炭素材料课件第一章概述

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1、炭素材料,冶金学院轻金属及工业电化学研究所 肖 劲 （教授、博导）,炭素材料,联系电话：8876454，13607445178 办公地点：冶金楼314,炭素材料课程简介,课程名称：炭素材料 课程编号：05020082 英文名称：Carbon Material 学时与学分：48学时，3学分 课程简介： （1）炭素材料的概念和基本特性以及炭素材料的主要用途； （2）炭素材料制备的主要原料及其特性； （3）炭石墨材料的制备工艺、主体设备工作原理； （4）特种炭材料。 参考书：有关炭和石墨材料的性能及制备方面的书籍,炭素材料不仅广泛应用于冶金、化工、交通、印刷等行业，而且在航空、电子、海洋、航天、医学

2、等领域也可作为工程和结构材料。,炭素材料的应用领域,导电材料。包括各种电极,炭素材料的应用领域举例,结构材料,炭素材料的应用领域举例,3D Graphite立体石墨支承片设计， 与专有动力垫配合，增强效果,兰博基尼Gallardo,世界顶级跑车兰博基尼，具有独特的碳纤维顶篷 设计和碳纤维引擎盖,耐火材料。在无氧条件下，它可在1000以上， 甚至高达2000的温度下使用,炭素材料的应用领域举例,润滑材料,炭素材料的应用领域举例,吸附剂材料,炭素材料的应用领域举例,污水处理专用活性炭,室内空气净化专用竹活性炭,脱氧气专用活性炭,黄金提取专用活性炭,水族用活性炭生化棉,活性炭口罩,医用炭素材料。在心

3、血管系统中、在修复结缔组织中、在牙科中、在骨伤外科中的应用 。,炭素材料的应用领域举例,用于特殊用途的炭素材料，如航空刹车材料、原子能工业的核石墨以及军工和宇宙航天用批特殊处理的材料等。,炭素材料的应用领域举例,台湾的AT-3战斗机的机体与机翼结构之材料主要是以轻合金结构而成，除了本体用钢、镁合金之外，同时也采用超轻的石墨纤维复合材料制作分机体的部份，使得战机整体的总重量更轻，空中的运动能力与挂弹量也能够更有效的加以提升。,用于特殊用途的炭素材料（举例）。,炭素材料的应用领域举例,据美国防务新闻介绍，KC-767J“先进加油机”是美国波音公司在波音767-200型客机的基础上研制的一款最新加油

4、机。它使用了包括石墨碳纤维、凯夫拉等新型材料，提高了飞机结构强度和寿命，降低了重量。KC-767J采用美空军通用的伸缩套管加油模式和“远距空中加油操作者”系统，具备一次为8架战斗机补充燃料的能力，能为目前所有的西方战斗机进行加油。,用于特殊用途的炭素材料（举例）。,炭素材料的应用领域举例,炭素材料课程学习步骤和内容,第一章,1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念,1）炭素材料学定义： 研究炭素原料和炭素制品的组织结构、 性质、生产工艺和使用能效，以及它们之间 的关系的学科。 2）炭素材料学发展简史： 19世纪：伴随着炭素制品的大规模生产的需要而逐步形

5、成。 20世纪：各种炭素新材料不断涌现，用途越来越广泛，品种越来越多，炭素制品的工业规模也相应扩大，逐渐形成一个独立的工业部门。,原因：导电材料和耐腐蚀的结构材料；炭素材料的特殊性能（首先被选中作为炼铁炉的内衬及电冶炼的导电材料）,1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念,3）炭素材料定义： 就是以碳元素为主体构成的材料。 4）炭素材料的三大常用基础晶型态物质：,（焦煤）炭、炭黑、玻璃炭,1.2 关于碳与炭,自然界分布很广 ，是地球上形成化合物最多的元素,1.2.1 自然界中的碳,自然界中碳的资源以两种类型存在，一种是循环性资源，即由植物和动物所代表的

