现代材料化学

碳基复合材料,发展历史,应用,碳基材料,碳复合材料大约于1958年问世，开始是钱斯沃特飞机公司宇航分公司的实验人员在研究酚醛树脂基复合材料时，由于事故而偶然发现的。,第一阶段:自1958年到六十年代中期为初始发展阶段。主要是对碳复合材料用的碳纤维、碳基本复合工艺进行的研究工作。找到了提高碳纤维弹性模量和强度的技术关键。1965年又开始把化学气相沉积方法引入碳的复合工艺,以美国的情况为代表碳复合材料的发展大体上分为三个阶段,1.发展历史,第二阶段：六十年代中期至七十年代初期是应用阶段。在此期间对增强碳，基体碳和复合工艺都继续做了大量工作。开始把碳基复合材料作为防热和热结构材料应用于火箭发动机喷管、卫星、飞船等尖端技术领域。,第三阶段：七十年代初期至今是碳基复合材料的提高阶段材料的性能得到进一步的提高；较成功的解决了材料的各向异性问题；研制成三向正交细编碳基复合材料；对碳基复合材料的应用性能和微观结构进行了研究。,碳基复合材料有两种制备方法：一是浸渍法，即用增强体浸渍熔融的石油或煤沥青，再经碳化和石墨处理，它的基体是石墨碳，呈层状条带结构，性能是各向异性的。另一是CVD法，即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体上来进行复合，这种方法的碳基体是类似玻璃碳的热解碳。碳/碳复合材料不耐氧化，所以有时需要加抗氧化涂层。,典型碳材料的分子结构示意图,2.碳基材料,碳纳米管：CNTs，又名巴基管，是一种圆柱形碳纳米材料SWNTs是由一层碳原子卷曲而成的碳纳米材料MWNTs则是由许多SWNTs圆柱嵌套而成的。,电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法。,单壁碳纳米管（SWNTs）,多壁碳纳米管（MWNTs）,共价修饰：,纳米颗粒修饰,非共价修饰,CNTs的功能化方法,用强酸处理CNTs，可对其进行化学切割，大大提高它的分散性,与具有大键的化合物之间通过-相互作用来实现其功能化,在其表面包覆上无机纳米粒子后，可以改善其界面性质，应用价值,石墨烯,GN的制备有机械剥离、化学剥离、热剥离以及化学气相沉积，共四种方法,石墨烯：GN，单层石墨片，具有非常完美的二维结构，于2004年由Geim等人采用机械剥离石墨的方法制得。传统认为，自然界不存在完美理想的二维结构，而GN的出现，则引起了材料界的轩然大波，推翻了这一传统认知。,共价功能化：虽然说GN的本体非常稳定，但是由于其边缘缺陷，以及羟基、羧基、环氧基等含氧官能团的存在，仍然具有一定的反应活性。非共价功能化：GN与功能分子之间的键、氢键、离子键等相互作用，将功能材料修饰到GN的表面，以实现对其进行功能化。,GN的功能化,RowanLeary,AidanWestwood等通过Ti02与碳材料复合形成半导体材料,Chen等将纳米Ti02与具有吸附能力的多孔载体复合,通过载体的吸附富集作用来提高传质速率。及催化降解效率。,（1）半导体光催剂化剂,3.应用,碳材料作为超级电容器储能材料具有一些独特的优点：如原料丰富、原料性价比高电化学性能稳定高比表面积生产工艺简单良好的导电性等,（2）碳基超级电容器电极材料,Zhang等在酸性条件下原位聚合苯胺与氧化石墨烯，然后用肼还原该纳米复合物，制备了还原石墨烯与聚苯胺的复合物。在0.1Ag-1电流密度下进行恒电流充放电测试，其比电容最高达到了480Fg-1，表明这种石墨烯复合材料具有优良的电容储能性能。,传统吸波材料由于密度大、吸收频带窄使其应用受到限制，新型吸波材料的探索和研究将会成为吸波材料领域的主要发展方向。碳材料以其独特的物理化学性能一直备受关注。先进碳材料已成为新材料领域的发展重点，特别是优异的介电性能和低密度的特性使其受到吸波材料研究者的青睐。,（3）碳基吸波材料,碳纳米管本身就是吸波剂，通常是将碳纳米管与高聚物复合制备成碳纳米管/聚合物基复合吸波材料来使用，碳纳米管具有优良的导电性能，引入聚合物中可以形成导电网络，从而制得宽频吸波材料.,金属氧化物具有高的理论比容量、环境友好、原料丰富等优点，被视为目前商品化锂离子电池石墨负极的替代材料，然而其低电导率和充放电过程中体积变化大等缺点限制了其实际应用。将金属氧化物与碳纳米材料进行复合可以提高电极的导电性并有效缓冲金属氧化物的大体积变化。,(4)锂离子电池,Sn2+通过与含氧基团之间的静电作用力，被固定在氧化石墨烯片层表面。随后被一定的还原剂还原为Sn纳米颗粒，进而通过高温氧化形成SnO2/石墨烯材料,C/C复合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。,性质：密度低、高比强度，比模量高、热传导性低、热膨胀系数断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀。对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能，是所有已知材料中耐高温性最好的材料。,(5)碳/碳复合材料,碳/碳复合材料导热性能好、热膨胀系数低,因而热冲击能力很强,不仅可用于高温环境,而且适合温度急剧变化的场合。其比热容高,这对于飞机刹车等需要吸收大量能量的应用场合非常有利。因此可以被用作航天航空材料和刹车片材料。,摩