炭质功能材料

L碳：

・物理性质：碳（carbon）是一种非金屈元素，化学符号：C元素原子量：12.011质子数:6原

子序数：6周期：2族:IVA电子构型：ls%?2忧电子在每能级的排布：2,4熔点：约为3550C

（金刚石）沸点：约为4827°C（升华）颜色和外表：黑色（石墨），无色（金刚石）

碳原子的价态碳的基态电广结构：Is22s22P2基态的原（■

价为二价，但在许多化合物中碳多为四价。

形成共价键时一个2s电子被激发跃迁到

2P轨道上形成具有成犍能力的四个价电

7Ps22s2P,2py2Pz

__,,________杂化|「人人人|

(N|f；T||,—»|TTTT

2s22P2I2S2P12py2Pl

四个不成对电子，成键能力高。使碳

碳的原子序数为6,具有很崩

原子的杂化有二种价态：$p3sp2即

的结合能力

•同位素：自然产生的碳由三种同位素组成：”c和13c为稔定同位素（碳-12占地球上碳的98.93斩

而碳・13则占剩余的1.07乐气、匕常用作示踪剂，生物体中%同位素的比率更高，因为生物

化学反应会选择性地消除“C,而核磁共振所探测的是叱）,而“C则具放射性,其半衰期约为5,730

年，是少数几个自近古就被发现的元素之一，是构成碳基生物的最基本元素，可测量年龄在4

万年以下的含碳物质（年代测定、生物遗体遗骸）。碳有15种已知同位素，其中存活时间最短

的是'C,它会进行质子发射和。衰变，半衰期为1.98739x10"秒。

•成键：碳原子一般是四价的，这就需要4个单电子，但是其基态只有2个单电子，所以成键时

总是要进行杂化.最常见的杂化方式是叶,杂化.4个汾电孑被充分利用.平均分布在4人轨道

里，属于等性杂化,这种结构完全对称，成键以后是稳定的。健，而且没有孤电子对的排斥，

非常稳定。金刚石中所有碳原广都是这种以此种杂化方式成键。烷烧的碳原「也属于此类。

•同素异形体：①金刚石：是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质，可作为工艺品

和工业中的切割工具；②石墨：一种最软的矿物，可用于制造铅笔芯和润滑剂；③石墨烯（单

原子层石墨）是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，目前发现的最薄、强度最大、导电导

热性能最强的一种新型纳米材料，很可能会成为硅的替代品，也非常适合作为透明电子产品的

原料:④富勒烯（Fullerenes,也被称为巴基球或足球烯）:富勒烯与石墨结构类似，但石墨的

结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。富勒烯类SP3杂化金刚石•益丝望尔石

化合物在抗HIV、酶活性抑制、切割DNA、光动力学治疗等冲2杂化石墨石墨端•富勒操坡通蕨

方面有独特的功效：⑤无定形碳（Amorphous,内部结构是SP杂化直钺乙焕碳

石墨）：一般指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。茸他Ci-C2-C4-C8

除骨炭含碳在10%左右以外，其余主要成分都是单质碳。用相关蜡石活性炭

途极为广泛，日常生活和工农业生产中常用到无定形碳：⑥碳纳米管（carbonnanolubes,巴

基管）：一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。

•单质：最常见的两种单质是高硬度的钻石和柔软滑腻的石墨，它们晶体结构和键型都不同。金

刚石每个碳都是四面体4配位，类似脂肪族化合物；石墨每个碳都是三角形3配位，可以看作

无限个苯环稠合起来。

•化学性质：①在软气中燃烧剧烈放热，发出刺眼白光，产生无色无味能使氢辄化钙

溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体，化学方程式：C+02==点燃==C02

②在空气中燃烧放热，持续红热，产生无色无臭能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）

变浑浊的气体C02：当燃烧不充分，即氧气量不足时，产生一氧化碳：

氧气充足时化学方程式：C+02==点燃==C02

