也属于此类。

●同素异形体：○1金刚石：是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质，可作为工艺品
和工业中的切割工具；○2石墨：一种最软的矿物，可用于制造铅笔芯和润滑剂；○3石墨烯（单原子层石墨）是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，很可能会成为硅的替代品，也非常适合作为透明电子产品的原料；○4富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯）：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。

富勒烯类
化合物在抗HIV、酶活性抑制、切割DNA、光动力学治疗等
方面有独特的功效；○5无定形碳（Amorphous，内部结构是
石墨）：一般指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。

除骨炭含碳在10%左右以外，其余主要成分都是单质碳。

用
途极为广泛，日常生活和工农业生产中常用到无定形碳；○6碳纳米管（carbon nanotubes，巴基管）：一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。

●单质：最常见的两种单质是高硬度的钻石和柔软滑腻的石墨，它们晶体结构和键型都不同。

金
刚石每个碳都是四面体4配位，类似脂肪族化合物；石墨每个碳都是三角形3配位，可以看作无限个苯环稠合起来。

●化学性质：○1在氧气中燃烧剧烈放热，发出刺眼白光，产生无色无味能使氢氧化钙
溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体，化学方程式：C+O2==点燃==CO2
○2在空气中燃烧放热，持续红热，产生无色无臭能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体CO2；当燃烧不充分，即氧气量不足时，产生一氧化碳：
氧气充足时化学方程式：C+O2==点燃==CO2
氧气不足时化学方程式：2C+O2==点燃==2CO
○3作为还原剂：碳作为还原剂拥有和氢气、一氧化碳相似的化学性质（但生成物不同），都可以从金属氧化物中还原出金属单质。

碳还原氧化铜：C+2CuO==高温==2Cu+CO2↑
碳还原氧化铁：3C+2Fe2O3==高温==4Fe+3CO2↑
碳还原二氧化碳：C+CO2==高温==2CO。

与强氧化性酸反应：C+2H2SO4（浓）==加热==CO2↑+2SO2↑+2H2O
C+4HNO3（浓）==加热==CO2↑4NO2↑+2H2O
○4稳定性：碳在“常温”下具有稳定性，不易反应，故古代名画现代能保存，书写档案要用碳素墨水。

2.炭材料：
●定义：是主要以煤、石油或它们的加工产物等(主要为有机物质)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。

●品种：广义上看，金刚石、石墨、卡宾都属于炭材料，这是一个广义的定义，但由于金刚石和
卡宾在自然界存在非常少，结构也单一，不像石墨那样具有众多的过渡态中间结构（如焦炭、碳纤维、煤炭、炭黑、木炭等）。

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。

●性质：和金属一样具有导电性（介于金属和半导体之间）、导热性；和陶瓷一样耐高温、热膨胀
系数低（金属的1/10左右）、耐腐蚀；和有机高分子一样质量轻，密度低1.6-2.0，分子结构多样；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。

●应用：I.机械工业：轴承、密封元件、制动元件等；
II.电子工业：电极、电波屏蔽、电子元件等；
III.电器工业：电刷，集电体、触点等；
IV.航空航天：结构材料，绝热、耐烧蚀材料等；
V.核能工业：反射材料，屏蔽材料等；
VI.冶金工业：电极，发热元件，坩锅、模具等；
VII.化学工业：化工设备，过滤器等；
VIII.体育器材：球杆，球拍，自行车等
3.炭材料制备工艺：
●气相碳化：通过气相裂解生成碳的物质。

一切气态原料转化成固体碳的过程，即挥发先于热解
的化合物、碳原子数在20个以下的链烷烃、烯烃或芳烃化合物，通常具有200℃以下的沸点，在通常情况下于气相中进行炭化。

主要包括：1）气态烃高温下在惰性固体表面的沉炭反应；2）烃类在无氧和有氧热解条件下气相成核和多分散炭黑的形成；3）在活性金属质点存在下气态烃类经催化分解而生成纤维状炭
●液相碳化：经熔化、液相碳化（聚合、缩聚）、裂解等过程生成的碳。

热解先于挥发的液体或高
温下熔融的固体烃类有机物在惰性气氛中热解时，一般经历液相炭化成炭，其温度范围一般在
350-550℃，主要对象为重质稠环芳烃，如沥青、渣油、蒽、萘等的热解。

