碳材料概述.ppt

Contents 其他傳統(tǒng)炭素材料 漢字 碳 由木炭的 炭 加石字旁構(gòu)成 從 炭 字音 碳是人類接觸到的最早的元素之一 也是人類利用得最早的元素之一 堯舜時(shí)代 炭黑作為涂料 商朝時(shí) 廣泛用木炭來冶煉金屬 在冶煉中木炭充當(dāng)燃料 還原劑 碳元素是一種平凡而神奇的元素 以多種形式廣泛存在于大氣和地殼中 在地殼中的含量為0 027 能形成多種單質(zhì)和千萬種化合物 碳 地球上一切生物有機(jī)體的骨架元素 碳12是國(guó)際單位制中定義摩爾的尺度 以12g碳12中含有的原子數(shù)為1mol 碳14由于具有較長(zhǎng)的半衰期 被廣泛用來測(cè)定古物的年代 一 碳的基礎(chǔ)知識(shí) 一 碳的基礎(chǔ)知識(shí) 佛羅倫薩科學(xué)院大事記 1649年金剛石消失之謎 1772年 拉瓦錫做了燃燒金剛石和木炭的實(shí)驗(yàn)后 確定兩種物質(zhì)燃燒都產(chǎn)生CO2 因而金剛石和木炭具有相同的成分 1776年 1787 拉瓦錫借鑒拉丁語(yǔ)的木炭 carbo 將碳的英文名定為 Carbon 并于1789年 碳作為元素被列入第一張?jiān)乇碇?一 碳的基礎(chǔ)知識(shí) 關(guān)于 碳材料 與 炭素材料 炭 與 碳 二字有聯(lián)系又有區(qū)別 碳 指碳元素 碳單質(zhì)總體 含碳化合物及其眾多的衍生物時(shí)用 碳 如碳水化合物 碳酸鹽 碳?xì)浠衔?炭 指由碳元素形成的單質(zhì) 指的是具體物質(zhì) C H比在10以上 主要由碳元素組成 多數(shù)為固體材料 如煤炭 焦炭 炭黑 活性炭 炭電極 炭塊 炭纖維等 炭素材料 與 炭素制品 的區(qū)別與聯(lián)系 炭素材料是個(gè)總稱 包括炭素原料和炭素制品 如炭素工業(yè)使用的石油焦 無煙煤 天然石墨屬炭素原料 炭素原料經(jīng)加工制成具有一定形狀及物化性質(zhì)的產(chǎn)品稱炭素制品 如炭質(zhì)電極 石墨電極 炭纖維 一 碳的基礎(chǔ)知識(shí) 碳材料 結(jié)構(gòu)多樣性功能多樣性 傳統(tǒng)碳材料 Classiccarbons 木炭 竹炭 Charcoals 活性炭 Activatedcarbons 炭黑 Carbonblacks 焦炭 Coke 天然石墨 Naturalgraphite 天然金剛石 Naturaldiamond 新型碳材料 Newcarbons 金剛石功能材料 薄膜 納米 石墨層間化合物炭纖維 Carbonsfibers 多孔炭 Porouscarbons 玻璃炭 Glass likecarbons 柔性石墨 Flexiblegraphite 核石墨 Nucleargraphite Fullerene CNTS Graphene 碳材料的分類 二 金剛石與石墨 天然金剛石 鉆石 研磨 金剛石結(jié)構(gòu)圖 石墨 平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 二 金剛石與石墨 石墨可分為天然石墨和人造石墨 如等靜壓石墨 模壓石墨 擠壓石墨 作電極材料 1 作耐火材料 如石墨坩堝 石墨模具 2 作導(dǎo)電材料 在電氣工業(yè)上用作制造電極 電刷 碳棒 碳管 石墨墊圈 電視機(jī)顯像管的涂層等 3 用于原子能工業(yè)和國(guó)防工業(yè) 作為中子減速劑用于原子反應(yīng)堆 4 作鑄造 翻砂 壓模及高溫冶金材料 5 石墨可作鉛筆芯 顏料 拋光劑 6 作耐磨潤(rùn)滑材料 耐燒蝕材料 利用了石墨具有導(dǎo)電性 潤(rùn)滑性和熔點(diǎn)高 二 金剛石與石墨 金剛石合成已有40多年的歷史 