碳材料概述ppt课件.ppt

Contents 其他传统炭素材料 汉字 碳 由木炭的 炭 加石字旁构成 从 炭 字音 碳是人类接触到的最早的元素之一 也是人类利用得最早的元素之一 尧舜时代 炭黑作为涂料 商朝时 广泛用木炭来冶炼金属 在冶炼中木炭充当燃料 还原剂 碳元素是一种平凡而神奇的元素 以多种形式广泛存在于大气和地壳中 在地壳中的含量为0 027 能形成多种单质和千万种化合物 碳 地球上一切生物有机体的骨架元素 碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度 以12g碳12中含有的原子数为1mol 碳14由于具有较长的半衰期 被广泛用來测定古物的年代 一 碳的基础知识 一 碳的基础知识 佛罗伦萨科学院大事记 1649年金刚石消失之谜 1772年 拉瓦锡做了燃烧金刚石和木炭的实验后 确定两种物质燃烧都产生CO2 因而金刚石和木炭具有相同的成分 1776年 1787 拉瓦锡借鉴拉丁语的木炭 carbo 将碳的英文名定为 Carbon 并于1789年 碳作为元素被列入第一张元素表中 一 碳的基础知识 关于 碳材料 与 炭素材料 炭 与 碳 二字有联系又有区别 碳 指碳元素 碳单质总体 含碳化合物及其众多的衍生物时用 碳 如碳水化合物 碳酸盐 碳氢化合物 炭 指由碳元素形成的单质 指的是具体物质 C H比在10以上 主要由碳元素组成 多数为固体材料 如煤炭 焦炭 炭黑 活性炭 炭电极 炭块 炭纤维等 炭素材料 与 炭素制品 的区别与联系 炭素材料是个总称 包括炭素原料和炭素制品 如炭素工业使用的石油焦 无烟煤 天然石墨属炭素原料 炭素原料经加工制成具有一定形状及物化性质的产品称炭素制品 如炭质电极 石墨电极 炭纤维 一 碳的基础知识 碳材料 结构多样性功能多样性 传统碳材料 Classiccarbons 木炭 竹炭 Charcoals 活性炭 Activatedcarbons 炭黑 Carbonblacks 焦炭 Coke 天然石墨 Naturalgraphite 天然金刚石 Naturaldiamond 新型碳材料 Newcarbons 金刚石功能材料 薄膜 纳米 石墨层间化合物炭纤维 Carbonsfibers 多孔炭 Porouscarbons 玻璃炭 Glass likecarbons 柔性石墨 Flexiblegraphite 核石墨 Nucleargraphite Fullerene CNTS Graphene 碳材料的分类 二 金刚石与石墨 天然金刚石 钻石 研磨 金刚石结构图 石墨 平面网状结构 二 金刚石与石墨 石墨可分为天然石墨和人造石墨 如等静压石墨 模压石墨 挤压石墨 作电极材料 1 作耐火材料 如石墨坩埚 石墨模具 2 作导电材料 在电气工业上用作制造电极 电刷 碳棒 碳管 石墨垫圈 电视机显像管的涂层等 3 用于原子能工业和国防工业 作为中子减速剂用于原子反应堆 4 作铸造 翻砂 压模及高温冶金材料 5 石墨可作铅笔芯 颜料 抛光剂 6 作耐磨润滑材料 耐烧蚀材料 利用了石墨具有导电性 润滑性和熔点高 二 金刚石与石墨 金刚石合成已有40多年的历史 其合成方法大致可分为两类 石墨转化法 静态超高压高温法 动态法 和气相合成法1954年人造金刚石在美国通用电气公司的诞生 揭开了人工合成金刚石发展的序幕 它是静态高压高温技术发展的重大成果 化学气相沉积 CVD 金刚石膜的问世是人工合成金刚石技术发展的第二次大飞跃 20世纪50年代和60年代 美国 苏联等国先后在低压下实现了金刚石多晶膜的化学气相沉积 1987年 金刚石薄膜 的合成在世界上兴起 但合成方法归纳起来主要有CVD和PVD两类 二 金刚石与石墨 钻头 金刚石主要用于精密机械制造 电子工业 