大四下-碳材料复习

复习（一）提纲第一章炭材料的多样性及发展史（2学时）石、石墨、富勒烯、咔宾★基本结晶形式-★碳的结构★碳的特性第二章碳化工学（6学时）★气相碳化★液相碳化★固相碳化第三章高性能炭纤维及其复合材料（6学时）★PAN、沥青基、粘胶基碳纤维★炭纤维增强复合材料第四章活性炭材料（2学时）

课程内容

第五章储能炭材料(6学时)★锂离子二次电池电极材料★

电池用炭材料★超级电容器电极材料第六章功能性碳材料（4学时）★导热导电碳材料★

电磁

、 隐身碳材料第七章

纳米碳材料（2学时）机动：2学时第一章

绪

论炭材料的多样性及发展史1.碳的分类从分子结构分石墨（包括人造的类石墨结构炭）石）石(天然 石、人造炔碳富勒烯球和纳米炭（2）从用途上分结构碳材料以力学性能为主要特点的场合，其构件主要用于承受力的作用。PAN碳纤维、中间相沥青基碳纤维功能碳材料以导电、导热、高温隔热、吸附、耐高温、耐摩擦、高强刀具等主要发挥力学性能以外的功能的场合。（1）导电：石墨电极、导电炭黑、碳纤维地暖线……碳、导热碳纤维碳毡、

碳导热：隔热：吸附：耐高温：活性炭、活性碳纤维火箭喉衬摩擦材料：刹车片润滑材料：石墨刀具：

石刀具木炭焦炭石墨人类起源木炭为热能的来源铜器时代炭还原铜十

十八

九世

世纪

纪还

钢原

炭剂。炼钢工业初

电中极焦 工

电炭 业

炉作 化

炼1895年

年电极，电刷和电极糊活性炭用于环境年代

年代20世纪20世纪

20世纪1907

40-50

50-60

60-70年代高

热纯

解高

石密

墨石

和墨热解炭C管….高炭膨中金性纤胀间刚60能维石相石碳炭复墨炭薄纳纤

合 微

膜

米维

材

球料人类文明时代烟炱做染料和墨汁20世纪80年代2.碳的应用领域及发展3.炭材料的结构与性质（1）碳原子及其杂化轨道SP3（正四面体）

、SP2（正三角型）、SP（直线型）（2）碳的同素异形体石（diamond）SP3杂化轨道，四个等同σ共价键，具饱和性和方向性面心立方晶体特征：硬而脆；碳中密度最大（3.52g/cm3）；1800℃以上转换为石墨；电绝缘体和热良导体；石的工业生产方法高温静压法CVD高温高压的平衡稳定结构；晶胞体积V=a0.sin60.a0.c0=0.03519(nm)3理论密度D=碳原子质量x

晶胞内碳原子数/晶胞体积=12.011x1.66x10-24x4/35.19x10-24=2.266g/cm石墨（graphite）A、六方晶系（Hexagonal

unit

,2H）型石墨,ABCABC..序列；六方晶胞和菱面晶胞；良好结晶的石墨中，

3R成分约占17%，研磨后可增加到22%；热处理到2000℃，可恢复到ABAB…序列。B、菱形晶系（Rhombohedral

）石墨的特性SP2杂化轨道，2S2Px2Py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运动，类似金属键结构；π键较弱，易发生断裂；特性：1）不熔融和极高的化学稳定性，a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。1968年于石墨片麻岩中发现，其后人工少许；SP杂化轨道，2

个σ键，2个π键；两种类型：

累积烯烃

聚炔=C=C=C=-C≡C-C≡C-线状，单元链长10-12C原子，六方晶体；树脂状组织，白色，白碳咔宾（carbyne）咔宾的性质具有半导体及超导体性质；生物相容性好；由

累积烯烃出发易于转化为金刚石。富勒烯（fullerene）1985年发现的新碳相；当SP2杂化轨道形成的六圆环在一起形成某些五圆环时，它就不再呈平面状而是呈现球状笼形结构；C6020个六元环、12个五元环，当六元环增加时，则可形成更大的球形分子；最大到C960。GraphiteCrystallineC60DiamondIn-plane

(a)c-axesStructureHexagonal

2HCubic

fccubicDensity

(g/cm3)2.261.723.52Binding

energy(eV/carbon

atom)7.47.47.2Thermal

conductivity

(Wm-1K-1)300060.4~2500Elastic

moduli(Gpa)106036.515.9107.6Resistivity(Ωcm)5x10-511x1014~1x1020Thermal

expansion(K-1)-1x10-62.9x10-56.1x10-5~1x10-6Principal

physical

properties

ofthe

3

main

carbon

allotropesA：石墨催化转化为石的区域B：石墨自发快速转化为石的区域C：

石自发快速转化为石墨的区域D：石墨自发缓慢转化为石的区域T1:

4100K P1:

12GPaT2:

4020±50KP2:

12.25

±1.47MPa3.碳的转化3.

