碳材料科学知识点总结

1、炭材料的多样性？(广义和狭义定义)渡态中间构造〔如焦炭、CF、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料，从无定形炭到石墨晶体的全部中间构造物质〔过渡态碳，它是由有机化合物炭化制得的人造炭。补充：型炭材料：用途的炭及其复合材料。大谷杉郎认为：型炭材料可大致分为三类。100MPa10GPa2、炭材料的根本性质？子一样质量轻，分子构造多样；另外，还具有比模量、比强度高，震惊衰减率小，以及生体适应性好，具滑动性和减速中子等性能。这些都是三大固体材料金属、陶瓷和高分子材料所3、炭材料科学的主要争论内容？〔广义〕一切增炭化〔富碳〕物质的形成过程机理，特别是着构造在外界条件〔如温度、压力〕影响下的转变。此外，炭科学还争论炭集合体的各种物理与化学性质。的微晶排列的炭固体，这一学问乃是炭材料科学的最核心局部。有机原料中间状态 终炭材料：1、形成过程〔机理〕2、各过程中物质的构造与性质〔化学、物理〕3、外界条件与材料构造性能的关系；第一局部 碳的构造与性能1、碳的结晶形式有哪些，阐述其构造与性能的关系？结晶形式：金刚石、石墨、咔宾、富勒烯SP3杂化轨道，四个等同σ共价键，具饱和性和方向性面心立方晶体1〕2〕碳中密度最大3.52g/cm33)1800℃4〕电绝缘体和热良导体；5〕具四个等同轨道，假设与氢、碳结合就形成典型的脂肪族化合物。2Pzσ键所在的平面垂直形成π断裂；黑色；3〕解离性和自润滑性，易形成层间化合物；4〕各向异性。咔宾：SP2个σ键，2π键；两种类型：β累积烯烃=C=C=C=α-C=C-C=C-；线状，单元链长10-12C色，白碳特性：具有半导体及超导体性质；生物相容性好；由α聚炔动身易于转化为金刚石。SP212则可形成更大的球形分子；最大到C960。7.1A，分子晶体，有机与无机的穿插点。2、碳的相图及其相互转化？石墨低压稳定相、金刚石高压稳定相

C(graphite) ΔH=-2.1KJ/molA：石墨催化转化为金刚石的区域B：石墨自发快速转化为金刚石的区域C：金刚石自发快速转化为石墨的区域D：石墨自发缓慢转化为金刚石的区域T1:4100K P1:12GPaT2:4020±50KP2:12.25±1.47MPa3、概念：1〕Carbonization(炭化)isaprocessofformationofmaterialwithincreasingcarboncontentfromorganicmaterial,usuallybypyrolysis,ending withanalmostpurecarbonresidueattemp.upto1600K.Graphitization〔石墨化〕Isasolidstatetransformationofthermodynamicallyunstablenon-graphiticcarbonintographitebythermalactivation.Thedegreeofgraphitizationdependsuponthetemp.oftheheattreatmentandthetimeallowedtoannealstructure.Non-graphitizableCarbon〔不行石墨化炭〕cannotbetransformedintographiticcarbonsolelybyheattreatmentupto3300Kunderatmosphericorlowerpressure.GraphitizableCarbon(可石墨化炭)canbetransformedintographiticcarbonbyheattreatmentupto3300K