光学工业 半导体工业及化学工业 如固定激光器件的散热片 红外激光器的窗口材料 各种钻头 磨料等 天然金刚石稀少 只限于用作装饰品 工业应用以人工合成金刚石为主 近年来 金刚石功能化薄膜 微晶金刚石 纳米金刚石拓宽了传统意义上的金刚石的应用领域 三 其他传统炭素材料 木炭 焦炭 活性炭 炭黑 以石墨微晶为基础构成的 其共同点是 由石墨的微小晶体和少量杂质构成的混合物 不同的炭素材料中 微晶的尺寸和微晶的三维排列的有序程度有相当大的差别 炭纤维 多孔碳材料 功能化金刚石薄膜 玻璃炭等 我国古代字画为什么能够保存在现在 常温下 碳的化学性质很稳定 碳受日光照射或与空气 水分接触 都不容易起变化 四 新型碳材料 CNT 1991年日本筑波NEC实验室Sumio Iijim用HRTEM观察电弧放电后的石墨棒时发现 Graphene 2004年 物理学教授安德烈 海姆 AndreGeim 和康斯坦丁 诺沃肖洛夫 KostyaNovoselov 博士用一种简单易行的胶带分离法从HOPG中成功制备出了石墨烯 完整的碳系家族 Diamond 印度金刚石开采的可考历史大约是1638 1668年 Graphite 1779年人们才知道石墨是碳元素的一种物质形式 Fullerene 1985年发现 第三种碳元素的晶体形态 20个六边形 12个五边形 2010获奖 四 新型碳材料 C60的发现 1985年 英国Sussex大学的H W Kroto和美国Rice大学的Smalley及Curl等人发表文章 宣布笼形分子C60的发现 一种由60个碳原子组成的稳定原子簇 此后又发现了C50 C70 C240乃至C540等 它们都具有空心的球形结构 属于笼形碳原子簇分子 由于C60的结构类似建筑师BuckminsterFuller设计的圆顶建筑 因而称为富勒烯 Fullerence 从化学和材料科学的角度来看 富勒烯具有重要的学术意义和应用前景 美国建筑师富勒的设计之一 C60是20世纪的重大科学发现之一 极大地拓展了人类对碳材料的认识 四 新型碳材料 C60的发现 C60的主要合成法 石墨气化法 激光 电弧 纯碳燃烧法 应用前景 超导材料 金属掺杂 K Rb 的C60插层合物 18K 29K 最早令人关注的 室温下富勒烯是分子晶体 C60的能隙为1 5eV 半导体 但经过适当的金属掺杂后能变成超导体 磁性材料 Dy组装在C80的笼内 太阳能电池材料 PCBM C60的有机衍生物 由于它的很好的溶解性 很高的电子迁移率等常用于有机太阳能电池的电子受体标准物 催化剂材料 有机官能团改性 此外还有医学 光学领域 富勒烯的合成成本很高 其潜在的应用还在不断的探索中 四 新型碳材料 CarbonNanotubes的发现 Nature354 56 58 1991 MWNT SWNT 四 新型碳材料 CarbonNanotubes的发现 碳纳米管的大量制备 电弧放电法 已用于工业化生产 激光蒸发法 CVD法 高温分解C H化合物法 ArcDischargeMethods 电弧室充惰性气体保护 两石墨棒电极靠近 拉起电弧 再拉开 以保持电弧稳定 放电过程中阳极温度相对阴极较高 所以阳极石墨棒不断被消耗 同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物 电弧法多采用直流电弧 电弧放电条件一般为 电极电压20 30V 电流50 150A 气体压力10 80kPa MaterialsToday Oct2004 pages22 49 四 新型碳材料 纳米碳管储氢原理 吸附氢气的吸附和脱附可在常温进行 只要改变压力即可 储氢量大 纯净单壁碳纳米管达5 0 10 一般7 4 符合美国能源部的标准 6 4 质量分数 