碳纤维及制品第二章碳化工学概

述碳化——有机化合物向碳结构转变的过程气相碳化：炭黑液相碳化：炼焦固相碳化：碳纤维第一部分液相碳化一、有机化合物的热裂解与缩聚1.脂肪烃的裂解C-H断键能

Kcal/mol

C—C—C—C—C—C—C—C—C—C—C—C93.6

88.8

86.9

86.1

85.8

85.7

85.7

85.8

86.1

86.9

88.893.6C-C断键能Kcal/molC—C—C—C—C—C—C—C80

77

75

74

75

77

8020000100000-10000

0-20000-30000-40000-50000-60000-7000050100150△F

/

Cal碳原子数n100C300C500C700C3.烯烃的芳构化CH2

CH

(CH2)

CH3F

o

19200

23.6TCH2

CH

CH

CH2+

CH2=CH22-2H-2H4.芳烃裂解与缩聚二、稠环芳烃的结构性质丁蒽戊蒽己蒽丁菲戊菲己菲庚菲三、从有机物到碳的中间产物——沥青（一）石油沥青石油沥青的元素组成及相对分子量原油石油沥青氢核磁振动谱1.沥青的分子结构分析石油沥青的化学结构推测样品号根据核磁谱推测的石油沥青结构后续后续根据核磁谱推测的石油沥青结构Ra:

芳环Rn：饱和环烃（二）煤沥青煤焦炭煤气煤焦油1.煤沥青的生成2.煤沥青的族组成分析3.煤沥青的分子结构模型三、中间相的生成（一）中间相生成的一般过程中间相的形成与发展过程（二）中间相的结构及影响因素（三）中间相（四）中间相理论的应用1.针状焦针状焦的结构性质参数2.中间相炭微球（MCMB）用途：锂离子二次电池电极材料粒径：5－100um第二部分气相碳化第一节碳黑二、碳黑的分类1.

按生产方法分（1）接触法：槽黑：天然气，焦炉气等，特点：粒度细，几纳米到几十纳米表面官能团多，分散好适合做

碳黑（2）非接触法：炉法碳黑：气液态烃类特点：中等粒度，耐磨性好，做填料裂解碳黑：天然气、乙炔纯度高，导电性好，做导电碳黑按用途分橡胶碳黑色素碳黑导电碳黑四、碳黑的结构碳黑的结构——典型的乱层石墨结构粒径与比表面积第二节气相生长碳纤维（VGCF）二、

方法要素：金属催化剂（Fe、Co、Ni）气态碳源（甲烷、苯）高温：600－1400摄氏度方法：1.基板法2.流动法三、VGCF原理与炭黑高温裂解相区别的催化剂的加入，因此VGCF的生长机理与催化剂密不可分。四、VGCF的性质第三节富勒烯与纳米碳管一.

富勒烯的

方法电弧放电法1990年,

Kras er和Huffman等人苯火焰燃烧法1991年7月,麻省理工学院教授Jack

Howard及其实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富勒烯。高频加热蒸发石墨法1992年，Peter和Jansen等人,

2700℃，150KPa

,氮气氛中 了富勒烯球。二.C60的物理化学性质物理性质黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，

>700℃，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪烃中溶解度随溶剂碳原子数的增加而增大。能在不裂解情况下升华。生成热为ΔH°f(C)=2280KJ/mol，电离势为2.61ev±0.02ev，电子亲合势2.6ev～2.8ev，可压缩率为7.0×10-12cm3/dyn，抗冲击能力强。具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适当的金属掺杂后的C60

良好的导电性和超导性。化学性质芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。多种C60衍生物，其中金属包含于C60笼

