碳材料科学与技术思考题

《碳材料科学与技术》思考题汇总碳的同素异性体有哪些？结构和性质有何差别？金刚石：SP3碳中密度最大，硬度最大，有良好的电绝缘性，热良导体，正四面体结构石墨：SP2层片结构，分为六方晶系与菱形晶系，导电导热性能好，柔软，有润滑性，各向异性。卡宾：SP杂化轨道，聚烯烃或者累计烯烃结构，半导体或超导性质，生物相容性好，易转变为金刚石。富勒烯：SP2杂化轨道形成的六面体球状结构。石墨烯：是从石墨的片层上摘下一层或几层六面体平面，硬度较大，卷起来可以做成碳纳米管。什么是液相碳化？简述其特点及应用。碳化——有机化合物向碳结构转变的过程。液相碳化-有机物在液相状态下经过芳构化形成稠环芳烃并进一步脱除非碳元素的过程，比如从有机物到沥青，从沥青到中间相，从中间相到生焦。通过控制液相碳化过程可制备针状焦、中间相沥青、中间相碳微球等产品。是炼焦用，特点：（1）液相反应（2）反应温度低（3）有加速现象（4）粘度逐渐增大，直到固体简述煤沥青与石油沥青的共性与差别。两者都是沥青，都是经过热缩聚得到的产物。其中，石油沥青是以石油为原料，经过裂解碳化得到的，而煤沥青是以煤为原料，先得到煤焦油，后得到沥青。相比之下，煤沥青有如下有点：（1）煤焦油含碳高，稠环芳烃为主，侧链少，性脆（2）空气吹扫时间增加，含氧量提高，软化点提高（3）吹扫时间增加焦收率增加制备中间相纺丝沥青与中间相碳微球，原料与工艺的差别何在？两者都是从沥青出发，通过液相碳化形成中间相。前者要求尽可能形成流变性能好的大融并体，后者希望生成球径可控的小球体，相互不融并。因此前者要求原料纯度高，生成的小球完全融并，后者要求生成的中间相小球不融并，往往要加入炭黑等纳米级碳微粒阻止融并。反应温度前者较低、缓慢，后者温度较高，快速增长。何谓针状焦？与普通焦比有何优良性质？焦是指有机物经过裂解得到的残留的固体物质，基本元素为碳。因原料的不同有煤焦、石油沥青焦、煤沥青焦等。根据结构的不同分为普通焦和针状焦。延迟焦化与普通焦化相比进行了两项改革，一是先在低温（500℃气相碳化的特点是什么？炭黑与气相生长碳纤维的制备有何区别与联系？有机物在气相的状态下，向碳结构转变的过程。碳纤维：金属催化剂（Fe、Co、Ni）、气态碳源（甲烷、苯）、高温：600－1400摄氏度炭黑：气相碳源：天然气、苯、焦油。高温：1260－1420摄氏度，从制备工艺上，炭黑的分类是怎样的？简述工艺要点。炉法炭黑：原料气（油）与空气（风）以一定比例混合通入反应炉，反应温度靠部分燃烧而维持。风油比越大，反应温度越高。要素：气相碳源：天然气、苯、焦油。高温：1260－1420摄氏度，槽法炭黑：反应气在暴露在空气中的槽钢下不完全燃烧而沉积，温度高而且过度氧化，适合于色素炭黑。裂解炭黑：裂解炉温度通过燃烧尾气的方式加热，然后切换成纯的反应气在无氧环境下裂解，官能团少，导电性好。从用途上分，炭黑的分类是怎样的？简述性质特点（粒径、表面官能团、导电性等）。（1）橡胶碳黑：粒径小，耐磨性能好，（2）色素碳黑：粒子越小，黑度越高（3）导电碳黑：导电性能好。炭黑热导率很小，但是有很强的硬度以及耐磨性、回弹性。为什么用碳纳米管纺制碳绳不像碳纳米管的理论拉伸强度那么高？制约因素有哪些？碳纳米管只是一层或几层的石墨片层经过卷曲后形成的，而纺制的碳绳，其中会有加捻，缠结，拉伸时候会产生应力集中点，使其中的六面体结构发生破坏，还会产生混乱结构，不利于力学性能的增强。扩散是制约气相沉积制备碳碳复合材料均匀性的关键因素。如何消除这些不利的因素。在限域加热段，随致密化的进行，通过限域加热控制，使预制体内不同位置的受热环控制，使预制体内不同位置的受热环境发生改变，可对指定区域加热，有境发生改变，可对指定区域加热，有效控制沉积区域的温度，达到对整个有效控制沉积区域的温度，达到对整个致密化进程控制的目的，有利于在整个致密化进程控制的目的，有利于在整个预制体内获得较为彻底的致密化效个预制体内获得较为彻底的致密化效果。固相碳化的特点是什么？试举例分析前驱体的结构对碳材料结构性能的影响。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。前驱体的结构如果规整，则制得的碳材料的结构也会规整，从而力学等性能能够得到很大提高，反之，如果前驱体的结构就很混乱，则碳材料的结构也很混乱，不利于性能的提高。碳纤维结构与天然石墨的结构有何区别又有何联系？