新型碳材料-概论

新型碳材料课堂要求成绩构成Noabsence！Nonoise！Nosleep！出勤（10%）课堂测验（20%）课程任务（20%）考试试卷（50%）100新型碳材料开课目的回忆并掌握碳的基础知识掌握传统碳材料种类及用途掌握新型碳材料的种类、结构与性质了解新型碳材料的制备方法与用途新材料世界的入门新型碳材料课程内容传统碳材料纳米碳管碳纤维材料碳-碳复合材料富勒烯碳分子筛碳合金……新型碳材料第一讲碳的基础知识与传统碳材料碳与炭碳即元素C的中文名称，代表一种元素，是化学意义上的概念。本课程中的碳指的便是这一意义。由碳组成的物质很多：石墨、金刚石、碳纤维、一氧化碳、二氧化碳、碳水化合物、碳酸盐、碳环……炭是概括性的工业名词，化学成分不纯。如木炭、煤炭、焦炭、活性炭、炭黑、炭精电极……新型碳材料“碳、氮循环”热核反应中的元素地球上一切生物有机体的骨架元素人类的日常生活航空、航天以及高科技最硬－最软绝缘－半导体－良导体绝热－良导热全透光－全吸光碳元素的广泛性、多样性和特异性结构多样性性质多样性1、碳的结构新型碳材料碳位于化学元素周期表的第6位，电子轨道结构为外层电子2s22p2在不同条件下，会产生不同形式的杂化。最常见的杂化形式是SP1，SP2，SP3。新型碳材料1．碳的结构1s22s22p2根据原子的轨道杂化理论，有了三种同素异构体：金刚石，石墨与卡宾碳，它们的结构见下图。1．碳的结构新型碳材料其它杂化方式还有：富勒烯和纳米碳管中碳的杂化方式为sp2+s，s的值大于0小于1。新型碳材料1．碳的结构sp3sp2sp1金刚石石墨卡宾sp3+sp2+sp1Spn(3>n>1,n≠2)混合碳中间态碳无定形碳玻璃碳炭黑合金碳其他3>n>2富勒烯，Cxx=60,70,84,…(当x=∞时，n=2)洋葱碳纳米碳管2>n>1循环碳x=18,24,30,…(当x=∞时，n=1)1．碳的结构

新型碳材料1．碳的结构碳的结构规则不规则晶体结构乱层结构金刚石结构石墨结构炔炭结构富勒烯结构易石墨化难石墨化1．碳的结构

新型碳材料1．碳的结构例1：金刚石晶胞为面心立方晶格参数如下：N＝8a=0.357

nm理论密度＝3.5362g/cm3

键长0.1554nm键角为109º28´

1．碳的结构

新型碳材料1．碳的结构根据其结构，可推断出其具有以下性质：密度最大，理论密度为3.54g/cm3；硬度最高，莫氏硬度为10；熔点高；折射率高；电绝缘体；1．碳的结构

结构决定性质新型碳材料1．碳的结构例2：石墨键长＝0.142nm

1．碳的结构

新型碳材料1．碳的结构根据其结构，可推断出其具有以下性质：各向异性；层面间相对易滑动，可生成层间化合物；不熔融性及化学稳定性；导电性1．碳的结构

结构决定性质新型碳材料1．碳的结构例3：富勒烯和纳米碳管1．碳的结构

新型碳材料1．碳的结构以C60为代表的富勒烯均是空心球形构型，碳原子分别以五元环和六元环而构成球状。如C60就是由12个正五边形和20个正六边形组成的三十二面体，像一个足球。每个五边形均被5个六边形包围,而每个六边形则邻接着3个五边形和3个六边形。例3：富勒烯和纳米碳管1．碳的结构

新型碳材料1．碳的结构

碳纳米管是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管状的材料，管的直径一般为几纳米(最小为1纳米左右)到几十纳米，管的厚度仅为几纳米。实际上，碳纳米管可以形象地看成是类似于极细的铁丝网卷成的一个空心圆柱状的长“笼子”。碳纳米管的直径十分微小，十几万个碳管排起来才有人的一根头发丝宽；而碳纳米管的长度却可到达一百微米。1．碳的结构六角平面不完整，近似平行堆砌层间距大于石墨，无宏观晶体，存在微晶表征方法：XRD例4：乱层结构新型碳材料1．碳的结构1．碳的结构

乱层结构无定型炭新型碳材料1．碳的结构乱层结构的判定：石墨化度G理想石墨晶体的G＝100%，完全不可石墨化的G＝0,任何一种炭素材料

G＝(0.344-d002)/(0.344-0.3354)*100%1．碳的结构

新型碳材料1．碳的结构贝多芬头发变成一颗璀璨的蓝钻——单质碳的“七十二变”