：M@C60；金属和C60在球外表起反应：MC60。C60和金属的反应C60的氧化还原反应C60与 基反应C60的加成反应

C60聚合反应三、

碳纳米管的

及应用（一）

方法（1）电弧放电法激光蒸发（烧蚀）法等离子体法（1）催化裂解法(复合电极电弧催化法、碳氢化合物催化分解法CVD、)---化学气相沉积法增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法PE-HF-CVD热解聚合物法（化学热解法）离子（ ）辐射法催化裂解无基体法第四节气相渗透沉积碳碳复合材料一、碳碳复合材料主要应用领域航天工业航天飞机头锥火箭喷管航空工业刹车材料热结构件火箭喉衬航天飞机机翼前缘碳/碳复合材料刹车片碳/碳复合材料质量轻、耐高温、耐摩擦、吸收能量大，可满足瞬时制动刹车和苛刻的热环境对材料的要求,是理想的摩擦材料。热梯度CVI低成本的飞机刹车盘天地往返系统碳/碳复合材料头锥复杂零件成形研究化学气相渗积(CVI)工艺PCVI工艺ICVI工艺FCVI工艺LV-CVI工艺LCVI工艺工艺二、碳碳复合材料CVI关键要素：控制裂解，促进扩散TCVI工艺第三部分固相碳化一、定义从有机物到类石墨结构碳的形成过程中，能够始终保持固相状态，从而使有机物的结构形态的主要特征得以保留，这一类的有机物叫碳的前驱体，也简称前驱体，从而扩展到经过结构稳定化作用而可以经受高温碳化处理的物质。三、固相碳化的特征从固态到固态从高分子到“高分子”起始温度低，速度慢炭的结构与前驱体结构联系紧密，碳化工艺影响是辅助的四、固相碳化对炭材料结构性能的影响如何将前驱体的结构形态有效转移到碳材料中去，避免微区结构的破坏与缺陷的形成是固相碳化的

。三、固相碳的结构性能表征孔结构石墨单晶的理论密度为2.267g/cm3，除此而外的所有炭材料，都存在这样那样的孔结构。体密度：真密度、堆密度比表面积与孔分布BET氮吸附法:微孔<2nm中孔2－50nm大孔>50nm2.形态结构光学显微镜扫描电子显微镜（SEM）透射电子显微镜（TEM）扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜

（AFM）3.微晶结构X射线衍射02080-1000010002000300040005000600070008000PAN

PAN-Fe40

602diffraction

angle

/

mradCarbonized

at

2200oCIntensity

/

arbitay

units010708090020040060080010001200140016001800200020

30

40

50

602diffraction

angle

/

mradCarbonized

at

1300oCIntensity

/

arbitray

unitsPAN

PAN-Fe粉末衍射法计算面间距与微晶尺寸

cos(

)Lc

d002

2

sin(

)F

180

180子午线扫描测纤维取向角77第一讲聚丙烯腈碳纤维第三章高性能碳纤维及复合材料一、聚丙烯腈碳纤维的结构strongweak碳纤维结构模型T400的透射电镜横断面纵断面T300和T800微晶结构比较T300T80082二、碳纤维的设计理念高取向：石墨层片沿纤维轴向高度取向孔隙结构呈高长径比沿纤维轴向高度取向多乱层：石墨层片在纤维径向呈犬牙交错的乱层结构或涡卷结构低缺陷:尽可能少的孔隙和微晶缺陷三、聚丙烯腈碳纤维的工艺单体纯化过滤预氧化石墨化炭化表面处理上浆成品加工碳纤维脱单脱泡干湿法纺丝凝固成形水洗热水拉伸蒸汽拉伸干燥致密化2石墨纤维预氧丝聚合原丝干燥致密化1原液上油剂1上油剂283为聚丙烯1.聚合将丙烯腈小分子聚腈高分子的过程1.1碳纤维原丝用聚丙烯腈指标分子量（重均）8－15万分子量分布

Mw/Mn=2.0-3.0共聚单体含量：小于等于6％84基聚合、阳1.2

聚合方法基聚合、活性离子聚合无机溶液体系：硝酸、硫

酸钠有机溶液体系：DMSO、DMAC、AMF分步法、两步法85基溶液聚合：丙烯腈＋共聚单体＋溶剂＋

剂，单体含量14－25％，

剂0.5－1.0％，在65－75℃下，聚合20小时左右，转化率达到95％，然后进行托单脱泡。862.

