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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划炭材料科学与工程新型碳材料的发展及简介ThedevelopmenttrendofSeveralKindsofNewCarbonMaterialsandIntroduction摘要碳是世界上含量及广的一种元素。碳材料在人类发展史上起着主导的行的作用，应用最为出众的一次就是第二次工业革命。现代对碳材料了的开发及几种新型的碳材料-碳纳米管、碳纤维、C60、碳素系功能材料。关键词碳材料碳纳米管碳纤维AbstractCarbonisanelementcontentandmaterialspla
2、ysadominantroleinthehistoryofhumandevelopment,applicationofthemostoutstandingoneisthesecondindustrialoncarbonmaterialsdevelopmentandseveralkindsofnewcarbonmaterialssuchasC120andcarbonnanotubes,carbonfiberandcarbon-relatedfunctionalmaterials.Keywordscarbonmaterials,carbonnanotubes,carbonfiber1前言碳是世界上
3、含量及广的一种元素。它具有多样的电子轨道特性，再加之SP2的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料。具有各式各样的性质。在历史的发展中传统的碳材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。而随着社会的发展人们不断地对碳元素的研究又发明了许多新型炭材料：金刚石、碳纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、核石墨、储能型碳材料、玻璃碳，等。其中新型纳米碳材料：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯，等。没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此多类结构和性质不同的物质，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质，如最硬-最
4、软、绝缘体-半导体-超导体、绝热-良导热、吸光-全透光，等1。随着时代的变迁和科学的进步，人们不断地发现和利用碳，可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性2。自1989年著名的科学杂志Science设置每年的“明星分子”以来，碳的两种同素异构体“金刚石”和“C60”相继于1990年和1991年连续两年获此殊荣，1996年诺贝尔化学奖又授予发现C60的三位科学家，这些事充分反映了碳元素科学的飞速发展。但是由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳元素和碳材料人有许多不为人们知晓的未开发部分2。2国际上新型炭材料的发展趋势新材料的研究开发包括四方面内容：新材料的创制；移植材料的新功
5、能及新性质的发现；已知材料的改性；新材料创制和评价技术的开发3。近几年人们在新材料的创制方面先后划时代地发明了低温气相生长金刚石、C60和纳米碳管；在材料新发现方面发现了石墨的插层性质，使锂离子充电电池得以实用化和飞速发展；在材料改性方面提高和改进了石墨电极的性能，使之在超高电流下工作，使电炉炼钢技术出现新的突破；在新材料评价技术方面也有许多进展，如超高温超高压技术用于碳素新相的探索等。日、美等发达国家一直对于碳材料的研究十分重视。由于碳材料突出的特性，美国将碳材料定为战略材料之一，充分利用其巨大的国防费用和航天费用，积极进行研究与开发45。日本最近几十年来在国际上率先在低温气相生长金刚石和纳
6、米碳管68等方面取得了突破性进展。为了进一步加强这方面的研究与开发，最近几年日本政府先后实施了三个大型研究项目，即“高功能碳素系材料的研究”项目，重点研究金刚石薄膜等作为电子材料和零磨损、无油润滑材料等；“碳材料中功能性微米和纳米空间的创制”项目；“碳合金的创制”研究项目911。3国内新型炭材料的发展趋势我国碳材料研究与生产起步于解放初期。在前苏联的援助下，首先建设了以生产炼钢用石墨电极为住的吉林碳素厂和以生产电工用碳制品为主的哈尔滨电碳厂。六十年来我国碳素工业从无到有，有了长足的发展。我国碳材料的研究水平从整体上来说落后于美国、前苏联、日本和欧盟等工业国家，但远超于韩国、印度、等国。在某些重
7、要领域我国紧随美，日等发达国家之后，差距并不明显，如C/C复合材料、活性炭纤维、柔性石墨等。我国从事碳材料研究的科研机构主要有中科院金属所、中科院山西煤化所、中科院物理所、湖南大学、清华大学、北京大学、武汉大学、中科大、西工大、武汉钢铁学院、北京化工大学、天津大学、哈工大、航天总公司西安非金属材料工艺研究所、北京材料工艺研究所等。我国有两个与碳材料有关的全国性学术性组织中国电工学会碳石墨材料专业委员会和中国金属学会碳素材料学会。4当前国际几个有关碳素的热点领域目前，国际上有几个热点领域碳纳米管、碳素功能材料、碳纤维、柔性石墨、C/C复合材料和二维石墨烯等。碳纤维的探索与研究碳纤维是含碳量高于9
8、0%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。它比重不到钢的1/4，但强度却非常强。而且其耐蚀性出类拔萃，是新一代增强纤维。碳纤维广泛用于民用、军用、建筑、航天以及超级跑车领域。碳纤维是纤维状的碳材料，由有机纤维原丝在1000以上的高温下碳化形成，且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。碳纤维主要具备一下特性：密度小、质量轻、碳纤维的密度维/cm3