氧气不足时化学方程式：2C+O2==点燃==2C0

③作为还原剂：碳作为还原剂拥有和氢气、一氧化碳相似的化学性质（但生成物不

同），都可以从金属氧化物中还原出金属单质。

碳还原氧化铜：C+2CuO==高温==2CU+CO2t

碳还原氧化铁：3c+2Fe25==高温==4Fe+3c。2t

碳还原二氧化碳：C+C02==高温==2C0。

与强氧化性酸反应：C+2H2s。4（浓）==加热==C02t+2SO2t+2H2O

C+4HNO3（浓）==加热==C02t4NO2t+2H2O

④稳定性：碳在“常温”下具有稳定性，不易反应，故古代名画现代能保存，书写

档案要用碳素墨水。

2.炭材料：

•定义：是主要以煤、石油或它们的加工产物等（主要为有机物质）作为主要原料经过一系列加工

处理过程得到的一种非金属材料，其主要成分是碳。

•品种：广义上看，金刚石、石墨、卡宾都属于炭材料，这是一个广义的定义，但由于金刚石和

卡宾在自然界存在非常少，结构也单一，不像石墨那样具有众多的过渡态中间结构（如焦炭、

碳纤维、煤炭、炭黑、木炭等狭义上看，炭材料一般是指类石墨材料，即以SP?杂化轨道为

主构成的炭材料，从无定形炭到石墨晶体的所有中间垢构物质（过渡态碳），它是由有机化合物

炭化制得的人造炭.

•性质：和金属一样具有导电性（介于金属和半导体之间）、导热性：和陶瓷一样耐高温、热膨胀

系数低（金属的1/10左右）、耐腐蚀：和有机高分子一样质量轻，密度低1.6-2.0,分子结构多

样；另外，还具有土模量、比强度高，趣动衰减率小，以及生体适应性好，具滑动性和减速中

于等性能。

・应用：I.机械工业：轴承、密封元件、制动元件等：

H.电子工业：电极、电波屏蔽、电子元件等：

III.电器工业：电刷，集电体、触点等；

IV.航空航天：结构材料，绝热、耐烧烛材料等：

V.核能工业：反射材料，屏蔽材料等；

VI.冶金工业：电极，发热元件，坨锅、模具等：

VII.化学工业：化工设备，过滤器等：

VIII.体育器材：球杆，球拍，自行车等

3.炭材料制备工艺：

•气相碳化：通过气相裂解生成碳的物质。一切气态原料转化成固体碳的过程，即挥发先于热解

的化合物、碳原f数在20个以下的链烷短、烯燃或芳烧化合物，通常具有200c以下的沸点，

在通常情况下于气相中进行炭化。主要包括：1）气态烧高温下在惰性固体表面的沉炭反应；2）

燃类在无氧和有氧然解条件下气相成核和多分散炭黑的形成；3）在活性金属质点存在下气态始

类经催化分解而生成纤维状炭

•液相碳化：经熔化、液相碳化（聚合、缩聚）、裂解等过程生成的碳。热解先于挥发的液体或高

温下熔融的固体妙类有机物在惰性气氛中热解时，•段经历液相炭化成炭，其温度范围•般在

350-550-C,主要对象为重质稠环芳烧，如沥青、渣油、葱、茶等的热解。包括1）氢转移反应：

液相反应温度比气用低得多，从能量观点看，芳燃本身很难在500℃以下均裂成自由基。但是，

由电子迁移引起的离子化反应即芳燃间相互作用所诱发的氢转移，氢阴离子向电子迁移后具有

正电荷的芳核转移所需要的能量更低。热转化时，分子的氢转移是反应的重要因素；2）自由基

反应：是液相炭化中最主要的反应。分两阶段进行：通过化学电子转移产生一自山基离子一。

自由基。它极不稳定，反应性强，寿命短；稳定的兀自由基缩聚物在反应的第二阶段形成，由

于离域性，被共振稳定化，可由ESR测定：3）增环反应。

•固相碳化：经固态转化成碳的过程。固态的炭化反应物不经气相或液相而直接于固态发生分解

和热缩聚反应.变成固态炭化生成物的过程,成为固相炭化.苴特征为1〉原始固态物的形态和

结构基本确定了最终炭的形态和结构；2）由固相炭化一般得到无择优取向的难石墨化性炭前驱

体，炭化条件难以改变原料炭的本性；3）如果将炭化分进行预处理，使之具有高度的择优取

向，虽然其石墨化性本质不变，但反应后的芳构平面有时也会具有取向性，也可以经过固相反

应得到易石墨化性炭。

4.催化剂在炭材料制备中的作用：定向合成，优化结构。

•化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition）：利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或