纺丝2.1湿法纺丝:定义纺丝温度：50－60℃2.2

PAN原丝形成空洞的原因2.2.1

效应PAN纺丝液（PAN+二甲基亚砜）属于良溶液，此时高分子链处于高舒展状态.溶液在喷丝孔中被压缩，在孔口突然膨胀。d0dtL89孔洞Φ20～30nm，L=30

～40nm.表面平行破碎表面径向破碎沟槽90当没有先整体凝胶化时分布不均匀并有很多孔洞的相当先整体凝胶化时可以得到均匀分布且孔洞较小的凝固相2.2.2凝固对孔洞形成的影响★当PAN的溶胶进入第一个凝固池遇到H2O/DMSO时有两种情况

★细空洞大孔洞91聚丙烯腈－DMSO－水三元平衡相图路径1：凝胶化之前产生相分离路径2：凝胶化前不产生相分离SSFPNg12孔洞结构无孔洞结构92当凝固池DMSO浓度，H2O或T对整体凝胶化有利，膨胀体表面凝固层稀薄且均匀，有利于丝内DMSO的向外扩散（称PAN高分子链浓缩凝固）与H2O向内扩散相反地当DMSO浓度，H2O或T来不及整体凝胶化，所以在膨胀体表面上形成无规则的相分离，而粗的膨胀体表面形成大面积凝固层在继续牵伸过程中不断破碎，从而形成表面沟槽结构及大量空洞.这一点不管是干法湿法都有不同程度的表现，但湿法极为严重.932.3干湿法纺丝：94优点：1.丝孔径大（0.1～0.3mm）可纺高浓度（一般22％）、高粘度（50～100pa.s）的溶液。纺丝速度快可达300m/min以上，比湿法高几倍，有可能制得高纤度原丝。纺丝溶液温度较高可以较大限度地减少

效应,先通过空气层的扩散及有效拉伸过程并在第一凝固池温度尽

可能低的条件下

H2O过分的渗透，丝表面形成均匀而薄的凝固层，这样不仅可提高纺丝速度,而且易得到高强度、高取向的原丝,原丝的结构均匀，孔洞少、直径小、高致密、皮芯差异小，强度比湿法高50％以上，能生产出高于T700的原丝95963.预氧化过程3.1预氧化的目的尽一切努力先把每一根PAN链变成梯形高分子链，并在氧化作用下交联，使分子链进一步碳化时不致于高温裂解。97在上述构型中全同立构和无规立构比较容易梯形环构化，而间同立构最不容易使高分子链梯形环构化，从这个意义上建议适当提高全同立构HCN

HCNHNNNH

H

Hmmm

r,

rmrrN

CNHH

cn

cn

Hcn

HNCNHH

HH

H

H

H

H

HHHCNCNCN

H

H

H

HH

HH H

H

H

H H

H

H很难形成平面梯形环，链间铰链的可能性很大CN

CN

CN

CNH

H

H

HH

HH H

H

HH

H3.2预氧化反应（1）环化98CNH

CN

H

CNH

CNHH

H

H

HH H

H

H

H H

H

H+O2OH

H

OHH

H

HHHCNH H

HH

CNH

CNHH

HH

H

H+O2HCNO

HH

O H

H（2）氧化（3）扩散Fig4.The

schematic

draw

of

pitch

fiberrdreff

dr

dC2

лr

drDthat

departing

is2лrDr

,eff

dr

dC

and

that

consumed

is2лrdrpskf

(C)d

2C

1

dC

psk

C.dr2Deffr

dr1

C

sC4

4Ψ

rΨ2

1

r

20

kpsin

whichΨ

r0Wr

0

r32

r

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Skp

tC

ω

rW

m44Ψ21

r0

Ψ

r

21

ω

r

0

r

inwhi=density

of

pitch

fiber,t

isthe

reaction

time

andr/r0ω(r/r0)DeffThus,the

oxygen

content

in

rW(

r

)issimilarly

descaribed

as

follows:Fig5.