贝多芬画像贝多芬头发所制蓝钻新型碳材料1．碳的结构1．碳的结构图.有机物转化成碳及各种同素异性（形）体的单质碳转化的示意图新型碳材料1．碳的结构密度分为：

真密度----不包括气孔和裂隙在内的单位容积实体碳的质量.Dt=m•N/v

体积密度----包括气孔和裂隙在内的单位容积碳的质量.Dv=M/V堆积密度----一定粒级的颗粒料的单位体积的质量2．碳的性质

碳的物理性质新型碳材料2.碳的性质气孔结构分为：开气孔、闭气孔、贯通气孔；微孔、过渡孔、大孔。

炭素材料的气孔结构应以多种参数综合描述，如气孔率、孔径及其分布、比表面积、形状因子等。气孔率----试样中气孔体积占试样总体积的百分率.

Pt=(V1+V2+V3)/V*100%Pt=(Dt-Dv)/Dt*100%2．碳的性质

碳的物理性质新型碳材料2.碳的性质2．碳的性质

燃烧化学稳定性（抗氧化性）固相反应还原剂石墨层间的插入(GICs)耐热耐腐蚀表征方法：TG、XRD、元素分析等碳的化学性质新型碳材料2.碳的性质抗压强度----单向受压力作用破坏时，单位面积上所承受的荷载。

抗折强度----单位面积承受弯矩时的极限折断应力。抗拉强度----拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。弹性模量----材料所受应力与应变之间的关系。蠕变----在一定温度和较小的恒定外力下，材料形变随时间而逐渐增大的现象。摩擦性——既耐磨又自润滑2．碳的性质

碳的机械性质新型碳材料2.碳的性质2．碳的性质

碳的机械性质金刚石与类金刚石自然界最硬的固体具有优良的耐摩擦磨损性能石墨自然界最软的矿物各向异性，a轴和c轴力学性能差异大。新型碳材料2.碳的性质2．碳的性质

碳的电学性质电性质与能带结构密切相关能带理论认为：固体中的电子不再束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动，称为共有化电子。晶格具有周期性，晶体中的电子是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动。波动方程解为布洛赫函数方程解的结果为电子只能存在于不同的能带区域，从内到外分别称为第一、第二、第三布里渊区。可以笼统地将能带分为价带和导带，之间为禁带。禁带宽度不大于0eV时，为导体；大于0时，为半导体或绝缘体。金刚石禁带宽度达5.47eV，具有极强的绝缘能力

石墨能隙最窄为40meV，导体

各向异性2.碳的性质固体热容热容量为单位大小的物体上升单位温度时所需的热量。按照量子力学的观点，固体中的热容与固体中的晶格振动频率密切相关，它们之间的关系满足德拜函数：

德拜温度越高，表明固体中的弹性波速越大，在同样温度下，热容越低。新型碳材料2．碳的性质

碳的热学性质2.碳的性质热膨胀系数

温度变化引起的体积变化率，满足格临爱森定律：固体中晶格波的非谐作用，使得原子在振动时引起一定的相互斥力，从而引起热膨胀现象。

新型碳材料2．碳的性质

碳的热学性质2.碳的性质热导率单位时间内通过单位截面传输的热能与温度梯度的比。

固体中的热导率主要由声子的平均自由程决定。声子的平均自由程取决于两个因素：声子之间的相互碰撞，固体中缺陷对声子的散射。

低温下的固体具有高的热导率，因为参与热传导过程的声子数急剧减少，自由程增大。

新型碳材料2．碳的性质

碳的热学性质2.碳的性质只有当固体内包含有具有固有磁矩的电子结构时才会引起顺磁化。杂质和缺陷一般具有未配对的电子，它们的自旋会贡献一定的顺磁性。载流子运动也会产生顺磁性。新型碳材料2．碳的性质

碳的电磁性质具有饱和电子结构的固体，没有固有磁矩，是抗磁性的。金刚石和石墨都是饱和电子结构，结晶完美时都是抗磁的。•石墨中杂质和缺陷，导体->顺磁•金刚石不易掺杂，绝缘->抗磁2.碳的性质金刚石具有高的折射率，低的吸收系数，在红外和紫外光的大部分都具有极好的透过性能。拉曼光谱是分析碳结构最有效的手段。新型碳材料2．碳的性质

