一、什么是炭材料

炭材料是主要以煤、石油或它們的加工產(chǎn)物等有機(jī)物質(zhì)作為主要原料經(jīng)過一系列加工處理過程得到的一種非金屬材料，其主要成分是碳。金剛石、石墨、咔賓、石墨烯、碳納米管、炭 / 炭復(fù)合材料都屬于炭材料。

二、炭的起源 —“big bang” 理論

三、炭材料的發(fā)展史

四、炭材料的應(yīng)用

1、機(jī)械工業(yè)：軸承、密封元件、制動元件等 ;

2、電子工業(yè)：電極、電波屏蔽、電子元件等 ;

3、電器工業(yè)：電刷，集電體、觸點等 ;

4、航空航天：結(jié)構(gòu)材料，絕熱、耐燒蝕材料等 ;

5、核能工業(yè)：反射材料，屏蔽材料等 ;

6、冶金工業(yè)：電極，發(fā)熱元件，坩鍋、模具等 ;

7、化學(xué)工業(yè)：化工設(shè)備，過濾器等 ;

8、體育器材：球桿，球拍，自行車等 ;

五、第一代炭材料 ( 5 千 -1 萬年前 ) ——木炭

木炭 ( charcoal ) 是木材或木質(zhì)原料經(jīng)過不完全燃燒，或者在隔絕空氣的條件下熱解，所殘留的深褐色或黑色多孔固體燃料。利用炭的化學(xué)性質(zhì)，作燃料和還原劑煉銅和煉鐵。

CuO+ C → Cu + CO2

Fe2O3+ C → Fe + CO2

應(yīng)用領(lǐng)域：燃料、煉鋼、煉鐵。

未來趨勢：近幾年我國木炭行業(yè)發(fā)展速度較快，木炭行業(yè)在國內(nèi)和國際市場上發(fā)展形勢都十分看好。

六、第二代炭材料 ( 十九世紀(jì) )

1、燒結(jié)型炭材料 ( 人造石墨 )

利用炭的物理性質(zhì) ( 導(dǎo)電、耐熱、耐腐蝕、耐摩擦等 ) ，用于炭磚、煉鋼、煉鋁等 ( 電極、電刷、各種機(jī)械、化工用炭、原子反應(yīng)堆用炭等 ) 。

主要產(chǎn)品：電極、電刷、各種機(jī)械、化工用炭、原子反應(yīng)堆用炭。

應(yīng)用領(lǐng)域：炭磚、煉鋼、煉鋁等。

2、炭黑

炭黑 ( carbon black，又名碳黑 ) ，是一種無定形碳。輕、松而極細(xì)的黑色粉末，表面積非常大，范圍從 10-3000m2/g，是含碳物質(zhì) ( 煤、天然氣、重油、燃料油等 ) 在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或受熱分解而得的產(chǎn)物。

應(yīng)用領(lǐng)域：墨的原料、橡膠工業(yè)的輪胎、塑料、化妝品等。

七、第三代炭材料 ( 第二次世界大戰(zhàn)后 )

1、金剛石

金剛石俗稱 ” 金剛鉆 “，也就是我們常說的鉆石的原身，它是一種由碳元素組成的礦物，是碳元素的同素異形體。金剛石是自然界中天然存在的最堅硬的物質(zhì)。

性能：高熱傳導(dǎo)率，低熱膨脹系數(shù)，低摩擦系數(shù)，高硬度，在可見光和紅外光下高透明性，高折射系數(shù)，化學(xué)和放射性惰性。

應(yīng)用領(lǐng)域：珠寶首飾、切割工具、研磨料、不利環(huán)境中的熱探頭、放射性檢出儀、壓力敏感器、熒光顯增器、光學(xué)窗、微型機(jī)械元件，以及高密度、高能量電子元件等。

2、線型碳 ( 卡賓 )

線型碳是元素碳的一種新的同素異形體，以 sp 雜化成鍵為特征，呈線型結(jié)構(gòu)。研究表明，線型碳在高溫低密度的液體碳中存在。1968 年，在前西德的 Ries 火山口的石墨片麻巖中發(fā)現(xiàn)微量的線型碳。后來，又在隕石和宇宙粉塵中發(fā)現(xiàn)這種線型碳分子。前蘇聯(lián)學(xué)者將之命名為 “Carbyne”。最初國內(nèi)介紹這種物質(zhì)時譯名為 ” 卡賓 “。

