新型碳材料-概論

新型碳材料課堂要求成績構(gòu)成Noabsence！Nonoise！Nosleep！出勤（10%）課堂測驗（20%）課程任務(wù)（20%）考試試卷（50%）100新型碳材料開課目的回憶并掌握碳的基礎(chǔ)知識掌握傳統(tǒng)碳材料種類及用途掌握新型碳材料的種類、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)了解新型碳材料的制備方法與用途新材料世界的入門新型碳材料課程內(nèi)容傳統(tǒng)碳材料納米碳管碳纖維材料碳-碳復(fù)合材料富勒烯碳分子篩碳合金……新型碳材料第一講碳的基礎(chǔ)知識與傳統(tǒng)碳材料碳與炭碳即元素C的中文名稱，代表一種元素，是化學(xué)意義上的概念。本課程中的碳指的便是這一意義。由碳組成的物質(zhì)很多：石墨、金剛石、碳纖維、一氧化碳、二氧化碳、碳水化合物、碳酸鹽、碳環(huán)……炭是概括性的工業(yè)名詞，化學(xué)成分不純。如木炭、煤炭、焦炭、活性炭、炭黑、炭精電極……新型碳材料“碳、氮循環(huán)”熱核反應(yīng)中的元素地球上一切生物有機體的骨架元素人類的日常生活航空、航天以及高科技最硬－最軟絕緣－半導(dǎo)體－良導(dǎo)體絕熱－良導(dǎo)熱全透光－全吸光碳元素的廣泛性、多樣性和特異性結(jié)構(gòu)多樣性性質(zhì)多樣性1、碳的結(jié)構(gòu)新型碳材料碳位于化學(xué)元素周期表的第6位，電子軌道結(jié)構(gòu)為外層電子2s22p2在不同條件下，會產(chǎn)生不同形式的雜化。最常見的雜化形式是SP1，SP2，SP3。新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)1s22s22p2根據(jù)原子的軌道雜化理論，有了三種同素異構(gòu)體：金剛石，石墨與卡賓碳，它們的結(jié)構(gòu)見下圖。1．碳的結(jié)構(gòu)新型碳材料其它雜化方式還有：富勒烯和納米碳管中碳的雜化方式為sp2+s，s的值大于0小于1。新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)sp3sp2sp1金剛石石墨卡賓sp3+sp2+sp1Spn(3>n>1,n≠2)混合碳中間態(tài)碳無定形碳玻璃碳炭黑合金碳其他3>n>2富勒烯，Cxx=60,70,84,…(當(dāng)x=∞時，n=2)洋蔥碳納米碳管2>n>1循環(huán)碳x=18,24,30,…(當(dāng)x=∞時，n=1)1．碳的結(jié)構(gòu)

新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)碳的結(jié)構(gòu)規(guī)則不規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)亂層結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)石墨結(jié)構(gòu)炔炭結(jié)構(gòu)富勒烯結(jié)構(gòu)易石墨化難石墨化1．碳的結(jié)構(gòu)

新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)例1：金剛石晶胞為面心立方晶格參數(shù)如下：N＝8a=0.357

nm理論密度＝3.5362g/cm3

鍵長0.1554nm鍵角為109o28′

1．碳的結(jié)構(gòu)

新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可推斷出其具有以下性質(zhì)：密度最大，理論密度為3.54g/cm3；硬度最高，莫氏硬度為10；熔點高；折射率高；電絕緣體；1．碳的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)例2：石墨鍵長＝0.142nm

1．碳的結(jié)構(gòu)

新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可推斷出其具有以下性質(zhì)：各向異性；層面間相對易滑動，可生成層間化合物；不熔融性及化學(xué)穩(wěn)定性；導(dǎo)電性1．碳的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)例3：富勒烯和納米碳管1．碳的結(jié)構(gòu)

新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)以C60為代表的富勒烯均是空心球形構(gòu)型，碳原子分別以五元環(huán)和六元環(huán)而構(gòu)成球狀。如C60就是由12個正五邊形和20個正六邊形組成的三十二面體，像一個足球。每個五邊形均被5個六邊形包圍,而每個六邊形則鄰接著3個五邊形和3個六邊形。例3：富勒烯和納米碳管1．碳的結(jié)構(gòu)

