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炭材料科学ScienceofCarbonMaterials 研究方向碳纳米材料 新能源材料和介孔炭材料研究目标 主要定位于前沿性先进炭材料的研究合成 形成机理 结构设计 性能及应用 以石油重油 煤焦油重质芳烃 聚合物等为原料 碳纳米材料及纳米复合材料1 碳包覆纳米金属晶的形成及转化 金属颗粒和金属线2 碳纳米洋葱 实心和空心 3 纳米碳管 石墨烯及其树脂基复合材料4 介孔碳材料 有序 气凝胶 主要研究方向 新型能源炭材料1 Li 电池负极材料炭材料的设计 炭基材料 天然石墨 树脂炭 碳管 石墨烯等 2 大功率充放动力型锂电池电极材料 纳米碳 金属复合材料 3 超级电容器电极材料 炭纤维 针状焦 炭微球 高导热材料 发泡炭 高级粘结剂 浸渍剂 炭纳米材料 HREMimagesofcarbonencapsulatedironnanomaterialsfromYDheatedat480 inthepresenceofferrocenecontentof13 0wt HREMimagesofcarbonencapsulatedironnanorodsfromYDheatedat480 inthepresenceofferrocenecontentof40 0wt 20nm Theironfull filledcarbonnanorubesLength 150 250nmDiameter 30 40nmCarbonshell 5 8nmHighlydispersedStraightlyNoentanglednetworkMetalspecieswerecontinuouslyfilledincarbonshells OrderedMesoporousCarbonsfromtheCarbonizationofas synthesizedSilica Sucrose TriblockcopolymerNanocomposites 碳的六方有序孔道 锂离子二次电池电极材料 锂离子电池现已广泛用作诸如移动电话 便携式电脑 摄像机 照相机等袖珍贵重家用电器的电源 并已在航空 航天 航海 人造卫星及军用通讯设备领域中逐渐替代传统的电池 1 发展电动汽车用大容量锂离子电池 2 开发及使用新的高性能电极材料 3 加速聚合物锂离子电池的实用化进程 通过对炭科学基础理论和多样炭结构 性能和形成机理的介绍 使学生掌握炭材料的基本结构 性能 成炭原理和应用领域 并对炭科学的发展趋势和新型炭材料的开发有一初步了解 课程编号 MSE515学时 40学分 2 5 课程简介 第一部分碳的多样性 碳科学的形成 发展与核心问题 4学时 第二部分碳的结构与性质 8学时 基本结晶形式 金刚石 石墨 富勒烯 咔宾 碳的结构 碳的特性 课程内容 1 第三部分有机化合物的炭化途径 16 18学时 一 气相炭化 4学时 二 液相炭化 中间相理论与应用 8学时 三 固相炭化与多相炭化 4学时 第四部分炭的表面化学 4学时 第五部分石墨层间化合物 2学时 第六部分炭科学研究的新进展 4 6学时 一 金刚石薄膜二 富勒烯与纳米洋葱三 纳米碳管四 碳包覆纳米金属晶 课程内容 2 考试 2学时 要求 1 有事请假 2 课上认真听讲 3 课上认真作笔记 课下找相关参考书复习 3 不明白的地方一定设法弄明白 考核 1 出勤计入成绩 权重10 2 平时作业 报告成绩 权重20 2 期末试卷考试 权重70 报告题目 WeandCarbon 第一部分绪言 一 炭材料的多样性1 碳的多样性碳元素的产生 太阳系产生热核反应中 碳 氮循环 地球上碳产生生物学 硅产生地学 碳是形成一切生物有机生命体的骨架元素 大量的中间过渡状态 较少的纯碳形式 新型炭材料 碳的起源 bigbang 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 光转化为物质 各种粒子开始形成 膨胀温度降低 粒子凝聚成氢 温度升高 NeNaMgOSSiP C的存在 温度降低 温度升高 碳在宇宙进化中起着重要的作用 是宇宙中前期生物分子进化的关键元素 宇宙中 原子碳 分子碳 固态碳和碳化物太阳系 H He O C Ne 地球中 第14位 90 的碳是以CaCO3的形式存在 为化石燃料的1万倍 碳是地球上一切生物有机体的骨架元素 没有碳就没有生命 碳元素占人体总重量的18 左右当今世界以碳为主要原子构成的有机化学为橡胶 塑料 合成纤维三大材料奠定了基础 人类进化以来 很早就开始利用各种炭物质和炭材料 各种炭材料在航天 航空等工业 医疗 能源和日用品中得以应用 C的演变 绚丽多彩的世界 炭纤维 炭微球 纳米管 树脂复合材料 C C复合材料 金属填充富勒烯 金刚石 金刚石薄膜 1990年和1991年金刚石和C60分获Science明星分子 1996年美国Rice大学RFCurlR E Smalley富勒烯C60英国Sussex大学H W Kroto2000年美国科学家A J HeegerA G MacDiamid导电聚合物日本科学家HShirakawa 