性能：高熱力學(xué)穩(wěn)定性、生物體的高親和性等。

應(yīng)用領(lǐng)域：常溫超導(dǎo)材料、外科手術(shù)的縫合線及動物硬組織材料、隱型眼鏡外框、合成金剛石。

3、碳纖維

碳纖維 ( carbon fiber，簡稱 CF ) ，是一種含碳量在 95% 以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料，是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

性能：與鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維具有強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點。

應(yīng)用領(lǐng)域：航天、航空、 汽車、 電子、 機(jī)械、化工、輕紡、運動器材和休閑用品。

4、活性炭纖維

活性炭纖維 ( ACF ) ，亦稱纖維狀活性炭，是性能優(yōu)于活性炭的高效活性吸附材料和環(huán)保工程材料。其超過 50% 的碳原子位于內(nèi)外表面，構(gòu)筑成獨特的吸附結(jié)構(gòu)，被稱為表面性固體。它是由纖維狀前驅(qū)體，經(jīng)一定的程序炭化活化而成。

性能：比表面積大、吸附性能好。

應(yīng)用領(lǐng)域：環(huán)保、儲能材料、隱身材料、核防護(hù)材料、催化劑載體、生理除味保健、防毒防化、血液凈化、人工肝臟和腎臟、水果儲存保鮮、除臭除濕、高能電極及雙層電容。

5、玻璃炭

玻璃炭 ( Glassy Carbon ) 又稱聚合炭 ( Polymeric Carbon ) ，它是由高純度的交聯(lián)結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂 ( 或呋喃樹脂 ) ，經(jīng)特殊高溫?zé)峤庵频谩?/p>

性能：耐 3000 ℃的高溫，低密度，高透氣性，高耐酸堿性以及優(yōu)良的生物相容性。

應(yīng)用領(lǐng)域：實驗室分析器皿、化學(xué)分析電極、溫度計的保護(hù)管、電池電極隔板、半導(dǎo)體器件。

6、金剛石薄膜

金剛石薄膜又稱 DLC 薄膜，它是一類性質(zhì)近似于金剛石，具有高硬度、高電阻率、良好的光學(xué)性能，同時又具有自身獨特摩擦學(xué)性能的非晶碳薄膜。

性能：透光、發(fā)光性，硬度高、耐磨、高膜量，光交換性。

應(yīng)用領(lǐng)域：高溫晶體管、激光器件、絕緣材料等。

7、石墨層間化合物 ( 可膨脹石墨 )

石墨層間化合物 ( GIC ) 是通式為 XCy 的化合物，它是使具有極性的插入劑 ( 酸、堿、鹵素 ) 分子或離子插入石墨層與碳網(wǎng)平面形成石墨層間化合物 ( GICs ) , 也可稱為可膨脹石墨。

性能：輕、高導(dǎo)電性、電化學(xué)性，反應(yīng)性等。

應(yīng)用領(lǐng)域：高導(dǎo)電材料、電池活性物質(zhì)、催化劑等。

8、氣相生長炭纖維

氣相生長碳纖維，是一種采用化學(xué)催化氣相沉積技術(shù)，在高溫下 ( 873K～1473K ) ，以過渡族金屬 ( Fe、Co、Ni ) 或其化合物為催化劑，將低碳烴化合物 ( 如甲烷、乙炔、苯等 ) 裂解而生成的微米級碳纖維。

性能：極細(xì)、比表面積大、中空、結(jié)晶性好。

應(yīng)用領(lǐng)域：增強(qiáng)材料、催化材料、導(dǎo)電材料等。

9、中間相瀝青基炭纖維

瀝青基炭纖維是以燃料系或合成系瀝青原料為前驅(qū)體，經(jīng)調(diào)制、成纖、燒成處理而制成的纖維狀炭材料。

性能：原料便宜、碳收率高、易制得超高模型炭纖維。

應(yīng)用領(lǐng)域：航天、航空及高級運動器材 ; 民用工業(yè)領(lǐng)域的隔熱材料、磨耗制動材料、耐腐蝕材料、導(dǎo)電和屏蔽材料、音響材料 ; 建筑材料的水泥增強(qiáng)材料。