纳米碳管在化学传感器中的应用由于碳纳米管暴露在NO2和NH3时 电导发生明显的增加或减小 奠定了在气体化学传感器应用的基础 Kong J等人测定了SWNT在NO2和NH3通过时 碳纳米管电导随电压的变化情况 Science 2000 287 622 625电导NO23个数量级 电导NH32个数量级应用 环境中NO2和NH3的监测 IBM研制的碳纳米管芯片 2012 11 右图中非常黯淡的黑线是跨越两个电触点间隙的碳纳米管 IBM的技术可以在每一个沟槽中放置一根碳纳米管 碳纳米管触摸屏 四 新型碳材料 NatureMaterials6 183 191 2007 Graphene 石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的 其理论厚度仅为0 35nm 是目前所发现的最薄的二维材料 石墨烯是构建其它维数碳材料 如零维富勒烯 一维CNTs 三维石墨 的基本单元 四 新型碳材料 微机械剥离法 碳纳米管横向切割法 微波法 电弧放电法 光照还原法 石墨氧化还原法 电化学还原法 热膨胀法 液相 气相剥离石墨法 碳化硅裂解法 外延生长法 化学气相沉积法 石墨烯的制备方法 四 新型碳材料 力学性能 断裂强度可达130 10GPa 弹性模量达1 0 1TPa电学性能 电子的传输速度为光子的1 300 室温下较高的电子迁移率 15000cm2 V S 石墨烯是能隙为零的二维半导体 是凝聚态物理学中描述无质量的狄拉克费米子一个理想实物模型材料载流子作有效质量为零的运动 电子没有质量室温量子霍尔效应载流子弹道运输比金刚石更大的硬度光学性能 对近红外 可见光及紫外光均具有优异的透过性 可吸收大约2 3 的可见光 四 新型碳材料 超级计算机芯片 目前世上电阻率最小的材料 电阻率仅为10 6 cm 在室温下硅基处理器的运行速度达到4 5GHz后就很难在继续提高 替代硅生产超级计算机 光子传感器 液晶显示材料 新一代太阳能电池 石墨烯作为硅的替代品材料来制作晶体管器件是让科学家们颇为期待的重要一项应用 也是最受关注的领域之一 石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率 而且电子在石墨烯中运动会产生很少的热量 使用石墨烯作为基质生产的处理器能够达到1THz即1000GHz 石墨烯可制成能够折叠的显示器目前用于制作太阳能电池窗口电极 显示器和触摸屏等器件的材料是铟锡氧化物半导体透明薄膜 ITO 但铟在地球上含量有限 同时ITO材料在近红外光区的透光性比较差 不利于制造柔性器件 石墨烯不仅具有非常高的导电性 而且拥有更高的强度和更好的韧性 能够制成可以弯曲折叠的显示 被认为是替代ITO的合适材料 未来石墨烯将制成可折叠的显示器 四 新型碳材料 从左到右 在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为3 1英寸的区域 组装好的石墨烯触摸屏面板 接到电脑上使用的石墨烯触摸屏 四 新型碳材料 气体分子传感器储能材料药物控制释放离子筛作为电极材料复合材料 四 新型碳材料 谢谢大家 请老师和各位同学指正 其他应用 超级电容器药物控制释放计算机芯片作为电极材料 17世纪40年代 阳光明媚的夏日 意大利佛罗伦萨科学院 几位院士围坐在花园中的一个石桌旁 用放大镜观察 研究一小颗珍贵的金刚石 当金刚石所处的位置与凸透镜的焦点吻合时 金刚石折射出耀眼的强光 院士们纷纷调头躲避 当他们回过头时 却意外地发现闪闪发光的金刚石不见了 人们寻遍了周围的草坪 一无所获 金刚石不翼而飞 成了一宗离奇的失踪案 载入了佛罗伦萨科学院的大事记 想一想 金刚石为什么会不翼而飞 金刚石失踪案 1772年2月 法国著名化学家拉瓦锡了