新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)

碳納米管是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管狀的材料，管的直徑一般為幾納米(最小為1納米左右)到幾十納米，管的厚度僅為幾納米。實際上，碳納米管可以形象地看成是類似于極細(xì)的鐵絲網(wǎng)卷成的一個空心圓柱狀的長“籠子”。碳納米管的直徑十分微小，十幾萬個碳管排起來才有人的一根頭發(fā)絲寬；而碳納米管的長度卻可到達(dá)一百微米。1．碳的結(jié)構(gòu)六角平面不完整，近似平行堆砌層間距大于石墨，無宏觀晶體，存在微晶表征方法：XRD例4：亂層結(jié)構(gòu)新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)1．碳的結(jié)構(gòu)

亂層結(jié)構(gòu)無定型炭新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)亂層結(jié)構(gòu)的判定：石墨化度G理想石墨晶體的G＝100%，完全不可石墨化的G＝0,任何一種炭素材料

G＝(0.344-d002)/(0.344-0.3354)*100%1．碳的結(jié)構(gòu)

新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)貝多芬頭發(fā)變成一顆璀璨的藍(lán)鉆——單質(zhì)碳的“七十二變”

貝多芬畫像貝多芬頭發(fā)所制藍(lán)鉆新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)1．碳的結(jié)構(gòu)圖.有機物轉(zhuǎn)化成碳及各種同素異性（形）體的單質(zhì)碳轉(zhuǎn)化的示意圖新型碳材料1．碳的結(jié)構(gòu)密度分為：

真密度----不包括氣孔和裂隙在內(nèi)的單位容積實體碳的質(zhì)量.Dt=m?N/v

體積密度----包括氣孔和裂隙在內(nèi)的單位容積碳的質(zhì)量.Dv=M/V堆積密度----一定粒級的顆粒料的單位體積的質(zhì)量2．碳的性質(zhì)

碳的物理性質(zhì)新型碳材料2.碳的性質(zhì)氣孔結(jié)構(gòu)分為：開氣孔、閉氣孔、貫通氣孔；微孔、過渡孔、大孔。

炭素材料的氣孔結(jié)構(gòu)應(yīng)以多種參數(shù)綜合描述，如氣孔率、孔徑及其分布、比表面積、形狀因子等。氣孔率----試樣中氣孔體積占試樣總體積的百分率.

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

碳的物理性質(zhì)新型碳材料2.碳的性質(zhì)2．碳的性質(zhì)

燃燒化學(xué)穩(wěn)定性（抗氧化性）固相反應(yīng)還原劑石墨層間的插入(GICs)耐熱耐腐蝕表征方法：TG、XRD、元素分析等碳的化學(xué)性質(zhì)新型碳材料2.碳的性質(zhì)抗壓強度----單向受壓力作用破壞時，單位面積上所承受的荷載。

抗折強度----單位面積承受彎矩時的極限折斷應(yīng)力?？估瓘姸?---拉伸斷裂前所能夠承受的最大拉應(yīng)力。彈性模量----材料所受應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。蠕變----在一定溫度和較小的恒定外力下，材料形變隨時間而逐漸增大的現(xiàn)象。摩擦性——既耐磨又自潤滑2．碳的性質(zhì)

碳的機械性質(zhì)新型碳材料2.碳的性質(zhì)2．碳的性質(zhì)

碳的機械性質(zhì)金剛石與類金剛石自然界最硬的固體具有優(yōu)良的耐摩擦磨損性能石墨自然界最軟的礦物各向異性，a軸和c軸力學(xué)性能差異大。新型碳材料2.碳的性質(zhì)2．碳的性質(zhì)