单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。化学气相沉枳技术是应用气态物质右固体

上阐述化学反应并产生固态沉积物的一种工艺，它大致包含二步：（1）形成挥发性物质；（2）

把上述物质转移至沉枳区域；（3）在固体上产生化学反应并产生固态物质o其特点为1）在中

温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。2）可

以在常压或者真空条件下（负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好）。3）采用等离子和激

光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。4）涂层的化学成分可以

随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。5）可以控制涂层的密度和

涂层纯度。6）绕镶件好。可在复杂形状的基体上以及领粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状

的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。7）沉积层通

常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。

8）可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶凭和化合物涂层。

5.炭和石墨的区别：材料中碳原子趋向理想石罩结构的程度不同

6.炭-石墨材料的种类:

•电极材料：①电解：石器电极，可用于电解食盐水溶液生产烧碱和通过熔融盐电解法制造金屈

镁、金属钠。

②加热：炭电阻棒以沥青焦为原料。主要用于竖式电阻炉生产氯化镁时作发热体和填充材料。

•结构材料：炭纤维豆合材料：由于优良的导热耐热和力学性能，它可以作为火箭常用的结构材

料，以及制作高纯金属、半导体材料、稀有金属时所得的器件：具有石墨的润滑性，可作为摩

擦滑动材料，制作釉承和齿轮，实现无油润滑：其具有减速能力强、吸收中子小、化学稳定性

高、耐大量中子及其它射线长期作用的特点，是核反应堆的重要结构材料。

•吸附材料：活性炭（详见12-）

・散热材料：高导热石墨材料：可制作热交换器、反应槽、吸收塔、气体燃烧塔、盐酸合成炉、

石墨离心泵、喷射泵以及各种管道和接头。

•功能材料：①热：D高炉炭块用冶金焦及无烟煤作为原料，制品在1200C左右焙烧而成。常用

于砌筑大型高炉炉底、炉缸、炉腹和炉身。加入少量石墨化冶金焦或碎石墨，可提高炭块导热

率。2）炭电阻棒以沥青焦为原料。主要用于竖式电阻炉生产氯化镁时作发热体和填充材料：

②电：1）炭电极是以无烟煤和冶金焦为主要原料（有时也用石油焦和沥青焦）生产的导电材料.

2）炭阳极又称为预焙阳极，主要以石油焦和沥青焦作为原料，在铝电解槽中作为阳极导电材料。

在电解过程中，既作导电体，同时参加电化学反应。3）炭电极糊供给铁合金炉，生产电石和黄

磷的电炉作为消耗性导电材料用，是一种自焙电极（通过电炉自发热实现焙烧）。4）阳极糊也

属于•自焙烧电极，洪铝电解槽作为阳极导电材料。阳极糊烧成后的炭电极除导电外还参与电解

反应。5）高功率和超高功率石墨电极用于大功率、高电压和短电弧的高功率和超高功率巴炉

③核：炭纤维复合材料具有减速能力强、吸收中子小、化学稔定性高、耐大量中子及其它射线

长期作用的特点，是核反应堆的重要结构材料：

④生物：良好的生物相容性和生物稳定性，可制作人造心脏熊膜、生体修补膜、人造器官、医

疗器械等。

•其他材料：①炭黑（详见11）：②柔性石墨：柔性石墨有疏水性和亲油性，可以在水中有选择性

地除去非水性的溶液：密封材料：石墨有良好的生物相容性、无毒、无味、无副作用等特点，是

一类非常重要的生物医学材料，可作为性能优良的创面外用敷料,可以替代常规的纱布敷料，用

于烧伤等创面效果；艮好：高能电池材料，制作柔性电池：石墨丰富的孔隙结构、高导热性能可

以作为相变储热材料：柔性石墨的细颗粒加入到普通涂料中，可制得效果较好的阻燃防静电涂料;

柔性石墨板材具有良好的导电导热性能，电热转换率97%以上，且能产生远红外线，是一种新型发

热材料；遮蔽效果优于现役亮米波干扰剂，是一种高效可靠的新型雷达遮蔽剂，在电子对抗领域

有着广阔的应用前景：高性能光催化材料。

7.有机高分子前驱体转化的基本工艺：粘胶基、聚丙烯脂基（PAN）、沥青基木

质素纤维基沥青

8.炭-石墨材料的应用:

结构材料：利用轻加高模量、耐高温（惰性气体）的特点

1.碳纤维增强复合材料（树脂、炭、金属、陶瓷等）:飞机、导驰、卫星、武器、体育器材（球

拍、自行车）

2.高温环境下的制品：地烟、容器

其余见6

9.新型炭材料:

根据使用的目的，通过原料和工艺的改变，控制金刚石(Diamond)

