复复 习习 （一）（一） 提提 纲纲 第一章 炭材料的多样性及发展史（2学时） 基本结晶形式-金刚石、石墨、富勒烯、咔宾 碳的结构 碳的特性 第二章 碳化工学（6学时） 气相碳化 液相碳化 固相碳化 第三章 高性能炭纤维及其复合材料（6学时） PAN、沥青基、粘胶基碳纤维 炭纤维增强复合材料 第四章 活性炭材料（2学时） 课程内容课程内容 第五章 储能炭材料(6学时) 锂离子二次电池电极材料 燃料电池用炭材料 超级电容器电极材料 第六章 功能性碳材料（4学时） 导热导电碳材料 电磁屏蔽、雷达隐身碳材料 第七章 纳米碳材料（2学时） 机动：2学时 第一章第一章绪绪 论论 炭材料的多样性及发展史 1. 碳的分类碳的分类 （（1）从分子结构分）从分子结构分 石墨（包括人造的类石墨结构炭） 金刚石(天然金刚石、人造金刚石） 炔碳 富勒烯球和纳米炭 （（2）从用途上分）从用途上分 结构碳材料 以力学性能为主要特点的场合，其构件主要用 于承受力的作用 PAN碳纤维、中间相沥青基碳纤维 功能碳材料 以导电、导热、高温隔热、吸附、耐高温、耐 摩擦、高强刀具等主要发挥力学性能以外的功能 的场合。
（1）导电：石墨电极、导电炭黑、碳纤维地暖线 （2）导热：泡沫碳、导热碳纤维 （3）隔热：碳毡、泡沫碳 （4）吸附：活性炭、活性碳纤维 （5）耐高温：火箭喉衬 （6）摩擦材料：刹车片 （7）润滑材料：石墨 （8）刀具：金刚石刀具 木 炭 焦炭 石墨 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 1907 年 活 性 炭 用 于 环 境 20世纪 40-50 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 20世纪 80年代 2. 2. 碳的应用领域及发展碳的应用领域及发展 3.炭材料的结构与性质 （（1 1）碳原子及其杂化轨道）碳原子及其杂化轨道 SP3（正四面体）、SP2（正三角型）、SP（直线型） （（2 2）碳的同素异形体）碳的同素异形体 金刚石（金刚石（diamond）） SP3杂化轨道，四个等同共价键，具饱和性和方 向性 面心立方晶体 特征： 硬而脆； 碳中密度最大（3.52g/cm3）； 1800以上转换为石墨； 电绝缘体和热良导体； 金刚石的工业生产方法 高温静压法 CVD 高温高压的平衡稳定结构； 晶胞体积V=a0.sin60.a0.c0 =0.03519(nm)3 理论密度D=碳原子质量x 晶胞 内碳原子数/ 晶胞体积 =12.011x1.66x10- 24x4/35.19x10-24 =2.266g/cm A、六方晶系（Hexagonal unit ,2H） 石墨（石墨（graphitegraphite）） 型石墨,ABCABC..序 列； 六方晶胞和菱面晶胞； 良好结晶的石墨中， 3R成分约占17%，研 磨后可增加到22%； 热处理到2000，可 恢复到ABAB序列。
B、菱形晶系（Rhombohedral ） 石墨的特性 SP2杂化轨道，2S2Px2Py三个在同一平面内互为120 角的三个等价的键，剩余的2Pz轨道与键所在的平面 垂直形成键； 电子属非定域电子，在受到外电磁场作用时可在六元 环网上自由运动，类似金属键结构；键较弱，易发生 断裂； 特性：1）不熔融和极高的化学稳定性，a面内抗拉强度 极高； 2）导电导热性好；黑色； 3）解离性和自润滑性，易形成层间化合物； 4）各向异性 1968年于石墨片麻岩中发现，其后人工合成 少许； SP杂化轨道，2 个键，2个键； 两种类型： 累积烯烃=C=C=C= 聚炔-CC-CC- 线状，单元链长10-12C原子，六方晶体； 树脂状组织，白色，白碳 咔宾（咔宾（carbynecarbyne）） 咔宾的性质咔宾的性质 具有半导体及超导体性质；具有半导体及超导体性质； 生物相容性好；生物相容性好； 由由 累积烯烃出发易于累积烯烃出发易于转化为金转化为金 刚石 富勒烯（fullerene） 1985年发现的新碳相；当SP2杂化轨道形成的六圆环 在一起形成某些五圆环时，它就不再呈平面状而是呈 现球状笼形结构； C60 20个六元环、12个五元环，当六元环增加时， 则可形成更大的球形分子；最大到C960。