10、碳化硅晶體

早在 1824 年，瑞典科學(xué)家 Berzelius ( 1779 一 1848 ) 在人工合成金剛石的過程中就觀察到了 SiC 的存在，但是因為天然的 SIC 單晶極少，當(dāng)時人們對 SIC 的性質(zhì)幾乎沒有什么了解。直到 1885 年，Acheson 首次生長出 SiC 晶體之后，人們才開始對 SIC 的特性、材料制備方法及應(yīng)用前景等多方面開始了深入研究。

性能：化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好。

應(yīng)用領(lǐng)域：磨料、高級耐火材料、脫氧劑、電熱元件硅碳棒、半導(dǎo)體、用于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁的碳化硅粉末涂布。

11、炭/炭復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料（c-c composite or carbon-carbon composite material）是碳纖維及其織物增強(qiáng)的碳基體復(fù)合材料。

性能：低密度(<2.0g/cm3)、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高

應(yīng)用領(lǐng)域：火箭發(fā)動機(jī)噴管及其喉襯、航天飛機(jī)的端頭帽和機(jī)翼前緣的熱防護(hù)系統(tǒng)、飛機(jī)剎車盤等

八、第四代炭材料——新型炭材料

1、富勒烯

富勒烯（Fullerene)是一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯。富勒烯與石墨結(jié)構(gòu)類似，但石墨的結(jié)構(gòu)中只有六元環(huán)，而富勒烯中可能存在五元環(huán)。

性能：具有線性和非線性光學(xué)特性，堿金屬富勒烯超導(dǎo)性等

應(yīng)用領(lǐng)域：非線性光學(xué)器件、光導(dǎo)體、超導(dǎo)材料、護(hù)膚品、有機(jī)太陽能電池、催化劑、抗癌藥物、CVD金剛石膜、高強(qiáng)度碳纖維、高能轟擊粒子

2、碳納米管

碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2-20 nm。

性能：高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、高彈性模量、高抗拉強(qiáng)度等

應(yīng)用領(lǐng)域：納米復(fù)合材料、新能源，傳感器，超級電容器，場發(fā)射管

3、石墨烯

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。

性能：非同尋常的導(dǎo)電性能、極低的電阻率極低和極快的電子遷移的速度、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性

應(yīng)用領(lǐng)域：光電顯示、半導(dǎo)體、觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、航天、軍工、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域

4、碳納米洋蔥

碳納米洋蔥是指尺寸為納米級，即十億分之一米的金剛石，是近年來用爆炸技術(shù)合成的新材料，它不但具有金剛石的固有特性，而且具有小尺寸效應(yīng)、大比表面積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，因而展現(xiàn)出納米材料的特性

性能：高硬度

應(yīng)用領(lǐng)域：納米金剛石與金屬復(fù)合鍍層、納米金剛石拋光液、納米金剛石-聚合物復(fù)合體、潤滑油、燒結(jié)體、磁性記錄系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)

5、碳包覆納米金屬顆粒

碳包覆納米金屬顆粒（CEMNP）又稱碳包覆納米金屬晶，是一種新型的碳/金屬納米復(fù)合材料，其中數(shù)層石墨片層緊密圍繞納米金屬顆粒有序排列，形成類洋蔥結(jié)構(gòu)，納米金屬粒子則處于洋蔥的核心。

性能：可避免環(huán)境對納米金屬材料的影響；可提高某些金屬與生物體之間的相容性

應(yīng)用領(lǐng)域：磁記錄材料、鋰離子二次電池負(fù)極材料、電波屏蔽材料、氧化還原催化劑、核廢料處理材料、精細(xì)陶瓷材料和抗菌材料

6、碳?xì)饽z

2013年，浙江大學(xué)的科學(xué)家們研制出了一種超輕材料，這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度僅每立方厘米0.16毫克，是空氣密度的六分之一，也是迄今為止世界上最輕的材料。

性能：高彈性、強(qiáng)吸附

應(yīng)用領(lǐng)域：海水淡化、相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料

 

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