聚合物合成与制备碳材料部分

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1、 聚合物合成与制备 聚合物合成与制备 韩丙勇 赵东林 赵京波 北京化工大学 高分子材料合成与制备韩丙勇 32学时 复合材料、碳材料合成与制备赵东林 8学时 生物(环境)材料合成与制备赵京波 8学时 聚合物合成与制备 聚合物合成与制备 赵东林 赵东林 教授 教授 电话：64434914 E-mail： 碳材料合成与制备 碳材料合成与制备 一、炭材料的定义 是主要以煤、石油或它们的加工产物等有机物质作为主要原 料经过一系列加工处理过程得到的一种非金属材料，其主要 成分是碳。 广义上看：金刚石、石墨、咔宾都属于炭材料，这是一个广 义的定义，但由于金刚石和咔宾在自然界存在非常少，结构 也单一，不象石墨

2、那样具有众多的过渡态中间结构（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 2 杂化轨道为 主构成的炭材料，从无定形炭到石墨晶体的所有中间结构物 质（过渡态碳），它是由有机化合物炭化制得的人造炭。 1、定义2、新型炭材料 根据使用的目的，通过原料和工艺的改变，控制所得材料的 功能，开发出新用途的炭及其复合材料。大谷杉郎认为： 新型炭材料可大致分为三类， 一是强度在100MPa以上，模量在10GPa以上使用时不必后加工 的方法制得的新型炭成型物； 二是以炭为主要构成要素，与树脂、陶瓷、金属等组成的各 种复合材料； 三是基本上利用炭结构的特征，由炭或炭化物形

3、成的各种功 能材料。 3、“炭”与“碳”的区别 Carbon as element Carbon as material碳的起源-“big bang”理论 宇宙巨大的能量块 150亿年前发生大爆炸 宇宙空间充满高能的光 光转化为物质，各种 粒子开始形成 膨胀 温度降低 粒子凝聚成氢 温度升高 Ne Na Mg O S Si P C 的存在 温度降低 温度升高二、炭材料的基本性质 和金属一样具有导电性、导热性； 和陶瓷一样耐热、耐腐蚀； 和有机高分子一样质量轻，分子结构多 样； 另外，还具有比模量、比强度高，震动衰 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

4、、陶瓷和高分子材料所不具备的。因 此，炭及其复合材料被认为是人类必须的 第四类原材料。碳原子在电子结构上可形成SP n 杂化，能键合众多原子和分 子，在纳米及微米尺度上以不同方式和取向进行堆叠和聚 集，形成粒子、孔状、纤维状、薄膜状及块体材料。各种类 型炭物质具有的性质几乎包括地球上所有的性质，有的甚至 是完全对立的性质 最硬（金刚石） 软（石墨） 绝缘体 （金刚石） 半导体（石墨） 良导体（热解石墨） 绝热体（石墨层间） 良导热体（金刚石、石墨层内） 全吸光（石墨） 全透光（金刚石） 碳纳米管有可能将碳元素的独特性发挥到及至四、炭材料的应用 四、炭材料的应用 机械工业：轴承、密封元件、制动元

5、件等； 电子工业：电极、电波屏蔽、电子元件等； 电器工业：电刷，集电体、触点等； 航空航天：结构材料，绝热、耐烧蚀材料等； 核能工业：反射材料，屏蔽材料等； 冶金工业：电极，发热元件，坩锅、模具等； 化学工业：化工设备，过滤器等； 体育器材：球杆，球拍，自行车等； 五、炭材料的发展史 1、第一代（5千1万年前） 2、第二代（十九世纪） 烧结型炭材料 （人造石墨） 3、第三代（第二次世界大战后） 4、二十世纪八十年代中叶以后第一代 第一代 炭材料 炭材料 天然物质加热，利用炭的化学性质，作燃 料和还原剂炼铜和炼铁 CuO + C Cu + CO 2 Fe 2 O 3 + C Fe + CO 2第

6、二代 第二代 炭材料 炭材料 烧结炭材料 利用炭的物理性质（导电、耐热、耐腐 蚀、耐摩擦等），用于炭砖、炼钢、炼 铝等（电极、电刷、各种机械、化工用 炭、原子反应堆用炭等）第三代 第三代 炭材料 炭材料 以炭纤维（CF）为代表的新型炭材料(结构 和功能材料)纷纷出现，是炭材料的大发展 时期，也是炭科学形成的时期材料 性能 用途 CF 高比强、比模量、热膨 胀系数小等 复合材料的增强剂 活性CF 比表面积大、吸附性能 好 环保吸附材料 玻璃炭 不浸透性、耐热耐蚀性 电池电极隔板、半 导体器件 金刚石薄膜 透光、发光性，硬度 高、耐磨、高膜量，光 交换性 高温晶体管、激光 器件、绝缘材料等 石墨层