包括1）氢转移反应：液相反应温度比气相低得多，从能量观点看，芳烃本身很难在500℃以下均裂成自由基。

但是，由电子迁移引起的离子化反应即芳烃间相互作用所诱发的氢转移，氢阴离子向电子迁移后具有正电荷的芳核转移所需要的能量更低。

热转化时，分子的氢转移是反应的重要因素；2）自由基反应：是液相炭化中最主要的反应。

分两阶段进行：通过化学电子转移产生一自由基离子—σ自由基。

它极不稳定，反应性强，寿命短；稳定的π自由基缩聚物在反应的第二阶段形成，由于离域性，被共振稳定化，可由ESR测定；3）增环反应。

●固相碳化：经固态转化成碳的过程。

固态的炭化反应物不经气相或液相而直接于固态发生分解
和热缩聚反应，变成固态炭化生成物的过程，成为固相炭化。

其特征为1）原始固态物的形态和结构基本确定了最终炭的形态和结构；2）由固相炭化一般得到无择优取向的难石墨化性炭前驱体，炭化条件难以改变原料炭的本性；3）如果将炭化分子进行预处理，使之具有高度的择优取向，虽然其石墨化性本质不变，但反应后的芳构平面有时也会具有取向性，也可以经过固相反应得到易石墨化性炭。

4.催化剂在炭材料制备中的作用：定向合成，优化结构。

●化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）：利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或
单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。

化学气相沉积技术是应用气态物质在固体上阐述化学反应并产生固态沉积物的一种工艺，它大致包含三步：（1）形成挥发性物质；（2）把上述物质转移至沉积区域；（3）在固体上产生化学反应并产生固态物质。

其特点为1）在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。

2）可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好）。

3）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。

4）涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。

5）可以控制涂层的密度和涂层纯度。

6）绕镀件好。

可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。

适合涂覆各种复杂形状的工件。

由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。

7）沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。

8）可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。

6.炭-石墨材料的种类：
●电极材料：○1电解：石墨电极，可用于电解食盐水溶液生产烧碱和通过熔融盐电解法制造金属
镁、金属钠。

○2加热：炭电阻棒以沥青焦为原料。

主要用于竖式电阻炉生产氯化镁时作发热体和填充材料。

●结构材料：炭纤维复合材料：由于优良的导热耐热和力学性能，它可以作为火箭常用的结构材
料，以及制作高纯金属、半导体材料、稀有金属时所需的器件；具有石墨的润滑性，可作为摩
擦滑动材料，制作轴承和齿轮，实现无油润滑；其具有减速能力强、吸收中子小、化学稳定性高、耐大量中子及其它射线长期作用的特点，是核反应堆的重要结构材料。

●吸附材料：活性炭（详见12-）
●散热材料：高导热石墨材料：可制作热交换器、反应槽、吸收塔、气体燃烧塔、盐酸合成炉、
石墨离心泵、喷射泵以及各种管道和接头。

●功能材料：○1热：1）高炉炭块用冶金焦及无烟煤作为原料，制品在1200℃左右焙烧而成。

常用
于砌筑大型高炉炉底、炉缸、炉腹和炉身。

加入少量石墨化冶金焦或碎石墨，可提高炭块导热率。

2）炭电阻棒以沥青焦为原料。

主要用于竖式电阻炉生产氯化镁时作发热体和填充材料；
○2电：1）炭电极是以无烟煤和冶金焦为主要原料（有时也用石油焦和沥青焦）生产的导电材料。

2）炭阳极又称为预焙阳极，主要以石油焦和沥青焦作为原料，在铝电解槽中作为阳极导电材料。

在电解过程中，既作导电体，同时参加电化学反应。

3）炭电极糊供给铁合金炉，生产电石和黄磷的电炉作为消耗性导电材料用，是一种自焙电极（通过电炉自发热实现焙烧）。

4）阳极糊也属于自焙烧电极，供铝电解槽作为阳极导电材料。

阳极糊烧成后的炭电极除导电外还参与电解反应。

5）高功率和超高功率石墨电极用于大功率、高电压和短电弧的高功率和超高功率电炉○3核：炭纤维复合材料具有减速能力强、吸收中子小、化学稳定性高、耐大量中子及其它射线长期作用的特点，是核反应堆的重要结构材料；
○4生物：良好的生物相容性和生物稳定性，可制作人造心脏瓣膜、生体修补膜、人造器官、医疗器械等。