碳的電學(xué)性質(zhì)電性質(zhì)與能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)能帶理論認(rèn)為：固體中的電子不再束縛于個別的原子，而是在整個固體內(nèi)運動，稱為共有化電子。晶格具有周期性，晶體中的電子是在一個具有晶格周期性的等效勢場中運動。波動方程解為布洛赫函數(shù)方程解的結(jié)果為電子只能存在于不同的能帶區(qū)域，從內(nèi)到外分別稱為第一、第二、第三布里淵區(qū)?？梢曰\統(tǒng)地將能帶分為價帶和導(dǎo)帶，之間為禁帶。禁帶寬度不大于0eV時，為導(dǎo)體；大于0時，為半導(dǎo)體或絕緣體。金剛石禁帶寬度達(dá)5.47eV，具有極強的絕緣能力

石墨能隙最窄為40meV，導(dǎo)體

各向異性2.碳的性質(zhì)固體熱容熱容量為單位大小的物體上升單位溫度時所需的熱量。按照量子力學(xué)的觀點，固體中的熱容與固體中的晶格振動頻率密切相關(guān)，它們之間的關(guān)系滿足德拜函數(shù)：

德拜溫度越高，表明固體中的彈性波速越大，在同樣溫度下，熱容越低。新型碳材料2．碳的性質(zhì)

碳的熱學(xué)性質(zhì)2.碳的性質(zhì)熱膨脹系數(shù)

溫度變化引起的體積變化率，滿足格臨愛森定律：固體中晶格波的非諧作用，使得原子在振動時引起一定的相互斥力，從而引起熱膨脹現(xiàn)象。

新型碳材料2．碳的性質(zhì)

碳的熱學(xué)性質(zhì)2.碳的性質(zhì)熱導(dǎo)率單位時間內(nèi)通過單位截面?zhèn)鬏數(shù)臒崮芘c溫度梯度的比。

固體中的熱導(dǎo)率主要由聲子的平均自由程決定。聲子的平均自由程取決于兩個因素：聲子之間的相互碰撞，固體中缺陷對聲子的散射。

低溫下的固體具有高的熱導(dǎo)率，因為參與熱傳導(dǎo)過程的聲子數(shù)急劇減少，自由程增大。

新型碳材料2．碳的性質(zhì)

碳的熱學(xué)性質(zhì)2.碳的性質(zhì)只有當(dāng)固體內(nèi)包含有具有固有磁矩的電子結(jié)構(gòu)時才會引起順磁化。雜質(zhì)和缺陷一般具有未配對的電子，它們的自旋會貢獻一定的順磁性。載流子運動也會產(chǎn)生順磁性。新型碳材料2．碳的性質(zhì)

碳的電磁性質(zhì)具有飽和電子結(jié)構(gòu)的固體，沒有固有磁矩，是抗磁性的。金剛石和石墨都是飽和電子結(jié)構(gòu)，結(jié)晶完美時都是抗磁的。?石墨中雜質(zhì)和缺陷，導(dǎo)體->順磁?金剛石不易摻雜，絕緣->抗磁2.碳的性質(zhì)金剛石具有高的折射率，低的吸收系數(shù)，在紅外和紫外光的大部分都具有極好的透過性能。拉曼光譜是分析碳結(jié)構(gòu)最有效的手段。新型碳材料2．碳的性質(zhì)

碳的光學(xué)性質(zhì)美國賴斯大學(xué)的科學(xué)家制造出了世界上最黑的材料。他們用碳納米管織出了一片毯子，僅反射0.045%的光線，此前最黑的材料是倫敦科學(xué)家制造的一種鎳磷合金，大約反射0.16%的光線。2.碳的性質(zhì)潤濕性金剛石和石墨層表面具有極大的表面張力，多數(shù)液體的潤濕性較差。石墨的C軸方向的表面張力則非常小，石墨C軸方向一般具有良好的潤濕性。新型碳材料2．碳的性質(zhì)

碳的表面性質(zhì)2.碳的性質(zhì)摩擦磨損性石墨材料與各種物質(zhì)間的摩擦系數(shù)在0.3左右，金剛石具有的摩擦磨損性能，其摩擦系數(shù)僅0.07，幫廣泛用做拋光、研磨材料。新型碳材料2．碳的性質(zhì)