其合成方法大致可分為兩類 石墨轉(zhuǎn)化法 靜態(tài)超高壓高溫法 動(dòng)態(tài)法 和氣相合成法1954年人造金剛石在美國(guó)通用電氣公司的誕生 揭開了人工合成金剛石發(fā)展的序幕 它是靜態(tài)高壓高溫技術(shù)發(fā)展的重大成果 化學(xué)氣相沉積 CVD 金剛石膜的問世是人工合成金剛石技術(shù)發(fā)展的第二次大飛躍 20世紀(jì)50年代和60年代 美國(guó) 蘇聯(lián)等國(guó)先后在低壓下實(shí)現(xiàn)了金剛石多晶膜的化學(xué)氣相沉積 1987年 金剛石薄膜 的合成在世界上興起 但合成方法歸納起來主要有CVD和PVD兩類 二 金剛石與石墨 鉆頭 金剛石主要用于精密機(jī)械制造 電子工業(yè) 光學(xué)工業(yè) 半導(dǎo)體工業(yè)及化學(xué)工業(yè) 如固定激光器件的散熱片 紅外激光器的窗口材料 各種鉆頭 磨料等 天然金剛石稀少 只限于用作裝飾品 工業(yè)應(yīng)用以人工合成金剛石為主 近年來 金剛石功能化薄膜 微晶金剛石 納米金剛石拓寬了傳統(tǒng)意義上的金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域 三 其他傳統(tǒng)炭素材料 木炭 焦炭 活性炭 炭黑 以石墨微晶為基礎(chǔ)構(gòu)成的 其共同點(diǎn)是 由石墨的微小晶體和少量雜質(zhì)構(gòu)成的混合物 不同的炭素材料中 微晶的尺寸和微晶的三維排列的有序程度有相當(dāng)大的差別 炭纖維 多孔碳材料 功能化金剛石薄膜 玻璃炭等 我國(guó)古代字畫為什么能夠保存在現(xiàn)在 常溫下 碳的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定 碳受日光照射或與空氣 水分接觸 都不容易起變化 四 新型碳材料 CNT 1991年日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室Sumio Iijim用HRTEM觀察電弧放電后的石墨棒時(shí)發(fā)現(xiàn) Graphene 2004年 物理學(xué)教授安德烈 海姆 AndreGeim 和康斯坦丁 諾沃肖洛夫 KostyaNovoselov 博士用一種簡(jiǎn)單易行的膠帶分離法從HOPG中成功制備出了石墨烯 完整的碳系家族 Diamond 印度金剛石開采的可考?xì)v史大約是1638 1668年 Graphite 1779年人們才知道石墨是碳元素的一種物質(zhì)形式 Fullerene 1985年發(fā)現(xiàn) 第三種碳元素的晶體形態(tài) 20個(gè)六邊形 12個(gè)五邊形 2010獲獎(jiǎng) 四 新型碳材料 C60的發(fā)現(xiàn) 1985年 英國(guó)Sussex大學(xué)的H W Kroto和美國(guó)Rice大學(xué)的Smalley及Curl等人發(fā)表文章 宣布籠形分子C60的發(fā)現(xiàn) 一種由60個(gè)碳原子組成的穩(wěn)定原子簇 此后又發(fā)現(xiàn)了C50 C70 C240乃至C540等 它們都具有空心的球形結(jié)構(gòu) 屬于籠形碳原子簇分子 由于C60的結(jié)構(gòu)類似建筑師BuckminsterFuller設(shè)計(jì)的圓頂建筑 因而稱為富勒烯 Fullerence 從化學(xué)和材料科學(xué)的角度來看 富勒烯具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景 美國(guó)建筑師富勒的設(shè)計(jì)之一 