underatmosphericorlowerpressure.Non-graphiticCarbon〔非石墨质炭〕areallvarietiesofsubstanceconsistingmainlyoftheelementcarbonwithtwodimensionallongrangeorderofthecarbonatomsinplannarhexagonalnetworks,butwithout any measurablecrystallographiticorderinthethirddirection(c-direction)apartfrommoreorlessparallel stacking.Manynon-graphiticcarboncanbeconvertedintographiticcarbonsbyheattreatmenttoabout2500K.Suchconversioniscalledgraphitization.GraphiticCarbon〔石墨质炭〕areallvarietiesofsubstanceconsistingoftheelementcarbonintheallotropicformofgraphiteirrespectiveofthepresenceofstructuraldefects.4、石墨化度的表征？石墨化程度的表征/石墨化度：XRD:d002

La LcMaireandMeringd002=3.354g+3.440(1-g) g=(3.440-d002)/(3.440-3.354)L=kλ/βcosθ(hkl)5、 炭材料具有优良抗热震性能的缘由？材料在高温下使用并且经受温度剧变而不破坏的性能，又称耐急冷急热性和热稳定性。梯度〔2〕炭材料具有优良抗热震性能的缘由A、热导率λ值大和线膨胀系数αlB、模量E果好；C、提高材料的抗拉或抗切强度有利于改善抗热震性。6、 炭材料热膨胀的特点？AαC、炭材料的线膨胀系数具有各向异性a方向：<400℃，变化很小，常温到达微小，随后800℃1x10-6/Kc〔25-3010-6/K。7、 炭材料导电的特点？振动的综合反映。8、影响炭材料力学性能〔强度和模量〕的因素，如何提高CF的力学性能？素的影响。提高CF强度的主要措施:细晶化和削减缺陷。9、 炭与过渡金属的反响类型？B、ⅡB〔Cu,Zn，d，不与碳反响；B〔Fe,Co,Ni，d6-10，催化熔解碳，形成固溶体；B-ⅦB〔Ti,Cr,Mn，d2-5，与碳共价形成碳化物。1、 炭化的概念及包含哪些类型？固相炭化与多相炭化。2、 炭化反响的实质？3、 有机物热解的一般规律？4、气相炭化的定义及包含哪些内容？200℃以下的沸点，在通常状况下于气相中进展炭化。热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烃类经催化分解而生成纤维状炭。4、 低碳烃的热解反响规律及其化学反响类型？低碳烃的热解反响规律：CnH2n+2——CnH2n+H2；CnH2n+2——Cn-xH2n-2x+2+CxH2xb烯烃：在中温压力〔<500℃,50atm〕下，烯烃的热反响以聚合为主，高分子量烯烃也发生解聚反响。乙烯—→初期产物〔1-丁烯和丁二烯等〕—→终产物〔环烯烃和芳烃化合物〕ce〔联苯、联萘等〕fC-C、C-C、α β β γC-C键，生成二芳基甲烷、二芳基乙烷、烷基联苯等，进一步的热缩聚导致生芳 α成大尺寸多环芳烃或齐聚多核联芳基。热解中发生的化学反响：abD-Acd重排反响5、 热解炭的类型及其形成机理？高温热解炭(Hightemperaturepyrocarbons)：甲烷在高于2023℃、减压〔2KPa〕下热解制备的一种层状织构〔LaminarTexture〕〔热解石墨(PyrographiteorHOPG):是一种高温热解炭〕低温热解炭Lowtemperaturepyrocarbon1000℃左右热解通过infiltration〕方法沉积固体外表或浸渗固体内部，〔主要用来增密纤维预成型体、孔状石墨和炭颗粒制品〕6、 制备高密度热解炭的工艺要求？