The

curves

for

ω(r/r0)

varying

with

r/r0原丝体密度(g/cm3)：（a）1.165;(b)1.170(c)

1.182(d)

1.186①原丝体密度（扩散系数）的影响氧化纤维径向氧的分布（EPMA）A：230℃，3℃/min；B:

230℃，1℃/minAB②预氧化温度、升温速度的影响4.碳化过程控制碳化温度控制碳化时间控制施加的张力原理在惰性气氛中加热升温，使预氧丝内PAN梯形环构链通过相互作用逸出N2，HCN等，使碳原子之间重排，变成准石墨化结构保护气氛的选择目的是在适当的模量条件下，获得高强高形变的碳纤维。103聚丙烯腈裂解期间所出的气体掌握出哪些气体104从表中数据总结，碳纤维微晶结构如何影响其性能东丽公司部分碳纤维性质碳纤维T300T700T800T1000抗拉强度/GPa3.544.905.507.01抗拉模量/GPa230230290290直径/μm7.17.15.15.1表面形貌表中数据需要牢记！107第二讲粘胶碳纤维及沥青基碳纤维第一部分粘胶基碳纤维一、从粘胶纤维向碳纤维的结构转化1.粘胶纤维的结构性能纤维素每个晶包内有两条分子链和4个葡萄糖结构单元密度（g/cm3）：晶区1.592，非晶区1.455，平均1.50Ⅰ纤维素Ⅱ2.

粘胶纤维的热分解反应(C6H10O5)n

6nC+5nH2O理想的碳化反应是脱水反应，碳化收率可达44.4％，而事实上要小得多。实际的分解反应总是从键能低的地方断裂，同时放出焦油、CO2、CO、HCOOH、CH4等。所以粘胶碳纤维的关键是采用合适的催化剂，促进脱水，从而抑制左旋葡聚糖的生成导致碳的流失。109二、粘胶碳纤维生产工艺粘胶液于硫酸等凝固浴中湿法纺丝碱性纤维素NaOHCS2纤维素磺酸钠盐纤维素磺酸钠溶于碱液粘胶基人造丝纤维素粘胶纤维水洗催化浸渍预氧化碳纤维表面处理高温碳化低温碳化110三、结构性能影响因素1.水份3.

催化剂的作用及选择硫酸尿素处理后粘胶纤维热处理失重率四、世界主要粘胶碳纤维牌号113五、粘胶碳纤维的应用和火箭的鼻锥部收率低，价格昂贵密度低，导热率差，隔热性好用于高温隔热材料和烧蚀材料，用在分。114第二部分沥青基碳纤维沥青是有机物在液相碳化中缩聚产生的中间产物，可分为石油沥青、煤焦油沥青和沥青。软化点合适的沥青（250℃以上）可以通过熔融纺丝

成沥青纤维，经氧化、碳化可

成沥青碳纤维。根据沥青原料的性质可分为各向同性沥青碳纤维和中间相沥青基碳纤维。由于中间相沥青性

的碳纤维性能高，因此又称作通用级沥青纤维和高性能沥青纤维。116—、沥青碳纤维工艺制备流程各种沥青各向同性沥青预中间相沥青潜在中间相沥青中间相沥青各向异性沥青纤维各向同性沥青纤维各向同性沥青纤维各向异性沥青纤维各向异性不熔纤维各向异性不熔纤维各向同性不熔纤维各向同性不熔纤维高性能石墨纤维低性能石墨纤维各向异性高性能碳纤维各向同性低性能碳纤维加氢加氢拟似中间相熔融纺丝氧化不熔化（250-400℃）碳化（1100-1800℃）石墨化（2500-3000℃）117二、纺丝沥青的调制1.各向同性沥青由普通沥青

。从成本考虑，一般只采用石油渣油和煤焦油沥青为原料。为了提高收率、 中间相的产生，往往要通过空气液相氧化法迅速提高分子量，使软化点提高到270℃以上。1181191.1精制目的：脱除固体杂质和杂原子静置沉降加热降低粘度加溶剂油稀释，然后通过蒸馏除去溶剂油离心沉降加热降低粘度加溶剂油稀释，然后通过蒸馏除去溶剂油（3）预缩聚后沉降除去化学性质活泼的S、N元素热过滤超临界溶剂萃取1.2

缩聚（2）硫化2目的：提高分子量及软化点（1）空气吹扫氧化交联200－400℃1

O2

2Ar

Ar

—

Ar

H2O各向同性纺丝沥青的性质：软化点：230～280℃。H/C：0.55～0.70。Q1:

小于5%。MW/MN:1.13～1.35。非触变性黏-温特性（即随着温度变化黏度变化很小）2.