C60是20世紀(jì)的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一 極大地拓展了人類對(duì)碳材料的認(rèn)識(shí) 四 新型碳材料 C60的發(fā)現(xiàn) C60的主要合成法 石墨氣化法 激光 電弧 純碳燃燒法 應(yīng)用前景 超導(dǎo)材料 金屬摻雜 K Rb 的C60插層合物 18K 29K 最早令人關(guān)注的 室溫下富勒烯是分子晶體 C60的能隙為1 5eV 半導(dǎo)體 但經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕饘贀诫s后能變成超導(dǎo)體 磁性材料 Dy組裝在C80的籠內(nèi) 太陽(yáng)能電池材料 PCBM C60的有機(jī)衍生物 由于它的很好的溶解性 很高的電子遷移率等常用于有機(jī)太陽(yáng)能電池的電子受體標(biāo)準(zhǔn)物 催化劑材料 有機(jī)官能團(tuán)改性 此外還有醫(yī)學(xué) 光學(xué)領(lǐng)域 富勒烯的合成成本很高 其潛在的應(yīng)用還在不斷的探索中 四 新型碳材料 CarbonNanotubes的發(fā)現(xiàn) Nature354 56 58 1991 MWNT SWNT 四 新型碳材料 CarbonNanotubes的發(fā)現(xiàn) 碳納米管的大量制備 電弧放電法 已用于工業(yè)化生產(chǎn) 激光蒸發(fā)法 CVD法 高溫分解C H化合物法 ArcDischargeMethods 電弧室充惰性氣體保護(hù) 兩石墨棒電極靠近 拉起電弧 再拉開 以保持電弧穩(wěn)定 放電過程中陽(yáng)極溫度相對(duì)陰極較高 所以陽(yáng)極石墨棒不斷被消耗 同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物 電弧法多采用直流電弧 電弧放電條件一般為 電極電壓20 30V 電流50 150A 氣體壓力10 80kPa MaterialsToday Oct2004 pages22 49 四 新型碳材料 納米碳管儲(chǔ)氫原理 吸附氫氣的吸附和脫附可在常溫進(jìn)行 只要改變壓力即可 儲(chǔ)氫量大 純凈單壁碳納米管達(dá)5 0 10 一般7 4 符合美國(guó)能源部的標(biāo)準(zhǔn) 6 4 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 納米碳管在化學(xué)傳感器中的應(yīng)用由于碳納米管暴露在NO2和NH3時(shí) 電導(dǎo)發(fā)生明顯的增加或減小 奠定了在氣體化學(xué)傳感器應(yīng)用的基礎(chǔ) Kong J等人測(cè)定了SWNT在NO2和NH3通過時(shí) 碳納米管電導(dǎo)隨電壓的變化情況 Science 2000 287 622 625電導(dǎo)NO23個(gè)數(shù)量級(jí) 電導(dǎo)NH32個(gè)數(shù)量級(jí)應(yīng)用 環(huán)境中NO2和NH3的監(jiān)測(cè) IBM研制的碳納米管芯片 2012 11 右圖中非常黯淡的黑線是跨越兩個(gè)電觸點(diǎn)間隙的碳納米管 IBM的技術(shù)可以在每一個(gè)溝槽中放置一根碳納米管 碳納米管觸摸屏 四 新型碳材料 NatureMaterials6 183 191 2007 Graphene 石墨烯是由碳原子以sp2雜化連接的單原子層構(gòu)成的 其理論厚度僅為0 35nm 是目前所發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料 