●其他材料：○1炭黑（详见11）；○2柔性石墨：柔性石墨有疏水性和亲油性,可以在水中有选择性
地除去非水性的溶液；密封材料；石墨有良好的生物相容性、无毒、无味、无副作用等特点,是一类非常重要的生物医学材料，可作为性能优良的创面外用敷料,可以替代常规的纱布敷料,用于烧伤等创面效果很好；高能电池材料，制作柔性电池；石墨丰富的孔隙结构、高导热性能可以作为相变储热材料；柔性石墨的细颗粒加入到普通涂料中,可制得效果较好的阻燃防静电涂料；
柔性石墨板材具有良好的导电导热性能,电热转换率97%以上,且能产生远红外线,是一种新型发热材料；遮蔽效果优于现役毫米波干扰剂，是一种高效可靠的新型雷达遮蔽剂,在电子对抗领域有着广阔的应用前景；高性能光催化材料。

7.有机高分子前驱体转化的基本工艺：粘胶基、聚丙烯腈基（PAN）、沥青基木质素纤维基沥青
8.炭-石墨材料的应用：
●结构材料：利用轻和高模量、耐高温（惰性气体）的特点
1.碳纤维增强复合材料（树脂、炭、金属、陶瓷等）：飞机、导弹、卫星、武器、体育器材（球
拍、自行车）
2.高温环境下的制品：坩埚、容器
●其余见6
9.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，
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。

10.石墨（元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂
巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子）：
●SP2杂化轨道，2S2P x2P y三个在同一平面内互为120℃角的三个等价的σ键，剩余的2Pz轨道与σ
键所在的平面垂直形成π键；π电子属非定域电子，在受到外电磁场作用时可在六元环网上自由运动，形成金属键；π键较弱，易发生断裂。

存在两种晶系，六方晶系和菱形晶系。

●特性：1）不熔融和极高的化学稳定性，α面内抗拉强度极高； 2）导电导热性好，黑色；3）
解离性和自润滑性，易形成层间化合物；4）各向异性。

●用途：1.作耐火材料：石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业中主要用来制造
石墨坩埚。

2．作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像管的涂层等。

3．作耐磨润滑材料：石墨在机械工业中常作为润滑剂。

4．石墨具有良好的化学稳定性，大量用于制作热交换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。

广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。

5．作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料：由于石墨的热膨胀系数小，而且能耐急冷急热的变化，可作为玻璃器的铸模，此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉管，棒、板、格棚等元件。

6、用于原子能工业和国防工业：石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中，作为动力用的
原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。

此外还有石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导弹的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。

7．石墨还能防止锅炉结垢，此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。

8．石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。

9．石墨电极。

11.炭黑：
●炭黑是一种无定形碳。

轻、松而极细的黑色粉末，表面积非常大，范围从10~3000m2/g，是含碳
物质（煤、天然气、重油、燃料油等）在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。

●结构特点：依制备方法各异，炭层平行于球的表面排列，属于无定型结构炭，石墨片层大小、
缺陷、杂原子含量、表面官能团、键弯曲程度等均不同。

●制备：不完全燃烧法（氧气气氛）；热分解法（隔绝空气）
●用途：橡胶工业（补强剂和填充剂）；油墨工业（色素炭黑）；涂料工业；塑料工业（着色、紫
外光屏蔽、导电剂等）；农业（农用地膜等）；合成革工业；电池、电子等。

12.活性炭：
●定义：活性炭材料是经过加工处理所得的无定形碳，具有很大的比表面积，对气体、溶液中的
无机或有机物质及胶体颗粒等都有良好的吸附能力。

●机理：活性炭材料主要包括活性炭和活性炭纤维等。

活性炭材料作为一种性能优良的吸附剂，
主要是由于其具有独特的吸附表面结构特性和表面化学性能所决定的。

活性炭80%-90%以上由碳元素组成，这也是活性炭为疏水性吸附剂的原因。

●制备：活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料，如煤、木材、果壳、椰壳、核桃
壳、杏壳、枣壳等。