白川英树 2010年英国AGeimandKNovoselov石墨烯 TheNobelPrizeinChemistry1996 fortheirdiscoveryoffullerenes RobertF CurlJr SirHaroldW KrotoRichardE Smalley1 3oftheprize1 3oftheprize1 3oftheprizeUSAUnitedKingdomUSARiceUniversityUniversityofSussexRiceUniversityHouston TX USABrighton UnitedKingdomHouston TX USAb 1933b 1939b 1943d 2005 TheNobelPrizeinChemistry2000 forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers AlanJ HeegerAlanG MacDiarmidHidekiShirakawa1 3oftheprize1 3oftheprize1 3oftheprizeUSAUSAandNewZealandJapanUniversityofCaliforniaUniversityofPennsylvaniaUniversityofTsukubaSantaBarbara CA USAPhiladelphia PA USATokyo Japanb 1936b 1927b 1936 AndreGeim KonstantinNovoselov TheNovelPrizeinphysics2010honourstwoscientists Theyhavesucceedinproducing isolating identifyingandcharacterizinggraphene 新型炭材料的发展 1991年碳纳米管 1985年富勒烯 碳包覆金属 21世纪将是碳世纪 2004年石墨烯 二 炭材料的定义 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 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 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 1 定义 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 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CarbonaselementCarbonasmaterial 三 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 GrapheenCNTs 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 石墨烯 碳纳米管和石墨烯有可能将碳元素的独特性发挥到极至 四 炭材料的应用 机械工业 轴承 密封元件 制动元件等 电子工业 电极 电波屏蔽 电子元件等 电器工业 电刷 集电体 触点等 航空航天 结构材料 绝热 耐烧蚀材料等 核能工业 反射材料 屏蔽材料等 冶金工业 电极 发热元件 坩锅 模具等 化学工业 化工设备 过滤器等 体育器材 球杆 球拍 自行车等 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 CCu CO2Fe2O3 CFe CO2 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 第四代炭材料 富勒烯碳纳米管碳纳米洋葱 富勒洋葱 碳包覆纳米金属晶碳气凝胶多孔炭石墨烯 炭材料的发展史 人类起源 木炭为热能的来源 铜器时代炭还原铜 十八世纪初焦炭作还原剂 炼钢工业 十九世纪中电炉炼钢炭电极工业化 1895年 电极 电刷和电极糊 木炭 焦炭 1907年 活性炭用于环境 20世纪40 50年代 高纯高密石墨 20世纪50 60年代 热解石墨和热解炭 20世纪60 70年代 C60碳纳米管石墨烯 金刚石薄膜中间相炭微球膨胀石墨炭纤维复合材料高性能炭纤维 人类文明时代烟炱做染料和墨汁 石墨 20世纪80年代 六 炭科学的形成与发展 1 炭材料科学的形成 早期 二十世纪初 炭的结构的剖析 晶体领域 物理学科 炭化研究则在燃料化学 煤化学和石油化学与加工 学科领域中发展壮大 二十世纪五十年代末 高分子领域加强了耐高温聚合物方向的探索 广泛开展了高聚物热解的研究 关于炭材料科学作为独立的学科分枝在国际学术舞台上出现的时间 至今无人加以探讨 真正具有国际性的世界炭科学会议召开于1957年 即美国第三届炭会议 1957年9月在伦敦召开了第一届工业用炭和石墨会议 具有广泛国际性的炭材料专业杂志 Carbon 于1963年在美国创刊 因此 炭材料科学真正独立存在 应在二十世纪五十年代末到六十年代初 2 炭材料科学的主要研究内容 