1〕低温顺极低的压力〔7x102Pa；2〕等温；3〕稀释以降4〕添加氢气以抑制热解反响。7、 炭黑的构造特点及形成机理？墨片层大小、缺陷、杂原子含量、外表官能团、键弯曲程度等均不同。形成机理：a)b)火焰中炭黑的形成：反响机制格外简单，在很高温度下进展，Tmax=1300℃：环芳烃构成的液滴，液滴经进一步长大、炭化得到炭黑。其次予混合火焰Tmax=1400-1800℃：最高温度可达1800℃，反响速度快，瞬间就生成大量不稳的形成机理，目前仅处于争论和连续说明之中。9、炭黑构造与富勒洋葱构造的差异？10、气相生成炭纤维的构造及性能？与纳米炭管的不同之处？气相生长炭纤维〔Vapor-growncarbonfibers,VGCF〕是通过碳氢化合物〔如乙炔、苯、自然气等〕在超微金属催化剂〔如：铁、钴、镍或它们的合金〕的作用下高温裂解而生成的纤维〔常为空心纤维；直径一般为几纳米至十几微VGCFVGCFVGCFVGCF、VGCFVGCFVGCF力学性能高〔4-6Gpa，杨氏模量为600-800GPa4〔5〕高度可石墨化性，导致其在电和热的传导以及抗氧化等方面具有独特性能。11、液相炭化的概念？一般经受液相炭化成炭，其温度范围一般在350-550℃，主要对象为重质稠环芳烃，如沥青、渣油、蒽、萘等的热解。12、液相炭化中发生的化学反响？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。自由基反响：是液相炭化中最主要的反响。分两阶段进展：通过化学电子转移产生一自由基离子—σ自由基。它极不稳定，反响性强，寿命短；稳定的π自ESRC〕增环反响自正丁基转变为菲〔分子内缩合〕Elbs〔分子内缩合〕3〕-CH2-CH2-〔分子内缩合〕〔分子间缩合〕芳核脱氢缩聚〔分子间通过芳核缩合〕重排反响13、共振能、自由价和电离势的物理意义及在表征芳烃反响性方面的特点？π；电离势：Huckelip=4.39+0.857λp；热活性芳烃〔ip<7.10ev惰性芳烃(ip>7.10ev)限制性：电离势则适用于化学键的异裂即离子化反响的状况。自由价〔FrNmaxrrFr(max):自由价最大值，Fr(max)>0.53Fr(max)<0.53惰性质点。此常被用于同多环芳烃的热反响性相关联。14、中间相的形成过程？A〕〔350-550℃〕合稠环芳烃；直径为1~100μm的光学各向异性球状聚拢体〔它是沥青类有机化合物由液态向〔焦炭〔CarbonaceousMesophase〕或碳质液晶(CarbonaceousLiquidCrystal)。中间相沥青基炭纤维和高级粘接剂的原料已获得广泛争论和应用。15、中间相的构造模型〔物理和化学模型〕？、同心球壳型〔洋葱型、KJHuttinge、扁圆片型〔Lewis,Kovac〕16、液晶的类型及中间相液晶的特点？液晶类型：近晶型(Semectic)、向列型(Nematic)、胆甾型(Cholesteric)1)化学变型液晶(Chemotropic)；2〕热变型液晶17、中间相的光学显微形态？方向全都发生叠加现象,为兰色;相交时,发生相减现象,为黄色。18、中间相形成的主要条件？形成中间相的主要条件：a；bc碳原子排列的连续性或完善性。¸形成中间相的组份〔mesogen〕应当具有：分子/19、原料芳烃构造与形成的中间相性能的关系？be烷构造20、反响条件对中间相形成的影响？21、如何进展液相炭化反响分子设计？22、制备高性能沥青基炭纤维对原料中间相沥青的要求？1〕具有适当的熔融温度和良好的低温可纺性；2〕肯定的热稳定性；3〕较低温度下与氧的反响性；4〕高度兴旺的光学各向异性；5〕炭化收率高；6〕杂质及杂原子含量低。23、加氢复原的目的，环烷构造对形成优质中间相的影响？3〕环烷构造；作用：氢转移；宽的熔融温间。24、固相炭化的定义及其特征？成固态炭化生成物的过程，成为固相炭化。