所得材料的功能，开发出新用途的炭及其复合材炭纤维(carbonfibers)

料.火谷杉郎认为，新型炭材料可大致分为三类.石墨层间化合物(Graphite

一是强度在lOOMPa以上，模量在lOGPa以上使Intercalationcompounds)

用时不必后加工的方法制得的新型炭成型物；二柔性石墨(Flexiblegraphite)

是以炭为主要构成要素，与树脂、陶瓷、金屈等核石墨(Nucleargraphite)

多孔炭(Porouscarbons)

组成的各种复合材料；三是基本上利用炭结构的

储能用炭材料

特征，由炭或炭化物形成的各种功能材料。

玻璃炭(Glass-likecarbons)

10.石墨（元素碳的•种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂

巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分f）：

SP?杂化轨道，2s2P,2P,三个在同一平面内互为120℃角的三个等价的。键，剩余的2Pz轨道与。

键所在的平面垂直形成丸键：n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自

由运动，形成金属键：n键较弱，易发生断裂。存在两种晶系，六方晶系和菱形晶系。

特性：1）不熔融和极高的化学稳定性，«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，

用途：1.作耐火材料：石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业中主要用来制造

石墨地病。

2.作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碟棒、碳管、水银正流器的正极，石里垫

圈、电话零件，电视机显像管的深层等。

3.作耐唇润滑材料：石墨在机械工业中常作为润滑剂，

4.石墨具有良好的化学稳定性，大量用于制作热交换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、

冷却器、加热器、过漉器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、

造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。

5.作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料：由于石墨的热膨胀系数小，而且能耐急冷急热的变化，