碳的光学性质美国赖斯大学的科学家制造出了世界上最黑的材料。他们用碳纳米管织出了一片毯子，仅反射0.045%的光线，此前最黑的材料是伦敦科学家制造的一种镍磷合金，大约反射0.16%的光线。2.碳的性质润湿性金刚石和石墨层表面具有极大的表面张力，多数液体的润湿性较差。石墨的C轴方向的表面张力则非常小，石墨C轴方向一般具有良好的润湿性。新型碳材料2．碳的性质

碳的表面性质2.碳的性质摩擦磨损性石墨材料与各种物质间的摩擦系数在0.3左右，金刚石具有的摩擦磨损性能，其摩擦系数仅0.07，帮广泛用做抛光、研磨材料。新型碳材料2．碳的性质

碳的表面性质2.碳的性质吸附性能物理吸附在高温低压下脱附，可逆。化学吸附发生化学作用，不可逆。金刚石表面以及石墨C轴方向作为表面时，它们的悬挂键有强烈的极性，因此存在大的物理吸附能力。引入不同的官能团，可能改善对不同物质的吸附能力。新型碳材料2．碳的性质

碳的表面性质2.碳的性质催化性能非常大的比表面积，优良的耐热性直接用为催化剂或作为催化剂载体新型碳材料2．碳的性质

碳的表面性质2.碳的性质石墨是除重水外最好的慢化材料。核裂变：中子的速度为2×107米/秒，石墨也是良好的反射材料新型碳材料2．碳的性质

碳的核物理性质中子散射截面大吸收截面小质量数低单位体积内的原子密度高传统碳材料(ClassicCarbons)木炭，竹炭(Charcoals)•活性炭(Activatedcarbons)•炭黑(Carbonblacks)•焦炭(Coke)•天然石墨（Naturalgraphite）•金刚石(Diamond)•石墨电极，炭刷•炭棒，铅笔

新型碳材料(NewCarbons)纳米碳材料(Nanocarbons)富勒烯(Fullerenes)碳纳米管(Carbonnanotubes)纳米金刚石(Nanodiamond)石墨烯(Graphene)•炭纤维(carbonfibers)•石墨层间化合物(GraphiteIntercalationcompounds)•柔性石墨(Flexiblegraphite)•核石墨（Nucleargraphite）•多孔炭(Porouscarbons)•储能用炭材料•玻璃炭（Glass-likecarbons）3、传统碳材料阶段年份碳材料的发展I~1960人造石墨活性炭传统碳材料炭黑大规模制造以千克或以吨计II1960 ~1985碳纤维玻璃碳新型碳材料热解碳高密度各向同性石墨碳复合材料产生很多新的应用大部分是以克计量III1985~富勒烯纳米碳材料碳纳米管尺度达到纳米量级以毫克计新型碳材料3、传统碳材料不同年代开发出的炭材料品种86420碳材料的发展历史

12 101950195019601960196019701970198019801990CarbonAlloyCarbonNanotubeFullerenesDiamondfilmMesocarbonMicrobeadsGlassycarbonActivatedcarbonfiberCarbonfiberPyrocarbonArtificalgraphiteCarbonblack品种个数不同年代开发出的炭材料品种a)天然钻石b)天然石墨100μmc)玻璃碳300nmd)炭墨a)C60b)C70e)富勒烯f)碳纳米管活性碳和多孔碳碳纤维及碳纤维增强材料石墨，膨胀石墨和柔性石墨石墨层间化合物人造石墨和高密度各向同性石墨金刚石和类金刚石玻璃碳传统碳材料用途（1）用来净化水与作为冰箱除臭剂及空气过滤剂

活性碳和多孔碳a)粒状活性碳b)纤维活性碳Cellvoltage/VCellvoltage/V+-pore-a)充电电解液孔孔多孔电极双电层+--多孔电极Pore+

pore+ ++porouscarbon

+ -----+e-+-+-电解液

-

+-b)放电+e--

e-+Time/secTime/seca)Charge（2）用来制作双电层电容器活性碳和多孔碳复印机存储器的备用电源汽车启动辅助风力发电机蓄能器双电层电容器的应用活性碳和多孔碳活性碳和多孔碳碳纤维及碳纤维增强材料

碳纤维的性能：高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、耐 高温、抗烧蚀、耐腐蚀、高电导和热导、低热膨胀、自 润滑和生物相容性好。

碳纤维的结构：是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的 物质，是由sp2碳组成的六角形网面层状堆积物，各平 行层堆积不规则，缺乏三维有序排列，呈乱层结构。碳纤维及碳纤维增强材料碳纤维及碳纤维增强材料碳纤维及碳纤维增强材料a)Airbus380b)Boeing787碳纤维及碳纤维增强材料波音787上使用的碳纤维含量8-9吨，占总量的9%：垂直安定面翼盒；平尾