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绚丽多彩的碳材料 碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是构成地球上一切生命体最重要的元素。以碳元素为主要构成的有机高分子材料，包括塑料、橡胶和纤维等，已发展成为材料学三个主要学科方向之一。而以碳元素本身，通过不同结构、组合，也形成一个独特的无机非金属材料世界。碳原子间不仅能够以sp3杂化轨道形成单键，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，因此，除了自然界存在多种同素异形体的碳材料外，科学家们通过实验还合成了许许多多结构和性质完全不同的碳材料，如人们熟悉的金刚石和石墨，以及近年来发现的卡宾（Carbyne）、C60为代表的富勒烯以及碳纳米粉体、管材、线材等。这些新型碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光全透光、绝缘体半导体高导体、绝热良导热、高铁磁体、高临界温度的超导体等。一 石墨与金刚石一提到碳元素，人们最先想到的通常是石墨和金刚石。金刚石和石墨的化学成分都是碳(C)，但是它们的结构和性能却完全不同，科学家们称这种同质多像变体为“同素异形体”。金刚石是目前最硬的物质，而石墨却是最软的物质之一。大家都知道铅笔芯就是用石墨粉和粘土配制而成的，石墨粉含量多笔芯就软，用“B“表示，粘土掺多了则硬，用“H”表示。矿物学家用摩氏硬度来表示相对硬度，金刚石为10，而石墨的摩氏硬度只有1。它们的硬度差别之所以这么大，关键在于它们的内部结构存在很大差异。石墨内部的碳原子呈层状排列，一个碳原子周围只有3个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑动，这就是石墨很软能写字的原因。 图1 石墨原子结构图石墨最常见于变质岩中，是有机碳物质变质形成的，煤层经热变质也可形成石墨。有些火成岩中也可出现少量石墨。石墨可用于制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等，也可以用作坩埚以及合成金刚石的原料。图2 石墨的应用金刚石内部的碳原子呈“骨架”状三维空间排列，一个碳原子周围有4个碳原子相连，因此在三维空间形成了一个骨架状，这种结构在各个方向联系力均匀，联结力很强，因此金刚石具有高硬度的特性。天然金刚石是一种珍稀矿物，是宝石之王，因为它是世界上最硬的天然材料。精心琢磨后的金刚石透明有光泽，能呈现出极艳丽的色彩，成为世界上最昂贵的珍宝，也是历代统治者权势和财富的象征。在英国，有一根象征皇权的英王权杖，杖上就镶有一颗称为“非洲之星”的世界最大的钻石；而在国王的王冠上，则镶嵌着象征至高无上皇位的世界第二大钻石。这两颗钻石既是英国曾经辉煌于世界的见证，也是工匠们勤劳和智慧的结晶。有趣的是，既然金刚石是由碳元素组成，而碳在自然界是如此的丰富和廉价，为什么不点石成金？长期以来，人工合成金刚石一直是人类的梦想。自从1954年美国GE公司研制成功了世界上第一颗人造金刚石以来，人造金刚石及其工业制品已经发展成一个应用领域十分广泛的行业。目前，世界工业用金刚石产量约15亿克拉，其应用几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。比如，金刚石在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工、金属拉丝等方面引起了革命性的工艺改革，使加工效率、加工精度几十倍甚至上百倍的提高。图3 金刚石晶体结构图图4 金刚石的应用二 碳纤维碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各项异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。图5 碳纤维应用增长趋势碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。碳纤维复合材料在高温条件下以及对材料强度、刚度、重量、疲劳度等有苛刻要求的应用领域具有很强的优势。碳纤维及其复合材料是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而发展起来的，在航空航天领域有着极其重要的应用。此外，还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。同样，飞机重量的减轻也可以减少油耗，提高航速。比如，有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3级火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。三 富勒烯C60 1985年，美国化学家史莫利与英国化学家科尔托利用激光照射石墨，使其蒸发而成碳灰。质谱分析发现，这些碳灰中含有两种不明物质，其分子量分别为碳的60倍与70倍，故将它们分别命名为 C60与C70。C60中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯(Fullerene）。图6 C60结构图和内藏一个金属原子锂(Li)的C60C60本身是不导电的绝缘体，但当碱金属原子嵌人C60分子的空隙后，C60与碱金属形成的系列化合物就成为超导体，如K3C60。这种超导体具有很高的超导临界温度。与氧化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的三维超导性，电流密度大，稳定性高，易于展成线材等优点，是一类极具价值的新型超导材料。与超导性一样，铁磁性是物质世界的另一种奇特性质。C60和有机分子作用可形成不含金属的软铁磁性材料，其居里温度为16.1K，高于迄今报道的其它有机分子铁磁体的居里温度。由于有机铁磁体在磁性记忆材料中有重要应用价值，因此研究和开发C60有机铁磁体，特别是以廉价的碳材料制成磁铁替代价格昂贵的金属磁铁具有非常重要的意义。此外，C60分子中存在的三维高度非定域电子共轭结构使得它具有良好的光学性能。由于它具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点，C60作为新型非线性光学材料具有重要的研究价值，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。将具有特殊笼形结构及功能的C60作为新型功能团引入高分子体系，将得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。四 碳纳米管就结构而言，碳纳米管可以看作是普通石墨的一个奇异变种。碳纳米管的结构相当于把石墨的平面组织卷成管状，于是黑色的丑小鸭马上就化做美丽的白天鹅，石墨管摇身一变成为纳米科技的新宠。纯碳纳米管每克售价1000元，价格为黄金的10倍。在科学家的手中，碳纳米管就像是魔术棒，不断变换出各种新花样。碳纳米管是目前人类制成的最细的管子，其粗细不超过头发的万分之一。碳纳米管包括单层壁和多层壁两种类型：单层壁碳纳米管由一层石墨层构成，而多层壁的碳纳米管则可由二至数十层同心轴的石墨层构成，其石墨层间距为0.34纳米，与平面石墨层的间距一致。不管是单层壁还是多层壁碳纳米管，碳管的前后端都与C60的半圆形碳结构相似，使整个碳管成为一个封闭结构，故碳纳米管也是碳簇的成员之一。碳纳米管一经发现，就成为纳米科技的主要研究方向。它的很多奇异性能令研究人员十分惊讶。科学家发现，碳纳米管具有强度高、韧性好、重量轻、性能稳定、柔软灵活、导热性好、表面积大等诸多优点。如果沿碳纳米管边沿的六边形是沿着长轴方向平行排列的，那么碳纳米管就具有金属特性，能够导电。但是，如果管壁的六边形呈螺旋状排列，那么该碳纳米管就具有半导体的性质。碳纳米管的这些奇异性能，预示着它在物理、化学以及材料科学领域都将有重大的发展前景和研究价值。比如在材料科学领域，碳纳米管的长度是其直径的几千倍，被称为“超级纤维”。它的强度比钢高100倍，但密度只有钢的六分之一。它们非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发那么宽。利用碳纳米管可以制成高强度碳纤维材料。最近，日本理化研究所的科学家们在直径约1纳米的筒状碳纳米管两端配置电极，产生电压，然后把电子逐个送入碳纳米管中，并封闭在碳纳米管内，成功制造出所谓的“人工原子”，其直径仅为以前利用半导体制造的“人工原子”的1/300，有望用于制作小型化和更节能的个人电脑。图7 碳纳米管结构图碳纳米管还被认为是新一代平面显示材料。如果使用具有高度取向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更