中间相沥青的采用低软化点的煤沥青、石油沥青或纯的芳烃化合物为原料，经过催化、低温惰性气体保护下热缩聚，沥青分子经热缩聚长大形成中间相流线型结构。煤焦油或石油渣油需要经过过滤、蒸馏等获得不含固体杂质的低温沥青（150℃左右），然后通过350－400℃热缩聚。沥青首先要用催化剂将芳烃催化成齐聚物。123（1）热缩聚法常压，380－420℃124（2）离心沉降法125（3）溶致改性与热缩聚相结合，通过溶剂去掉部分固体杂质和低分子量物质，然后在温和的条件下使分子进行物理重排，产生的中间相软化点低、纯度高，适合高质量的中间相沥青。三、沥青纤维的纺制采用熔融纺丝方法，有牵伸法、离心法和喷吹法。1271.纺丝条件对纤维结构的影响vr=vθ=0nr=cos(r)ne=sin(r)nt=0挤出剪切与拉伸剪切128(1)喷丝板的影响129Fig.10.

Transverse

textures

of

mesophase

pitch-basedcarbon

fibers[56]（2）纺丝温度的影响质量平衡：L

L2)D

V

常数20

044w

(

)D

V

((1)σm133第三讲碳纤维增强复合材料第一节复合材料基本概念一、定义由一种和几种非连续相的材料增强连续相材料构成，在材料间存在界面，界面间的作用力等。二、复合材料的三要素基体——连续相增强材料——非连续相界面——结合点三、复合材料分类树脂（高分子）金属陶瓷碳复合材料颗粒增强纤维增强连续纤维增强非连续纤维增强纳米颗粒增强微米毫米级颗粒增强片状颗粒增强非连续纤维增强晶须增强（随机/定向）短切纤维增强（随机/定向）纳米纤维增强（随机/定向）连续纤维增强单向纤维增强非编织纤维层合三向及多向编织二向织物层合1391.

基体聚合物（环氧、聚酯、酚醛等）无机物（碳、硅酸盐、碳化硅、氮化硅等）金属（铝、铜等）增强材料玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维等、也可以是织物、毡、短纤维、颗粒等。界面以氢键、偶极力形成的非共价键结合力，起着传递应力的作用复合材料是人类智慧的结晶。复合材料是人类对材料追求高强度、高模量和低重量的必然结果。复合材料是航空航天和国防领域不可或缺的关键材料。四、复合材料特点1、各向异性和性能的可设计性⑴纤维增强复合材料的力学、物理性能除了由纤

体的种类和含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层序列等有关；⑵可根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同，选择相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。1442.多样性⑴耐高温性、耐烧蚀性好－碳/碳、碳/陶⑵优异的电绝缘性和高频介电性能

—玻纤/树脂复合⑶良好的摩擦性能—碳/碳⑷优良的耐腐蚀性－碳/树脂⑸有特殊的光学、电学、磁学特性

—多相复合比强度、比模量高重量轻、强度高、模量大σ/ρ，E/ρ结构材料的减重，用最轻重量获得最大强度或模量耐疲劳性能好，破损安全性高疲劳破坏有预兆；界面疲劳极限/静极限强度的百分比高（S-N）大量独立的纤维-静不定体系5.良好的加工工艺性⑴可根据制品的使用条件、性能要求选择原材料（纤维、树脂）⑵可根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法⑶材料、结构的在同一工艺过程完成即可整体成型，减少装配零件的数量，节省工时、节省材料、减轻重量第二节

碳纤维的表面处理一、目的:在碳纤维表面产生官能团，增强与基体的复合作用去除碳纤维表面浮碳，避免与基体虚假结合适当刻蚀纤维表面，使其在与基体复合时产生物理嵌合作用评价标准：层间剪切力（IL-SS）149二、表面处理的方法TreatmentImprovement

inIL-SS(%)气相氧化（空气、臭氧、等离子体）10－15液相氧化（硝酸、硫酸、阳极氧化）100－200表面晶须化200－300裂解碳包覆60－100聚合物接枝80－1001511.气相氧化法反应介质：空气、氧气、臭氧等温度：