碳的表面性質(zhì)2.碳的性質(zhì)吸附性能物理吸附在高溫低壓下脫附，可逆。化學(xué)吸附發(fā)生化學(xué)作用，不可逆。金剛石表面以及石墨C軸方向作為表面時，它們的懸掛鍵有強烈的極性，因此存在大的物理吸附能力。引入不同的官能團，可能改善對不同物質(zhì)的吸附能力。新型碳材料2．碳的性質(zhì)

碳的表面性質(zhì)2.碳的性質(zhì)催化性能非常大的比表面積，優(yōu)良的耐熱性直接用為催化劑或作為催化劑載體新型碳材料2．碳的性質(zhì)

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

碳的核物理性質(zhì)中子散射截面大吸收截面小質(zhì)量數(shù)低單位體積內(nèi)的原子密度高傳統(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）?金剛石(Diamond)?石墨電極，炭刷?炭棒，鉛筆

新型碳材料(NewCarbons)納米碳材料(Nanocarbons)富勒烯(Fullerenes)碳納米管(Carbonnanotubes)納米金剛石(Nanodiamond)石墨烯(Graphene)?炭纖維(carbonfibers)?石墨層間化合物(GraphiteIntercalationcompounds)?柔性石墨(Flexiblegraphite)?核石墨（Nucleargraphite）?多孔炭(Porouscarbons)?儲能用炭材料?玻璃炭（Glass-likecarbons）3、傳統(tǒng)碳材料階段年份碳材料的發(fā)展I~1960人造石墨活性炭傳統(tǒng)碳材料炭黑大規(guī)模制造以千克或以噸計II1960 ~1985碳纖維玻璃碳新型碳材料熱解碳高密度各向同性石墨碳復(fù)合材料產(chǎn)生很多新的應(yīng)用大部分是以克計量III1985~富勒烯納米碳材料碳納米管尺度達(dá)到納米量級以毫克計新型碳材料3、傳統(tǒng)碳材料不同年代開發(fā)出的炭材料品種86420碳材料的發(fā)展歷史

12 101950195019601960196019701970198019801990CarbonAlloyCarbonNanotubeFullerenesDiamondfilmMesocarbonMicrobeadsGlassycarbonActivatedcarbonfiberCarbonfiberPyrocarbonArtificalgraphiteCarbonblack品種個數(shù)不同年代開發(fā)出的炭材料品種a)天然鉆石b)天然石墨100μmc)玻璃碳300nmd)炭墨a)C60b)C70e)富勒烯f)碳納米管活性碳和多孔碳碳纖維及碳纖維增強材料石墨，膨脹石墨和柔性石墨石墨層間化合物人造石墨和高密度各向同性石墨金剛石和類金剛石玻璃碳傳統(tǒng)碳材料用途（1）用來凈化水與作為冰箱除臭劑及空氣過濾劑

活性碳和多孔碳a)粒狀活性碳b)纖維活性碳Cellvoltage/VCellvoltage/V+-pore-a)充電電解液孔孔多孔電極雙電層+--多孔電極Pore+

pore+ ++porouscarbon

+ -----+e-+-+-電解液

-

+-b)放電+e--

e-+Time/secTime/seca)Charge（2）用來制作雙電層電容器活性碳和多孔碳復(fù)印機存儲器的備用電源汽車啟動輔助風(fēng)力發(fā)電機蓄能器雙電層電容器的應(yīng)用活性碳和多孔碳活性碳和多孔碳碳纖維及碳纖維增強材料

碳纖維的性能：高拉伸強度、高拉伸模量、低密度、耐 高溫、抗燒蝕、耐腐蝕、高電導(dǎo)和熱導(dǎo)、低熱膨脹、自 潤滑和生物相容性好。

碳纖維的結(jié)構(gòu)：是不完全的石墨結(jié)晶沿纖維軸向排列的 物質(zhì)，是由sp2碳組成的六角形網(wǎng)面層狀堆積物，各平 行層堆積不規(guī)則，缺乏三維有序排列，呈亂層結(jié)構(gòu)。碳纖維及碳纖維增強材料碳纖維及碳纖維增強材料碳纖維及碳纖維增強材料a)Airbus380b)Boeing787碳纖維及碳纖維增強材料波音787上使用的碳纖維含量8-9噸，占總量的9%：垂直安定面翼盒；平尾