可作为玻璃器的铸磅，此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉管，棒、

板、格棚等元件。

6、用于原子能工业和国防工业：石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中，作为动力用的

原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要

求。此外还有石墨制造固体燃料火筋的喷嘴，导弹的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和

防射线材料。

7.石墨还能防止锅炉结垢，此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。

8.石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。

9.石墨电极。

11.炭黑：

•炭黑是•种无定形碳。轻、松而极细的黑色粉末，表面积非常大，范围从10~3000m7g,是含碳

物质（煤、天然气、重油、燃料油等）在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产

物。

•结构特点：依制备方法各异，炭层平行于球的表面排列，属于无定型结构炭，石墨片层大小、

缺陷、杂原子含量.表面官能团、键弯曲程度等均不同。

•制备：不完全燃烧法（氧气气氛）；热分解法（隔绝空气）

•用途：橡胶工业（补强剂和填充剂）：油墨工业（色素炭黑）；涂料工业；塑料工业（着色、紫

外光屏蔽、导电剂等）；农业（农用地膜等）；合成革工业；电池、电子等。

12.活性炭：

•定义：活性炭材料是经过加工处理所得的无定形碳，具有很大的比表面积，对气体、溶液中的

无机或有机物质及胶体颗粒等都有良好的吸附能力。

•机理：活性炭材料主要包括活性炭和活性炭纤维等。活性炭材料作为一种性能优良的吸附剂，

主要是由于其具有独特的吸附表面结构特性和表面化学性能所决定的。活性炭80v90%以上由碳

元素组成，这也是活性炭为疏水性吸附剂的原因。

•制备：活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料•，如煤、木材、果壳、椰壳、核桃

光、杏壳、枣壳等。这些含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活

性炭。在此活化过程中，巨大的表面枳和复杂的孔隙结构逐渐形成，而所谓的吸附过程正是在

这些孔隙中和表面上进行的，活性炭中孔隙的大小对吸附质有选择吸附的作用，这是由于大分

子不能进入比它孔隙小的活性炭孔径内的缘故。

•应用：1）水处理：活性炭作为一种环境友好型吸附剂，具有较强的吸附性和催化性能，原料充

足且安全性高，耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点。活性炭含有大量微孔，

具有巨大无比的表面积，能有效地去除色度、臭味，可去除二级出水中大多数有机污染物和某

些无机物，包含某些有毒的重金属。

2）石化行业：无碱脱臭（精制脱硫醇）一一重催的精制装置：乙烯脱盐水（精制填料）

乙烯装置：催化剂载体（把、钳、钱等）一一笨乙烯、连续重整装置；水净化及污水处理一一

上水及下水的深度处理

3）电力行业：电厂水质处理及保护——锅炉装置：对NO.NOx等行古气体的吸附一一锅炉尾

部烟道

4）化工行业：化工催化剂及载体、气体净化、溶剂网牧、及油脂等的脱色、精制

5）食品行'也饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色、提纯、除臭、香烟灌嘴

6）黄金行业：黄金提取一一适用炭浆法、堆浸法提金工艺：尾液回收一一金矿的废物利月及环

境保护

13.富勒烯：

•富勒烯是单质碳被发现的第三种同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管

状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指内是一类物质。富勒烯与石墨结构类似，

但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。由于是碳原子主体，富勒烯匕较稳

定，但也以发生许多有机反应，代表物质C60。

•制备：电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。

•特性：1.硬度比袖石还硬2.初度（延展性）比钢强10C倍3.它能导电，导电性比铜强，重量只

有铜的六分之一4.它的成分是碳，所以可从废弃物中提炼。

•应用：（物理）核工业高能轰击粒子、作为金刚石薄膜生长的均匀成核位置起重要作用：

（化学）加氢富勒烯是一种碳氢化合物，可作为洁净的燃烧迅速的燃料，行里作为火箭推

进剂而用于航空航天领域。另外，利用加氢富勒烯储氢引起的化学及热力学性质，制成可充电

电池；富勒烯可以，'乍为一类新的催化剂材料的基础：富勒烯将为研究抗癌药物提供潜在而有趣

的线索；选择性地吸收某些种类气体，将其在工业上用作气体杂质的去除剂；作为有机溶剂以

及在医学上作为影像剂。

14.碳纳米管：

•定义：碳纳米管是所谓的“分子纤维”，其结构是由单层或两层以上、极细小的圆筒状石墨片而

形成的中空碳笼管。碳纳米管可定义为将石墨六角网平而（石墨烯片）卷成无缝筒状时形成无

缺陷的“单层”管次物质或将其包裹在内，层层套登而成的“多层”管状物质。

・性质：由于碳纳米管中碳原子采取SP,杂化.相比SP'叁化.SP,杂化中S轨道成分比较大.使碳

纳米管具有高模量和高强度。碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，

却拥有良好的柔韧性，可以拉伸；碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构9石墨

的片层结构相同，所以具有很好的电学性能：碳纳米管具有良好的传热性能，CNTS具有非常大

的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高。

•制备：电弧放电法,催化热解法（CVD）.激光蒸发法、微孔模板法。

・用途：碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交

换性能很高：储氢容器：在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以

作为模具，制作梵杂电路jki：碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏

蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管发合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稔定性高，

不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。

15.石墨烯：

•定义：石墨烯是碳京子紧密堆积成单层二维蜂窝状品格结构的一种炭质新材料，这种石墨晶体

薄膜的厚度只有0.335nm,是构建其他维数炭质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石

墨）的基本单元，具有极好的结晶性及电学性。完美的石墨烯（grapheme）是二维的，只包括

六角元胞（等角六边形）；如果有五角元胞和七角元胞存在，会构成石墨烯的缺陷；少量的五角

元胞存在会使石墨烯翘曲。

•性质特点：。键与其他碳原子链接成六角环的蜂离式层状结构，每个破原子的垂直于层平面的

p-z轨道可以形成贯穿全层的多原子的大“键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能：

石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲：具有非常好的热传

导性能；具有超疏水性和超亲油性；可以吸附和脱附各种原子和分子；生物相容性：稳定性。

•制备：微机械分离法、外延生长法、化学膨胀法（氧化石墨还原法）、化学气相沉积法、高温还

原、光照还原、微波法、电弧法、电化学法、模板法等。

•应用：1）石墨烯可以做成化学传感器，这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的2）

石墨烯可以用来制咋晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺

度上依然能稳定地工作3）柔性显示屏4）新能源电池也是石墨烯最早•商用的一大重要领域5）

石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多6）石糊烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面