6、生物和CO2；另一种是循环速度很慢，但数量极大的堆积物，如碳酸盐矿物和有机质堆积物。,原子量为12.01， 原子序数为6， 元素符号为C， 电子分布状态为：1S22S22P2。,在水和大气中主要以CO2、碳酸和碳酸盐的形式存在,碳在自然界中存在的形式,碳在自然界中存在的形式,碳酸盐,煤,碳在自然界中存在的形式,天然石墨矿,天然金刚石矿,碳在自然界中存在的形式,石油 （碳氢化合物）,天然气 （碳氢化合物）,碳在自然界中存在的形式,动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素,碳元素的特点,碳元素的最大特点之一：存在着众多同素异形体。如人们熟悉的金刚石和石墨，前些年发现的卡宾（碳宾、碳烯 ），以C60为

7、代表的富勒烯和碳纳米管等以及最新发现的石墨烯(Graphene)。,石墨稀,富勒稀,碳纳米管,石墨,金刚石,几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。 独特的电子结构原因。碳元素是六号元素，其原子最外层有四个价电子，C原子除了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。,碳元素构成材料的特点,为 什 么 ？,全吸光、绝热和超导炭素材料,热解石墨材料：具有高度的各向异性，它沿层面的导热率与铜相似，

8、垂直于层面的绝热性与陶瓷相似，同时有较强的抗氧化、抗侵蚀、耐磨等性能。可以应用在提炼高纯金属，电子工业及现代科学上的特殊材料。,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，这大约是以前纪录的四分之一。该材料比漆成黑色的雪佛兰Corvette跑车要黑100倍。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。,富勒碳化物是用于电容器、装甲附甲和武器系统中的一种超导材料。,1.2.2 炭的生成过程,自然界中的炭，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经热解反应的生成物。 （热解的概念泛指有机化合物在受热时所发生的分解或分解

9、的重合而生成最终产物的过程 ） 炭素原料的来源非常广泛。（如：煤、石油、植物等） 煤含碳为6090， 木材含碳约50， 石油含碳为8090， 天然石墨含碳近100 石油、煤一般认为是在亿万年以前被埋入地层下的动物和植物，在隔绝空气、受地球热和地层高压等条件下转化的结果。这类物质，仍然为碳氢化合物，但已经有所炭化。而无烟煤可以看作是近乎炭化后期的产物。同理，天然石墨可以认为已完全炭化，并且已经达到了石墨的程度。,含C、H、O、N、S等 有机物的混合体,有机物（不管是气体、液体还是固体）只要在隔绝氧的条件下，在有热的作用下，就可以从烃类化合物中生成炭。 炭化将使碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它

10、元素通过受热分解被排除逸出。表1-l列出了各种有机物炭化生成的炭。,1.2.2 炭的生成过程（续）,1.2.3 炭的存在形式,物质世界是由一百多种元素，以不同形态和不同化合物、混合物或单质组成。 在自然界里，单质碳有三种常见的变体：金刚石、石墨及无定形炭。 三种碳的同素异构体结构和性质,1.2.3 炭的存在形式金刚石,结构：碳原子之间以sp3方式键合，每一个碳原子与相邻的4个碳原子相连，即碳原子的配位数为4。每一个碳原子处于一个四面体的中心，与之相邻的碳原子则处于四面体的是个顶点之上。金刚石有天然和人造两类，从晶体结构看，有四方晶和六方晶之分。,金刚石的外观无色透明，通常因所含杂质元素的不同而

11、呈淡黄色、天兰色、兰色或红色，有强烈的光泽。它的晶体外观十分规整。 金刚石在所有物质中是最硬的，可用于制造钻头等。金刚石的炭原子所有的价电子彼此互相共享完全形成共价键而无自由电子，所以它几乎不导电，导热性能也很差，但他的析光率很高，经琢磨可制成钻石。现在金刚石已能人工制造，但多为0.11毫米的小颗粒级。,人造金刚石的制备,1、千巴：压力单位，1千巴等于987大气压。 2、金属触媒：石墨转化为金刚石的触媒可分为平制触媒和全金触媒两种。 目前所用的单质触媒是元素周期表中第族元素和Mn、Ta、CY合金触媒； NiCY；NiFe；NiMn；Fe一Ai；NiCo；NiCYFe； NiCYMn；Co一Cu