两者都是由六面体组成的平面，堆叠的结构。区别是：石墨是一层一层之间层间距相等，并且每个六面体都是规则的。而碳纤维结构是堆砌很乱，乱层结构，因而它是脆性材料，但是和石墨一样，具有导电性。碳纤维力学性能的决定因素有哪些？碳纤维的形成主要是受其结构控制的，主要包括三点。。。。。。，这些结构参数与前驱体、工艺条件是相关的、、、、、、结构规整度，取向度，预氧化、碳化、石墨化的过程对于结构的影响，还有拉伸时的速率，碳纤维本身的损伤等。在碳纤维制备工艺中“不熔化”是如何实现的？不熔化就是将前驱体结构在适当条件下生成不溶不熔的结构。具体分沥青纤维、丙烯腈纤维、粘胶纤维来论述。尽一切努力将每一个PAN链变成梯形结构，在氧化作用下交联，使分子链碳化时有最高的碳得率，保持高度择优取向。试比较PAN、沥青和粘胶碳纤维的结构与性能。PAN：主要是PAN经过氧化环化后经过碳化和石墨化得到的，力学拉伸性能较强。沥青黏胶：每个晶胞内有两条分子链和4个葡萄糖结构单元，孔隙率大，导热性能差，但是隔热性能好，强度大大不如PAN基碳纤维。试论如何根据复合材料基体及使用性能选择碳纤维的表面处理工艺。表面处理工艺取决于基体的结构，如果复合材料的基体中有极性强的集团，则与碳纤维有强的分子间力，无需对碳纤维做很多的表面处理就有强的界面效应。如果基体中没有极性集团，则需要对碳纤维的表面进行一定的处理与刻蚀，来增强其与基体的界面效应。更好地起到传递载荷的作用。活性炭的“活性”从何而来？制备活性炭的方法有哪些？所制备活性炭的孔结构有何区别？活性是通过在单位面积上尽可能多地引进孔，增强吸附性。活性炭就是一种经过活化、有活性的多孔炭。制备方法：（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℃（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，但一般要经过粉碎、成型等工艺。（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，可制备超高比表面积活性炭，也称超级活性炭。（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，树脂可制备成球形或凝胶体，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。（6）模板碳：以分子筛为模板，经过浸渍、碳化、去除模板，制备成单一孔径分布的活性炭作为催化剂载体的活性炭和作为甲烷等气体吸附的活性炭在孔结构设计上应如何考虑催化活性炭主要是起到催化作用，要求活化，并且比表面积要大，在单位面积的孔洞要尽可能多，而甲烷等气体吸附的活性炭的比表面积的要求不是很高，孔径也不必很大，只要提高吸附性即可。碳材料作为锂离子电池负极材料的储能机理是什么？活性物质：碳材料（天然石墨、人造石墨、MCMB）、钛酸锂、硅、锡氧化物由于锂电池是摇椅电池，在充放电的过程中是通过锂离子的正负极之间的移动来达到的，负极材料的储能主要是在储存锂离子，讲锂离子嵌入碳材料的结构空隙中。以碳材料为锂离子电池的负极材料，影响其可逆容量密度和功率密度的因素有哪些？如何根据此选择碳材料？石墨化程度要高、粒度要小、纯度要高、核壳结构的高度石墨化从平板电容器电容的计算公式出发，分析影响电容量的因素有哪些，解释活性炭作为电极为什么能实现“超级”电容量。与面积、平板间距离、电量等因素有关。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，平板间距离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。质子膜燃料电池是由哪几部分构成的？分别用到何种（碳）材料？质子膜：由无机参杂的聚合物构成。扩散层：碳纸或碳布电催化层：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。双极板：石墨：致密性好，导电性好，强度高试分析电磁屏蔽和雷达隐身对材料及结构设计的不同。电磁屏蔽是在辐射源和保护对象之间设立屏障，反射、吸收均可，目的是让保护对象免收辐射。雷达隐身目的是使探测对象不反射（散射）雷达波回到雷达，所以要减少反射。。。。。。（可以从表层、芯层材料的不同展开）类石墨材料的导热性能与其结构有何关系？举例说明。