这些含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。

在此活化过程中，巨大的表面积和复杂的孔隙结构逐渐形成，而所谓的吸附过程正是在这些孔隙中和表面上进行的，活性炭中孔隙的大小对吸附质有选择吸附的作用，这是由于大分子不能进入比它孔隙小的活性炭孔径内的缘故。

●应用：1）水处理：活性炭作为一种环境友好型吸附剂，具有较强的吸附性和催化性能，原料充
足且安全性高，耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点。

活性炭含有大量微孔，具有巨大无比的表面积，能有效地去除色度、臭味，可去除二级出水中大多数有机污染物和某些无机物，包含某些有毒的重金属。

2）石化行业：无碱脱臭（精制脱硫醇）——重催的精制装置；乙烯脱盐水（精制填料）——乙烯装置；催化剂载体（钯、铂、铑等）——苯乙烯、连续重整装置；水净化及污水处理——上水及下水的深度处理
3）电力行业：电厂水质处理及保护——锅炉装置；对NO、NOx等有害气体的吸附——锅炉尾部烟道
4）化工行业：化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收、及油脂等的脱色、精制
5）食品行业：饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色、提纯、除臭、香烟滤嘴
6）黄金行业：黄金提取——适用炭浆法、堆浸法提金工艺；尾液回收——金矿的废物利用及环境保护
13.富勒烯：
●富勒烯是单质碳被发现的第三种同素异形体。

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，富勒烯指的是一类物质。

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。

由于是碳原子主体，富勒烯比较稳定，但也可以发生许多有机反应，代表物质C60。

●制备：电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。

●特性： 1.硬度比钻石还硬 2.轫度(延展性)比钢强100倍 3.它能导电，导电性比铜强，重量只
有铜的六分之一 4.它的成分是碳，所以可从废弃物中提炼。

●应用：（物理）核工业高能轰击粒子、作为金刚石薄膜生长的均匀成核位置起重要作用；
（化学）加氢富勒烯是一种碳氢化合物，可作为洁净的燃烧迅速的燃料，有望作为火箭推进剂而用于航空航天领域。

另外，利用加氢富勒烯储氢引起的化学及热力学性质，制成可充电
电池；富勒烯可以作为一类新的催化剂材料的基础；富勒烯将为研究抗癌药物提供潜在而有趣的线索；选择性地吸收某些种类气体，将其在工业上用作气体杂质的去除剂；作为有机溶剂以及在医学上作为影像剂。

14.碳纳米管：
●定义：碳纳米管是所谓的“分子纤维”，其结构是由单层或两层以上、极细小的圆筒状石墨片而
形成的中空碳笼管。

碳纳米管可定义为将石墨六角网平面（石墨烯片）卷成无缝筒状时形成无缺陷的“单层”管状物质或将其包裹在内，层层套叠而成的“多层”管状物质。

●性质：由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳
纳米管具有高模量和高强度。

碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸；碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能；碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高。

●制备：电弧放电法、催化热解法（CVD）、激光蒸发法、微孔模板法。

●用途：碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交
换性能很高；储氢容器；在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，制作复杂电路jki；碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。

使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。

碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。

15.石墨烯：
●定义：石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种炭质新材料，这种石墨晶体
薄膜的厚度只有0.335 nm，是构建其他维数炭质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性及电学性。

完美的石墨烯（grapheme）是二维的，只包括六角元胞(等角六边形)；如果有五角元胞和七角元胞存在，会构成石墨烯的缺陷；少量的五角元胞存在会使石墨烯翘曲。

●性质特点：σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构，每个碳原子的垂直于层平面的
p-z轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能；
石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲；具有非常好的热传导性能；具有超疏水性和超亲油性；可以吸附和脱附各种原子和分子；生物相容性；稳定性。

●制备：微机械分离法、外延生长法、化学膨胀法（氧化石墨还原法）、化学气相沉积法、高温还
原、光照还原、微波法、电弧法、电化学法、模板法等。

●应用：1）石墨烯可以做成化学传感器，这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的2）
石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作3）柔性显示屏4）新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域5）石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多6）石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点，使之成为储氢材料的最佳候选者7）由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的8）以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，可望透过特殊结构，可应用在监视器与卫星成像领域中，可以应用于照相机、智能手机等9）基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向，其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能，具有广阔的应用前景10）石墨烯被用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化，同时也被用来制造碳化硅上外延石墨烯的生物传感器。

16.金刚石（在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体）：。