研究自然界中 广义 一切增炭化 富碳 物质的形成过程机理 特别是着重于它 包括原料经历部分炭化的中间产物 多层次的微观结构的形成 以及此结构在外界条件 如温度 压力 影响下的转变 此外 炭科学还研究炭集合体的各种物理与化学性质 核心内容 自有机物前驱体出发 通过热处理使有机物转化成具有可被控制的微晶排列的炭固体 这一知识乃是炭材料科学的最核心部分 有机原料中间状态终炭材料1 形成过程 机理 2 各过程中物质的结构与性质3 外界条件与材料结构性能的关系 化学 物理 在热处理时 我们感兴趣的温度范围是400 600 在此温度范围内 大多数有机固体开始脱氢转变成自由基 后者随之缩合成大的分子单元 最终导致固体材料 也就是在此温度范围内 微晶的排列将被确立下来 虽然大部分炭物质最终被加热到更高的温度 但是在600 以下微晶排列的配置乃是决定最终炭材料的结构和性能的主要因素 炭化机理和炭的结构是整座炭科学大厦的两大基石 主要讲授内容 1 碳的结构与性能 2 有机化合物的成炭途径 气相炭化液相炭化固相炭化多相炭化3 碳的化学反应 4 碳科学研究的新进展 3 炭材料科学 所涉及的基础学科 是一门交叉性很强的学科 正处于不断发展之中 物理角度 炭材料科学的两个主要方向是固体结构和物理性质 如晶体与非晶体 价键结构 晶体缺陷与运动 晶体中的电子状态 固体的物性 力 光 磁 热 电等 二是需要固体结构研究方法的理论知识 即固体结构分析中的物理方法 如XRD SEM TEM XPS ESR STM等 数学角度 炭结构与特性研究时的数学方程的推断 化学角度 涉及到有机物的组成结构 热解和炭化反应 合成反应 化学反应动力学等 除化学学科的基础课程外 还涉及一系列应用化学二级学科 如煤化学 石油化学 高分子材料 高分子化学与物理 催化化学 高温化学 有机结构分析 有机固体 结构化学 量子有机化学等 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 2 ChemistryandPhysicsofCarbon aseriesofadvancesfrom1965 MarcelDekker Inc Vol 28 2003 3 ScienceofCarbonMaterials H MarshandF R Reinoso UniversidaddeAlicante 2000 4 IntroductiontoCarbonTechnology H MarshandF R Reinoso UniversidaddeAlicante 2000 5 IntroductiontoCarbonScience H Marsh ButterworthsPress 1989 主要参考书目 6 炭化工学的基础大谷杉郎 真田雄三著中国科学院沈阳金属所内部翻译 1980 7 炭素材料 王曾辉 高晋生编 华东化工学院出版社 1991 8 炭纤维的制造 性质及其应用 王茂章 贺福编著 科学出版社 1984 9 炭纤维及其复合材料 贺福 王茂章编著 科学出版社 1996 10 纳米碳管 制备 结构 物性及应用 成会明编著 化学工业出版社 2002 主要参考杂志 国际 InternationalJournals Carbon 1 6 1 82003年 3 12 2004年 3 33 16 177 2005 3 42 2006 3 90 2007 4 26 2008 4 372009 4 5 AdvancedMaterials 8 1 9 1 7 9 ChemicalPhysicsLetters 2 4 NanoLetters 8 5 9 9 10 0 AppliedPhysicsLetters 4 1 J Am Chem Soc 6 9 7 5 7 7 Nature 32 2 27 Science 31 9 30 J Phys Chem B 3 8 4 0 4 1 Chem Mater 4 1 4 8 5 1 国内杂志 新型炭材料 SCI 2004年IF1 165 62 177 2005 1 46 炭素技术炭素燃料化学学报石油学报 石油加工 无机材料学报硅酸盐学报硅酸盐通报中国科学科学通报材料研究学报材料科学与工程 国内会议 中国电工技术学会炭 石墨材料专业委员会会议 每两年一次 炭素 中国金属学会炭材料专业委员会学术交流会 一年一次 炭素技术 新型炭材料 学术研讨会 两年一次 美国双年度国际炭会议 24thBienn Conf onCarbon KenturkyUniv 逢单年召开 2001 欧洲双年度国际炭会议 Carbon 2000 Berlin 逢双年召开 2000 亚洲炭联合会 2002年 Beijing China 日本炭素学会年会美 欧 亚洲轮流每年一次 from2002 2003 Spain 2004 USA 2005 Korea 国际会议 国内主要研究单位 中国科学院山西煤化所 金属所 物理所 化学所 北京化工大学 清华大学 湖南大学石油大学山东大学 西北工业大学 大连理工大学 厦门大学 南京大学 浙江大学 2002年国家自然科学奖共23项 其中有关炭材料的占3项