7、间化合 物 轻、高导电性、电化学 性，反应性等 高导电材料、电池 活性物质、催化剂 等 气相生长炭纤 维 极细、比表面积大、中 空、结晶性好 增强材料、催化材 料、导电材料等 中间相沥青炭 微球 自烧结性，球形、层状 各向同性炭、坩 埚、电极等第四代 第四代 炭材料 炭材料 富勒烯 碳纳米管 碳纳米洋葱（富勒洋葱） 碳包覆纳米金属晶 碳气凝胶 多孔炭 石墨烯 .炭材料的发展史 人类起源 木炭为热能的来源 铜器时代 炭还原铜 十八世纪初 焦炭作还原剂。炼钢工业 十九世纪中 电炉炼钢炭 电极工业化 1895 年 电极，电刷和电极糊 木 炭 焦炭 1907 年 活性炭用于环境 20世纪 40-50

8、年代 高纯高密石墨 20世纪 50-60 年代 热解石墨和热解炭 20世纪 60-70 年代 C 60 碳纳米管 . 金刚石薄膜 中间相炭微球 膨胀石墨 炭纤维复合材料 高性能炭纤维 人类文明时代 烟炱做染料和墨汁 石墨 20世纪 80年代 1、新炭素材料入门 日本炭素材料学会编，中国金 属学会炭材料专业委员会编译（1999） 2、Chemistry and Physics of Carbon, a series of advances from 1965, Marcel Dekker, Inc., Vol.26 3、Science of Carbon Materials, H. Marsh

9、and F. R. Reinoso, Universidad de Alicante, (2000) 4 、Introduction to Carbon Technology, H. Marsh and F. R. Reinoso, Universidad de Alicante, (2000) 5、Introduction to Carbon Science, H. Marsh， Butterworths Press, 1989 主要参考书目 6、炭化工学的基础 大谷杉郎、真田雄三著 中国科学院沈阳金属所内部翻译（1980） 7、炭素材料，王曾辉，高晋生编，华东化工学 院出版社（1991）

10、8、炭纤维的制造、性质及其应用， 王茂章，贺 福编著，科学出版社（1984） 9、炭纤维及其复合材料，贺福，王茂章编著， 科学出版社（1996） 10、纳米碳管制备、结构、物性及应用，成 会明编著，化学工业出版社（2002）六、碳的结构碳原子的价态 碳的原子序数为6，具有很强 的结合能力 碳的基态电子结构：1s 2 2s 2 2p 2 基态的原子 价为二价，但在许多化合物中碳多为四 价。 形成共价键时一个2s电子被激发跃迁到 2p轨道上形成具有成键能力的四个价电 子1s 2 2s2p x 2p y 2p z 四个不成对电子，成键能力高。使碳 原子的杂化有三种价态：sp 3 sp 2 sp 2s

11、 2 2p 2 2s2p x 2p y 2p z 杂化 1、碳原子及其结合方式 SP 3（正四面体） 、SP 2（正三角型） 、SP（直线型）碳 碳 的 的 四 四 种 种 同 同 素 素 异 异 形 形 体 体碳 原子杂化态 键型 晶系 密度 晶格参数 金刚石 SP3 4 立方 3.51 A03.5667A 石墨 SP2 31 六方 菱面 2.265 2.29 A2.4612c6.7080 A2.4612c10.062 咔宾 SP 22 六方() 六方() 2.68 3.13 A8.72c15.36 A8.27c7.68 富勒烯 C60 变形SP2 31 立方 1.678 A10.02c16

12、36 四种结晶碳的晶格参数 四种结晶碳的晶格参数2、有机化合物的成炭途径 气相炭化 液相炭化 固相炭化 多相炭化七、气相炭化 1 概述 定义：考察一切气态原料转化成固体碳的过程，即挥发先 于热解的化合物、碳原子数在20个以下的链烷烃、烯烃或 芳烃化合物，通常具有200以下的沸点，在通常情况下 于气相中进行炭化。 主要包括： 1）气态烃高温下在惰性固体表面的沉炭反应； 2）烃类在无氧和有氧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。 1）链烷烃 C n H 2n+2 C n H 2n + H 2 C n H 2n+2 C n-x H 2n-2x+2 + C x H 2x 2）烯烃 在中温压力（ 2000加压锻烧（20MPa）而 成，具高定向性，类似于石墨单晶，室温热 导率是铜的5倍。 4 4 、热解炭的类型 、热解炭的类型HTEM image of lattice fringe in a smooth laminar pyrocarbon2）低温热解炭（Low temperature pyrocarbons） 气体在1000左右热解通过CVD、CVI （Chemical vapor infiltration）方法 沉积固体表面或浸渗固体内部，达到增 加基体材料密度的目的。 主要用来增密纤维预成型体、孔状石墨 和炭颗粒制品。