12、Mn等。,1.2.3 炭的存在形式石墨,结构：石墨中的碳原子是成层排列的，同一层内的每一个碳原子用3个电子跟相邻的3个碳原子以共价单键结合，键长都是142皮米（1皮米0.001纳米）。这些碳原子排列成平面的六角网状结构，很多碳原子组成相互平行的平面，使整个晶体构成片层结构，不同层之间的距离是335皮米。层和层之间相邻碳原子以范德华力相连。因此石墨片层之间容易滑动，石墨晶体容易裂成鳞状薄片。碳原子中的第四个电子形成比较复杂的键，所以，石墨能导电、导热。,1.2.3 炭的存在形式无定型炭（煤炭和焦炭）,煤炭是泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤等的统称。 煤炭是几百万年以前的古代植物在地壳变动时被埋在地下，受

13、到一定的温度压力炭化而形成的。 各种煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，无烟煤炭化程度较高。,焦炭是烟煤(炼焦煤)或某些含炭量高的物质(如石油、沥青或渣油、煤沥青等) 在高温下，基本隔绝空气加热使之焦化的产物。,煤炭和焦炭的性质差别,焦炭具有一些和一般煤炭不同的理化性质，如强度大、耐磨、含炭量高，多数焦炭在2000以上高温处理后都能转化为石墨。 各种不同品种的煤炭(或焦炭)其理化性质相差很大，这种差别与各种煤炭(或焦炭)的初始原料的种类炭化过程或热处理温度及杂物含量有直接关系。炭化程度越低(或热处理温度越低)或杂质含量越高，则煤炭(或焦炭)的导电性、导热性、化学稳定性就差。测定煤炭(或

14、焦炭)中元素炭的含量及挥发物的含量可以间接了解各种煤炭(或焦炭)的炭化程度(或热处理温度)。 煤炭和焦炭的主要成份是元素碳。实际上它们是由碳、氢、氧三种元素为主体，并以芳香烃缩合环为基本单元所构成的一种非常复杂的高分子有机化合物。煤炭中氧与氢元素的含量与炭化程度成反比。炭化程度越高，则氧与氢的含量越少，煤炭中的其它元素含量比氧与氢还要少得多。,无烟煤、石油焦、沥青焦和冶金焦，是生产各种炭制品主要原料，特别是石油焦和沥青焦是生产人造石墨的主要原料，用石油焦和沥青焦为原料生产的人造石墨，其质量比用天然石墨生产的要好得多。,几种主要煤炭和焦炭的元素组成,注：上述组成为不包括灰分杂质的元素组成。,1.

15、3 炭素（原）材料的物理化学性质 （自学）,1.3.1 炭素（原）材料的物理性质,1）真比重与假比重 炭素原料的多孔性决定了炭和石墨材料属于多孔物质。衡量多孔物质的密度有两种测定方法：真比重与假比重（两者的物理含义是不同的）。 (1)真比重（du ） 真比重是不包括孔度在内的单位体积材料的重量，单位是g/cm3。 测定各种炭和石墨材料真比重有两种方法。 方法1：通常的测定方法是将试样破碎到0.5mm以下，用磁铁吸去试样中的铁 屑，在103105的干燥箱中烘干到恒量，然后再称量；放入比重瓶中，用酒 精或蒸馏水浸润（用酒精或蒸馏水去填充试样的微孔）后，用比较称量法求。 方法2：X射线衍射法，先测出

16、试样的晶格常数a和C的尺寸（埃），（理想石墨的a=2.4012A C=6.078A）然后再用一定的计算公式求得真比重。,真比重不能表示材料或制品的宏观组织结构，测定真比重的目的主要是为了 了解原料或制品热处理程度。如原料的煅烧程度，制品的焙烧程度等。对于 各种石墨制品来说，也可用真比重来间接表示石墨晶格结构的完善程度等 （与理想石墨比较）。,(2)假比重（dk） 假比重是包括气孔率在内的单位体积材料的重量，单位是g/cm3。假比重可以表示材料或制品的宏观组织结构的密度程度，制品的气孔率越大，假比重越低，则宏观组织越疏松。 假比重测定方法：将成品或半成品加工成一定尺寸的试样（立方体或圆柱体）然后称量，求出单位体积的重量。假比重用dk表示。 假比重可按下式求得： 假比重=试样重量（g）/试样体积（cm3） 假比重是碳和石墨制品的一项重要指标， 这是因为假比重的大小在一定程度上影 响制品