350-600℃反应时间：30s－2h优点： 设备简单，易和CF生产线相衔接。缺点：（1）氧化反应剧烈，难以控制，纤维的抗拉强度有一定程度的降低；（2）处理的效果往往难以重现。2.液相氧化法（1）液相氧化介质优点:（1)效果比气相氧化法好,条件适当时复合材料的剪切强度可增加1.0倍以上,而纤维强度仅略有降低;（2)只氧化纤维的表面.缺点:（1)多为间歇式操作,处理时间长,处理过程中纤维的洗净也很重要;（2)操作复杂,难以和CF生产线相衔接.（2）电化学氧化法特点：处理条件缓和，反应易于控制，操作简便迅速，并可直接连接在生产线上，适于工业化生产。3.表面涂层法聚合物涂层溶液还原法表面接枝法化学气相沉积法热分解反应CH4→C+2H2氢还原反应SiCl4

+H2

→Si+4HCl复合反应3SiCl4

+

4NH3

→

Si3N4

+

12HCl与基体的反应SiCl4

+2H2

+C(基体)→SiC+4HCl5.复合工艺（1）铺层结构复合材料（2）压力容器与管材一个旋转轴往复递进两个旋转轴，处于一个平面上缠绕设备组成：树脂槽、纤维束展开装置、芯模、控制系统、适合和脱模设备等。的构件：管、圆柱形压力容器：火箭发射管、飞机副油箱、发

短舱和帽罩、火箭发机匣等。（3）拉挤成型连续生产固定截面型材的成型方法。主要过程是将浸有树脂的纤维连续通过一定型面的加热口模，挤出多余树脂，在牵引条件下进行

。拉挤成型机由纱架、集纱器、浸胶装置、成型模腔、牵引机构、切割机构和操作控制系统组成。碳纤维拉挤成型应用：抽油杆电缆加强芯竿桥梁索160第四章活性炭材料Activated

carbon

强调Active

carbon

强调特性活性炭就是一种经过活化、有活性的多孔炭。161162二、活性炭的孔结构1.孔径的划分根据杜比宁的划分，直径小于2.0nm的叫微孔大于100nm的叫大孔中间的叫过渡孔，也叫中孔2.孔的形状虽然用了直径这样的词来描述活性炭的孔，但其形状是复杂的。大孔可以通过电镜观察到，为近圆形或裂口形的。但对于微孔，则根据容易吸附苯、奈等扁平的分子而认为是狭缝形的根据想象，孔的关系是少数大孔分支形成过渡孔，再从过度孔上分支形成无数的微孔，但这样的结构并不能解释所有的现象。孔的常常比小，即呈墨水瓶装的孔，因为大部分的脱附等温线都比吸附滞后。1633.比表面积普遍接受的测试方法为BET氮气吸附法，即Brunauer－Emmertt－

ler法。主要是将根据多分子层吸附模型计算出单分子层吸附量。164如果将P/P0写作x，则上式可变为：根据直线的截距和斜率可计算出单分子层吸附量Vm，即每克活性炭吸附的单层吸附质的量。根据吸附质的分子半径即可计算出活性炭比表面积。1654.孔的容积与孔径分布孔容可以通过饱和吸附压力下的吸附量计算，此时可以认为吸附质为液相状态。最常用的方法还是用吸附等温线根据毛细管凝结法计算。Kelving公式：166测量范围：在2nm到30nm之间的孔径比较真实。167三、活性炭的活化方法化学药品活化－化学活化KOH、ZnCl、NaCl、NaCO3等等气相活化－物理活化水蒸气、 等氧化性气体模板法以分子筛等多孔物质为模板，将碳质前驱体浸渍在孔隙中，经碳化后将模板去除，得到具有反转孔结构的活性炭1682.活化机理无论何种活化，其本质是部分炭被烧蚀而留下孔隙结构。化学活化中还有插层的因素，因此比表面积和收率较物理活化高。C+H2O=H2+COC+2H2O=H2+CO21691703.

活化炭的分类从形态粒状活性炭、球状活性炭、活性炭纤维活性炭粉从性能分普通活性炭和超级活性炭从原料分生物质活性炭、煤质活性炭、树脂活性炭、沥青基活性炭4.