石墨烯是構(gòu)建其它維數(shù)碳材料 如零維富勒烯 一維CNTs 三維石墨 的基本單元 四 新型碳材料 微機(jī)械剝離法 碳納米管橫向切割法 微波法 電弧放電法 光照還原法 石墨氧化還原法 電化學(xué)還原法 熱膨脹法 液相 氣相剝離石墨法 碳化硅裂解法 外延生長(zhǎng)法 化學(xué)氣相沉積法 石墨烯的制備方法 四 新型碳材料 力學(xué)性能 斷裂強(qiáng)度可達(dá)130 10GPa 彈性模量達(dá)1 0 1TPa電學(xué)性能 電子的傳輸速度為光子的1 300 室溫下較高的電子遷移率 15000cm2 V S 石墨烯是能隙為零的二維半導(dǎo)體 是凝聚態(tài)物理學(xué)中描述無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子一個(gè)理想實(shí)物模型材料載流子作有效質(zhì)量為零的運(yùn)動(dòng) 電子沒有質(zhì)量室溫量子霍爾效應(yīng)載流子彈道運(yùn)輸比金剛石更大的硬度光學(xué)性能 對(duì)近紅外 可見光及紫外光均具有優(yōu)異的透過性 可吸收大約2 3 的可見光 四 新型碳材料 超級(jí)計(jì)算機(jī)芯片 目前世上電阻率最小的材料 電阻率僅為10 6 cm 在室溫下硅基處理器的運(yùn)行速度達(dá)到4 5GHz后就很難在繼續(xù)提高 替代硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī) 光子傳感器 液晶顯示材料 新一代太陽(yáng)能電池 石墨烯作為硅的替代品材料來制作晶體管器件是讓科學(xué)家們頗為期待的重要一項(xiàng)應(yīng)用 也是最受關(guān)注的領(lǐng)域之一 石墨烯擁有比硅更高的載流子遷移率 而且電子在石墨烯中運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很少的熱量 使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)的處理器能夠達(dá)到1THz即1000GHz 石墨烯可制成能夠折疊的顯示器目前用于制作太陽(yáng)能電池窗口電極 顯示器和觸摸屏等器件的材料是銦錫氧化物半導(dǎo)體透明薄膜 ITO 但銦在地球上含量有限 同時(shí)ITO材料在近紅外光區(qū)的透光性比較差 不利于制造柔性器件 石墨烯不僅具有非常高的導(dǎo)電性 而且擁有更高的強(qiáng)度和更好的韌性 能夠制成可以彎曲折疊的顯示 被認(rèn)為是替代ITO的合適材料 未來石墨烯將制成可折疊的顯示器 四 新型碳材料 從左到右 在石墨烯上印好的銀電極把材料分成大小為3 1英寸的區(qū)域 組裝好的石墨烯觸摸屏面板 接到電腦上使用的石墨烯觸摸屏 四 新型碳材料 氣體分子傳感器儲(chǔ)能材料藥物控制釋放離子篩作為電極材料復(fù)合材料 四 新型碳材料 謝謝大家 請(qǐng)老師和各位同學(xué)指正 其他應(yīng)用 超級(jí)電容器藥物控制釋放計(jì)算機(jī)芯片作為電極材料 17世紀(jì)40年代 陽(yáng)光明媚的夏日 意大利佛羅倫薩科學(xué)院 幾位院士圍坐在花園中的一個(gè)石桌旁 用放大鏡觀察 研究一小顆珍貴的金剛石 當(dāng)金剛石所處的位置與凸透鏡的焦點(diǎn)吻合時(shí) 金剛石折射出耀眼的強(qiáng)光 院士們紛紛調(diào)頭躲避 當(dāng)他們回過頭時(shí) 卻意外地發(fā)現(xiàn)閃閃發(fā)光的金剛石不見了 人們尋遍了周圍的草坪 一無所獲 金剛石不翼而飛 成了一宗離奇的失蹤案 載入了佛羅倫薩科學(xué)院的大事記 想一想 金剛石為什么會(huì)