特征:1〕原始固态物的形态和构造根本确定了最终炭的形态和构造；2〕反响得到易石墨化性炭。25、沥青纤维和PAN原丝不熔化处理的差异，其反响有哪些？PAN〔原丝的预氧化：目的在于使PAN体，提高炭化收率。主要反响：***PAN列，提高取向度，改善力学性能；沥青纤维不熔化处理：CF下降。26、由固相炭化制备高定向石墨薄膜的三个先决条件？聚合物原料中单体分子具有高的平面度；聚合物分子链沿膜外表的预定向度要尽可能高；热解时只能释放出简洁分子的气体，以不扰乱碳网层面的形成。27、CF有哪些类型，各自性质如何？CF〔CF〕的横截面积外形大多不规章，一般呈树叶状，外表沟槽格外清楚；粘胶基炭纤维的碱金属含量低〔<100ppmPAN-CF讯。因此，至今美国用于等空间耐烧系统的CFCF。例如，分导MK-12AC/CCFThornal-50。第三局部炭的外表化学1外表反响的实质：1含有杂原子,如:H、O、N、S、P等；2化学缺陷和晶作用。**比*2降低气-炭反响的途径：降低开口气孔率，阻挡气体向炭外表的集中；提高入原子或基团降低炭的反响性〔又叫负催化剂，磷、卤素、硼等璃层，形成气体向炭集中的阻挡层。3CF〔Interlaminarshearstrength,ILS。CF是两相界面粘接的主要力；两相界面层的范德华力比化学键力小得多，属于次CF微斑，凸凹嵌合，固化后具有锚锭效应。4依据IUPAC(1985)的定义，孔分三种：微孔micropores宽度<2nmmesopores2-50nmmacropores>50nmo.Openpore；c.Closedpore；t.Transportpore；b.Blindpore5电荷转移。价电子可转移到外表；A>Φ，电子可从外表转移到吸附分子；I>Φ>A，不会发生电子转移。两者之间形成化学键！6、炭材料抗氧化处理的方法？各有哪些优缺点？Activesitepoisoning:a)Halogenandhalogencompounds; compounds;c)Boroncompounds.2)MatrixinhibitioninC/Ccomposites:Si、B在炭材料(3)(4)氧的集中系数低。第四局部和第五局部 GIC和炭科学最进展1Compounds,GIC是一种分子水平的复合材料，是用人工合成的方法使异类原子、分子或离子进入石墨层间而生成的材料。形态发生转变的同时，性能也增加了很多。GIC的构造特点：1、可以合成范围格外广的阶构造不同的GIC，其多样性23、阶构造：畴构造〔Domainstructure、超晶格构造(Superlattice)——石墨碳原子在层面形成了由六圆环组成的六角碳网层面，客体插入后选择肯定位置滞留，形成更大范围的规章排列。2、了解现代炭科学的最进展，对金刚石薄膜、富勒烯、碳纳米管、碳纳米葱及炭包覆金属晶体的制备、构造、性质及应用有初步了解。金刚石薄膜制备：1〕高温高压：>1500K,4x103MPa速度，则可在基板材料外表逐步析出，形成多晶金刚石薄膜。〔热CVD〕CVD〕微波、射频放电、DCCVD。111〕晶面围成的八面体化学稳定性好。1〕工具〔刀具，钻头，磨具等2〕3〕防反射膜；4〕磁盘，磁头，轴承，传感器等；5〕音响设备；6〕保护膜富勒烯苯燃烧法有机合成法c.芳香性原则；d.外表张力对称分布原则；e.五元环尽可能不相邻原则；12性能：C60C601.65g/cm3，能在不裂解状况下升华。超导性：经过适当的金属搀杂后的C60表现出良好的导电性和超导性；光学性质：化学性质：C60〔金属包含于C60〔La@C60,已觉察一系列不同碳数的富勒烯可形成金属内包合物，如k,Na,Cs,La,Ca,Ba,Sr,U,Y,Ce等C60〔V,Fe,Co,Ni,Cu,Rh,La反响；亲核加成反响；亲电加成反响；配位化学；5〕热稳定性催化剂；碳纳米管AB、催化热解法〔CVD〕CD、微孔模板法4～301250性