新型碳材料碳基础

第1页，共36页，2023年，2月20日，星期五本章内容1.1碳的存在形式1.2碳的结构1.3碳的性质第2页，共36页，2023年，2月20日，星期五§1.1碳的存在形式第3页，共36页，2023年，2月20日，星期五一、碳材料基础碳元素地球上丰度第14位，90％以CaCO3存在。有人预言，21世纪是“超碳时代”。

金刚石的人工合成、石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原子簇)及碳纳米管的发现及研究都取得了令人瞩目的进展，给人们展现了无限的想象空间。第4页，共36页，2023年，2月20日，星期五一、碳材料基础第5页，共36页，2023年，2月20日，星期五二、碳材料发展历史第6页，共36页，2023年，2月20日，星期五三、碳的存在形式1、煤炭形成：煤炭是远古植物残骸没入水中经过生物化学作用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成的有机生物岩。分布：全世界标准煤可开采量5万亿吨，七位储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰。中国煤炭资源分布面广。山西、陕西、河南、东北，四川也有煤炭资源。种类：中国的煤种分类，其中炼焦煤类占27.56％，非炼焦煤类占72.35％。应用：直接做燃料、火力发电、干馏、焦化厂、气化、液化碳的存在形式主要有：煤炭、焦炭、炭黑、玻璃碳、碳纤维、活性炭、金刚石、富勒烯和纳米碳管等第7页，共36页，2023年，2月20日，星期五三、碳的存在形式2、焦炭定义：生产电石灯产生的矿渣含碳物质高温裂解后产生的矿渣硬炭（原料为含异质元素的纤维素）软炭（原料为有机芳香化合物或亚稳态沥青）按原料分

按用途分：可分为冶金焦（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦

等）、气化焦和电石用焦、人造石墨等。天然石墨人造石墨第8页，共36页，2023年，2月20日，星期五三、碳的存在形式3、炭黑

据记载,中国是世界上最早生产炭黑的国家之一。在古时候,人们焚烧动植物油、松树枝,收集火烟凝成的黑灰,用来调制墨和黑色颜料。这种被称之为“炱tái

”的黑灰就是最早的炭黑。

1821年人们在北美地区首次用天然气为原料生产炭黑,从此炭黑不再是“炱”那么简单,它是“气态或液态的碳氢化合物在空气不足的条件下进行不完全燃烧或热裂分解所生成的无定形碳,为疏松、质轻而极细的黑色粉末”。

1912年人们发现炭黑对橡胶具有补强作用,从此炭黑逐渐成为橡胶工业不可缺少的原材料。第9页，共36页，2023年，2月20日，星期五104、玻璃碳

玻璃碳是在惰性气氛中，将树脂、纤维素、纤维胶加热到1200℃以上碳化形成的一种新型碳，因其外形像玻璃一样光亮，故称玻璃碳(glassycarbon)，简称玻碳。玻璃碳具有气密性和导电性好、热胀系数小、质地坚硬和易于抛光成镜面、化学惰性、具有较高的氢超电位等特点，因此适用于做电化学和电分析用的工作电极材料。玻璃碳一般内部存大量的封闭孔隙。2500～3000度，可消失。无法机械加工，其形状须在加热固化前确定。三、碳的存在形式第10页，共36页，2023年，2月20日，星期五115、碳纤维

碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。

三、碳的存在形式第11页，共36页，2023年，2月20日，星期五126、活性碳

活性炭是一种含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达，比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料，是一种常用的吸附剂、催化剂或催化剂载体。活性炭按原料来源可分为：木质活性炭、果壳活性炭、兽骨/血活性炭、矿物原料活性炭、合成树脂活性炭、橡胶/塑料活性炭、再生活性炭等；活性炭按外观形态可分为：粉状、颗粒状、不规则颗粒状、圆柱形、球形和纤维状等。活性炭的应用极其广泛，其用途几乎涉及所有的国民经济部门和人们日常生活，如水质净化、黄金提取、糖液脱色、药品针剂提炼、血液净化、空气净化、人体安全防护等。三、碳的存在形式第12页，共36页，2023年，2月20日，星期五三、碳的存在形式金刚石呈正四面体空间网状立体结构，碳原子之间形成共价键。当切割或熔化时，需要克服碳原子之间的共价键，金刚石是自然界已经知道的物质中硬度最大的材料，它的熔点高。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。天然金刚石稀少，只限于用作装饰品，因此人工合成金刚石正在成为碳素材料中的重要研究开发领域。天然钻石7、金刚石第13页，共36页，2023年，2月20日，星期五147、金刚石用途：1：作为珍贵的珠宝和饰品2：磨具3:割具制备方法：1：高温高压法P112：化学气相沉积法(CVD法)P12-15三、碳的存在形式第14页，共36页，2023年，2月20日，星期五158、富勒烯和纳米碳管三、碳的存在形式C70第15页，共36页，2023年，2月20日，星期五§1.2碳的结构第16页，共36页，2023年，2月20日，星期五一、碳的价键结构第17页，共36页，2023年，2月20日，星期五一、碳的价键结构第18页，共36页，2023年，2月20日，星期五一、碳的价键结构第19页，共36页，2023年，2月20日，星期五一、碳的价键结构第20页，共36页，2023年，2月20日，星期五一、碳的价键结构第21页，共36页，2023年，2月20日，星期五一、碳的价键结构第22页，共36页，2023年，2月20日，星期五二、碳的晶体结构1、金刚石2、石墨3、纳米碳管4、富勒烯第23页，共36页，2023年，2月20日，星期五三、碳的相图【P30】第24页，共36页，2023年，2月20日，星期五§1.3碳的性质第25页，共36页，2023年，2月20日，星期五碳的性质

1、化学性质2、机械性质3、电子性质4、热学性质5、磁学性质6、光学性质7、表面特征第26页，共36页，2023年，2月20日，星期五一、化学性质第27页，共36页，2023年，2月20日，星期五二、机械性质第28页，共36页，2023年，2月20日，星期五二、机械性质第29页，共36页，2023年，2月20日，星期五二、机械性质第30页，共36页，2023年，2月20日，星期五三、电子性质第31页，共36页，2023年，2月20日，星期五三、电