积等优点，使之成为储氢材料的最佳候选者7）由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯

在航天军工领域的应用优势也是极为突出的8）以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，可

望透过特殊结构，可应用在监视器与卫星成像领域中，可以应用于照相机、智能手机等9）基于

石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向，其在能量储存、液晶器件、电子涔件、

生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能，具有广阔的应用前景10）石墨烯

被用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化，同时也被用来制造碳化硅上外延石墨烯的生物

传感器。

16.金刚石（在地球深邰高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体）：

•金刚石是一种由碳元素组成的矿物，是碳元素的同素异形体，是自然界中天然存在的最坚硬的

物质。SP'杂化轨道，四个等同。共价键，具饱和性和方向性，面心立方晶体，原子间是立体的

正四面体结构。

•特征：1）硬而脆：2）碳中密度最大（3.52g/cm3）；2）1800C以上转换为石墨：4）电绝缘体

和热良导体：5）具四个等同轨道，如果与氢、碳结合就形成典型的脂肪族化合物。

•制备：人工合成金刖石的方法主要有两种，高温高压法及化学气相沉积法。

・用途：地质钻头和石油钻头金刚石、拉丝模用金刚石、磨料用金刚石、修整器用金刚石、玻璃

刀用金刚石、硬度计压头用金刚石、工艺品用金刚石：若涂在音响纸盆上，音箱音质会大为改

善：由于折射率高..在灯光下显得闪闪生辉.作为受众人追捧的观紫宝石.

17.C/C复合材料：

•定义：由碳纤维增通材料与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。

•特点：兼顾碳纤维和基体的性能而成为综合性能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功

能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。它以其轻质高强、耐高温、抗腐例!、

热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，是其它纤维增强夏合材料所无

法比拟的。

•优点：①比强度和比模量高②材料性能的可剪裁性③成型工艺的多选择性④良好的耐疲劳性能

⑤良好的抗腐独性

•应用：①体育领域：用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10—40%、碳纤维增强复合材

料刚成的羽毛球拍其特点是重量轻、刚性大、避免了木制品因其刚性不足而造成的断把现象、

复合材料制成的网球拍，轻而坚，刚性大，应变小，可降低球与球拍接触时的偏离度。

②航天领域：碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星

主体结构承力件E.C/C和C/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料。

③石油开发：传统金属抽油杆自身重大，易腐蚀，疲劳性能较差，采油事故发生率高，而采用

碳纤维复合材料拉挤成型技术开发的连续抽油杆具有轻质、高强、耐腐蚀、耐磨损的特点，使

采油效率大为提高,

。核电：随着材料科学的发展，拥有核电先进技术的国家已开始采用全敏纤维复合材料结构的

分离器，生产效率为第一代分离器的8倍多。

⑤电动汽车：采用碳纤维复合材料制造汽车部件，可减少汽车质量节省燃料、提高驾驶舒适性、

改善抗冲击安全性提高减振性能、便于汽车部件的整体组装，与其他纤维增强复合材料相比

更适于成为汽车轻量化材料。

18.碳纤维：

•是一种含碳量在95右以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤

维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，

质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方

面都是重要材料。之不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性。

•碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蟠变，丰氧化

环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各

向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

•原丝的预氧化：目的在于使PAN原丝分子环化脱氢，转化为耐热的梯形结构，变为不溶不熔体，

提高炭化收率。主要因素有：温度、时间、气氛介质和牵伸程度等，主要反应：环化反应、脱

氢反应、氧化还原反应。

•预氧丝的碳化：侦氧丝在惰性气体中热处理至1500C时,纤维中的聚合物结构逐渐向多晶炭结构

转变，梯形聚合物结构之间进行交联，非碳元素从纤维中排出；当在2500C以上进行石墨化处理

时，微晶进一步长尢取向度进•步提高，力学性能也发生深刻的变化.主要反应：1）交联反应放

出水和氧气;2）共轨链段末端环的芳构化形成氨；3）未形成梯形聚合物部分的断裂;4）高温区放

出N2和HCN,分子链间发生交联.

•按照制备原料的不同碳纤维分为聚丙烯腊基碳纤维、然胶基碳纤维和沥青基碳纤维。它们的制

备工艺都包括以下主要步骤：（1）稳定化处理（也称不熔化处理或预氧化处理），使先驱丝变成

不熔不溶的，以防止在后来的高温处理中熔融或粘连。（2）碳化处理，通过高温除去先驱丝中

半数以上的非碳元素。（3）石墨化处理，通过更高温度加热，使碳变成石墨结构，以改善在上

一步骤中所获得的俄纤维的性能，石墨化处理不是何种碳纤维都必须的.

•碳纤维除了用于航空航天领域、国防军事领域和体育用品外，汽车构件、风力发电叶片、建筑

加固材料、增强塑料、钻井平台等碳纤维新市场也被正在运用。此外还运用在压力容器、医疗

器械、海洋开发、新能源等领域。碳纤维的其它应用包括机器部件、家用电器及与半导体相关

的设备的复合材料的生产，可以用来起到加强、防静电和电磁波防护的作用。另外，在X射线

仪器上碳纤维的应用可以减少人体在X射线下的暴露。

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