方法（1）生物质活性炭首先将浓的化学药品溶液，如氯化锌，与生物质充分混合干燥后在惰性气体保护下在600－

700℃下热处理，洗涤去除残余的锌盐得到活性炭，原料炭的固定率可达80％左右。171（2）煤炭类活性炭煤质的特点是比生物质含碳量高，但由于从褐煤到无烟煤的差别比较大，适合采用的方法也不尽相同。用物理活化和化学活化均可，但一般要经过 、成型等工艺。172（3）沥青焦采用石油焦或煤沥青焦为原料，通过洗涤、脱灰，采用化学活化方法，可

超高比表面积活性炭，也称超级活性炭。173（4）碳纤维以PAN、沥青、酚醛树脂及粘胶基碳纤维（毡）为原料，通常采用物理活化方法制得活性碳纤维（毡）。由于碳纤维很细，因此产品以微孔为主。（5）树脂基碳除纤维外，树脂可

成球形或凝胶体，然后通过活化提高比表面积。凝胶本身为多孔结构，直接碳化也可获得一定比表面积的活性炭。176第一讲超级电容器电极材料第五章储能碳材料一、电容器基础知识1.

电容器的储电机理对于任何一个不受外界影响的“孤立”导体而言，当导体带电时其所带的电量Q与相应的电位U之比，是一个和导体所带的电量无关的量，称为孤立导体的电容，即：U地球的电容：700uFC

Q2.

平板电容器4.

平板电容器的容量3.6dd

-

cm,

S

-

cm

2以离子结构的介电质的最高介电常数计算

105计算，如果面积S为1.0m2，即10000cm2，平板间距d为0.2mm，即0.02cm，则容量为

4420uF，即0.044F。C

S

106

,

uF二、超级电容器1.

因何而超级？Super-capacitor，

ultra-capacitor如果面积S为1000m2，即107cm2，平板间距d为1.0nm，即10-4cm，则容量为885F，如果电压为1.0V，以1.0A电流放电，放电时间可达885s，即885As，换算成电池的容量单位为245mAh。3.6dd

-

cm,

S

-

cm

2C

S

106

,

uF超级之处在于容量大，而大容量可以通过增大平板容量、减小平板间距离得以实现，然而如何能达到1000m2的面积而不致使体积增加很多？采用活性炭和离子溶液作为电介质两个转变：平板→多孔材料，使比表面积增大固体介电质→离子型溶液，d大大减小作为电极的多孔材料中的电荷与吸附在孔壁上的离子构成双电层，因此也较双电层电容器。182超级电容器容量计算45332

161.电源，2.电流表，3.集电体，4.阳极，5.阴极，6.电压表t,

sU恒电流I下的充电曲线Cs

2Q

2ItUm

Umm

单电极的质量U电压第二讲电池用碳材料H2一.基本结构二.材料及功能1.质子膜：传到H＋质子并非质子的通过，绝缘，耐高温（200摄氏度以上），由无机参杂的聚合物构成。2.

扩散层：碳纸或碳布因为要通入氢气及氧气，必须具有高透气性的功能，在材料的选择上必须采用多孔透气材料。气体扩散层所处环境同时存在还原介质与气化介质，所以必须具有抗腐蚀能力。因此选择碳材料作为气体扩散层的主要材料。扮演电流的传导器，因此气体扩散层的导电度必须有一定水准以上。为了确保电池组的温度均匀分布，气体扩散层必须是热的良导体。气体扩散层必须具有足够的抗弯曲强度来抵抗操作压力及热循环稳定性。3.

电催化层以碳黑、碳纳米管、石墨、MCMB、石油焦作为Pt等催化剂的载体。催化活性主要取决于载体的结构。4.

双极板石墨：致密性好，导电性好，强度高。第六章功能性碳材料第一讲

电磁

与隐身材料一、电磁

材料（一）电磁辐射基本知识电磁辐射自然辐射： 光（红外、紫外、可见光等）地球的天然磁场宇宙中的其他电磁波雷电等自然静电产生的电磁波人造辐射：通讯电磁波：电台、电视、医疗：x射线、放射性治疗电磁设备：微波炉、电磁炉2.电磁（1）利用吸收或反射电磁波的物质将被保护对象

使其免收电磁波危害，如防晒霜、电器的壳体、防辐射建筑材料等。（2）主动利用电磁吸收或反射物质将电磁波的发射源

，以免电磁波发射对外界造成危害，如电磁炉壳体、x射线放射设备等。（二）电磁

原理通过材料表面的反射、材料

的吸收和多次反射