9、，相当钢密度1/4、铝合金密度的1/2；强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍，弹性回复为100%；热膨胀系数小，导热率随温度的升高而下降，耐骤冷、急热、即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂；摩擦系数小，并具有一定的润滑性；导电性好，25时高模量碳纤维的比电阻为775cm，高强度碳纤维则为1500cm；当碳纤维10%时，电阻随碳纤维含量的增加急剧下降；当碳纤维10%时，体积电阻的变化趋于平缓，电阻值的下降与碳纤维含量的增加并不成正比12；耐高温和低温性好，在3000非氧化气氛下不熔化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；耐酸性好，对酸成惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外
10、，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。碳素系功能材料的研究在周期表中有以碳元素为中心的元素如B、N、Si等元素组成的材料，我们可以称之为碳素系材料。科学家们逐渐发现碳素系材料在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性。导电性、表面与界面特性等方面比其他材料优异，具有广泛的用途，如下表所示9：此外碳素系材料还具有丰富的资源，废弃后不污染环境等突出优点，因而受到材料学界的极大重视。例如随着金刚石、SiC等薄膜合碳材料知识前言：碳，一种神奇的元素，它是地球上一切有机体生物的骨架元素，在人体元素成分中含量为18%，占人体比重的%，位置第二大元素。氧占人
11、体元素成分的65%，鲜重第一，若按干重计算，则碳元素占54%，排第一，是构成人体最重要的元素，所以说碳是生命之源。同样炭也是世界上唯一将对立与统一集于一体的材料，它既是最硬又是最软的材料，既是绝缘体又是导电体，既是隔热材料又是导热材料，既是全吸光材料又是全透光材料，它千变万化，独树一帜。神秘莫测的炭，成为科学家永不放弃研究的课题。碳材料结构碳材料原子都是C，但因工艺改变使原子排序发生变化，形成万别千差的分子结构，因此它既是零维结构材料又是多维结构材料，既是晶体结构又是非晶体结构。炭的神奇之处主要体现在可以借助不同的杂化方式，形成不同的物理和化学性质的晶体结构，即“同素异形体”。比如石墨、金刚石
12、都属于晶体结构，但石墨原子结构为六方排列，金刚石却为立方结构，因化学成键方式不同具有截然相反的特性。C60是富勒烯的代表，属于零维结构炭材料，有很好的稳定性，抗辐射和化学腐蚀，耐压程度比金刚石还高。碳纳米管属于一维材料，石墨烯属于二维材料，石墨和金刚石属于三维材料。炭材料结构既具有金属材料的机械性能、导电性、传热性、高强度，又具有无机和有机材料的轻、柔、吸、滑、耐腐蚀、防辐射、解毒、食用等神奇功效。一、碳材料的发展史人类起源木炭为热能的来源人类文明时代用炭作墨汁、染料、防腐、防病铜器时代用炭还原铜十八世纪初用焦炭炼钢1895年用炭做电极、电刷1945年活性炭用于环保1985年生产等静压石墨19
13、86年生产热解石墨、热解炭1988年研究炭纤维、柔性石墨1990年发现C60富勒烯1991年发现碳纳米管XX年发现石墨烯二、碳材料的种类传统碳材料有：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、石墨电刷、炭棒、铅笔等。新型炭材料料：等静压石墨、金钢石、炭纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、核石墨、多孔炭、玻璃炭、储能用炭材料等。纳米炭材料有：富勒烯、炭纳米管、纳米金刚石、碳气凝胶、石墨烯。三、碳材料的应用机械领域：轴承、密封元件、制动元件等；电子工业：半导体、光纤、电极、电波屏蔽、电子元件等；电器工业：电刷、电触点、集电体、真空发热体等；航空航天：结构材料、耐腐蚀部件、耐高温部件、绝热部件
14、等；冶炼领域：耐火材料、电极、发热体、坩埚、模具等；化学工业：化工设备、防腐蚀部件、过滤器、密封件等；核工业：反射材料、屏蔽材料、减速材料等；电池工业：干电池正极、锂电极负极材料、太阳能电池热场材料等；模具行业：电火花加工用电极、金属连铸模具、金刚石烧结模具等；生活领域：活性炭、自行车、汽车、钓鱼杆、球拍、球杆等。五、几种典型炭材料的应用介绍石墨的应用等静压石墨主要由石油焦、沥青焦、石墨粉、沥青等原料经粉碎、筛分、混捏、扎片、磨粉、成型、焙烧、浸渍、石墨化等工序生产而成，从原料到成品需要8个月时间，经3000度高温的石墨化和纯化工序后，杂质全部气化，含炭量达到%。等静压石墨具有良好的各向同性、
15、良好的导电性能和机械加工性能、结构紧密、高强度、高熔点、高稳定性、耐腐蚀、防辐射等特性。目前国内大规格、高品质等静压石墨还依赖进口，国家“十二五”规划也将等静压石墨列为重点攻关的新材料之一。由于等静压石墨的优良物理及化学性能，已广泛应用于国防、核电、航空航天、电子、冶炼、医药、化工、光伏、模具、环保等高科技领域。炭纤维的应用炭纤维的原子结构是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质，是由SP2组成六角形网面层状堆积物，缺乏三维有序排列，呈乱层结构。炭纤维具有高拉伸强度、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、自润滑和生物相溶性好的特点。比如波音787飞机用了8吨左右的炭纤维作为增强材料，降低了飞机重量，同时提高了飞机机壳等部件的强度和使用寿命。