GraphiteCrystalline C60 Diamond In-plane (a)c-axes StructureHexagonal 2HCubic fccubic Density (g/cm3)2.261.723.52 Bindingenergy (eV/carbon atom) 7.47.47.2 Thermal conductivity(Wm- 1K-1) 300060.42500 Elastic moduli (Gpa) 106036.515.9107.6 Resistivity (cm) 5x10-511x10141x1020 Thermalexpansion (K-1) -1x10-62.9x10-56.1x10-51x10-6 Principal physical properties of the 3 main carbon allotropes A：石墨催化转化为金刚 石的区域 B：石墨自发快速转化为 金刚石的区域 C：金刚石自发快速转化 为石墨的区域 D：石墨自发缓慢转化为 金刚石的区域 T1: 4100K P1: 12GPa T2: 402050K P2: 12.25 1.47MPa 3. 碳的转化碳的转化 3. 碳纤维及制品 第二章 碳化工学 概概述述 碳化碳化有机化合物向碳结构转变的过程有机化合物向碳结构转变的过程 气相碳化：炭黑气相碳化：炭黑 液相碳化：炼焦液相碳化：炼焦 固相碳化：碳纤维固相碳化：碳纤维 第一部分第一部分 液相碳化液相碳化 一、有机化合物的热裂解与缩聚一、有机化合物的热裂解与缩聚 1. 脂肪烃的裂解脂肪烃的裂解 C-H断键能 Kcal/mol CCCCCCCCCCCC 93.6 88.8 86.9 86.1 85.8 85.7 85.7 85.8 86.1 86.9 88.8 93.6 C-C断键能 Kcal/mol CCCCCCCC 80 77 75 74 75 77 80 -70000 -60000 -50000 -40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 050100150 F/CalF/Cal 碳原子数碳原子数n 100C 300C 500C 700C 3. 烯烃的芳构化烯烃的芳构化 CH2CH(CH2)CH3 TF o 62319200.+ + = = CH2CHCHCH2 CH2=CH2+ 2 -2H -2H 4. 芳烃裂解芳烃裂解 与缩聚与缩聚 二、稠环芳烃的结构性质二、稠环芳烃的结构性质 丁蒽 戊蒽己蒽 丁菲戊菲己菲庚菲 三、从有机物到碳的中间产物三、从有机物到碳的中间产物沥青沥青 （一） 石油沥青 石油沥青的元素组成及相对分子量 原油石油沥青 氢核磁振动谱 1. 沥青的分子结构分析沥青的分子结构分析 石油沥青的化学结构推测石油沥青的化学结构推测 样品号 根据核磁共振谱推测的石油沥青结构 后续 后续 根据核磁共振谱推测的石油沥青结构 Ra: 芳环 Rn：饱和环烃 （二）煤沥青 煤煤 焦炭焦炭 煤焦油煤焦油 煤气煤气 1. 煤沥青的生成煤沥青的生成 2. 煤沥青的族组成分析煤沥青的族组成分析 3. 煤沥青的分子结构模型 三、中间相的生成三、中间相的生成 （一）中间相生成的一般过程（一）中间相生成的一般过程 中间相的形成与发展过程 （二）中间相的结构及影响因素（二）中间相的结构及影响因素 （三）合成中间相 （四）中间相理论的应用 1. 针状焦 针状焦的结构性质参数 2. 中间相炭微球（MCMB） 用途：锂离子二次电池电极材料 粒径：5100um 第二部分第二部分 气相碳化气相碳化 第一节第一节 碳碳 黑黑 二、二、 碳黑的分类碳黑的分类 1. 按生产方法分按生产方法分 （（1）接触法：）接触法：槽黑：天然气，焦炉气等，槽黑：天然气，焦炉气等， 特点：粒度细，几纳米到几十纳米特点：粒度细，几纳米到几十纳米 表面官能团多，分散好表面官能团多，分散好 适合做燃料碳黑适合做燃料碳黑 （（2）非接触法：）非接触法： 炉法碳黑：气液态烃类炉法碳黑：气液态烃类 特点：特点：中等粒度，耐磨性好，做填料中等粒度，耐磨性好，做填料 裂解碳黑：天然气、乙炔裂解碳黑：天然气、乙炔 纯度高，导电性好，做导电碳黑纯度高，导电性好，做导电碳黑 2. 按用途分按用途分 （（1）橡胶碳黑）橡胶碳黑 （（2）色素碳黑）色素碳黑 （（3）导电碳黑）导电碳黑 四、四、 碳黑的结构碳黑的结构 碳黑的结构碳黑的结构典型的乱层石墨结构典型的乱层石墨结构 粒径与比表面积粒径与比表面积 第二节第二节 气相生长碳纤维（气相生长碳纤维（VGCFVGCF）） 二二、、制备方法制备方法 要素：金属催化剂（要素：金属催化剂（Fe、、Co、、Ni）） 气态碳源（甲烷、苯）气态碳源（甲烷、苯） 高温：高温：6001400摄氏度摄氏度 方法：方法：1. 基板法基板法 2. 流动法流动法 三、三、VGCF原理原理 与炭黑高温裂解相区别的催化剂的加入，因此 VGCF的生长机理与催化剂密不可分。
四、四、VGCF的性质的性质 第三节第三节 富勒烯与纳米碳管富勒烯与纳米碳管 一一. 富勒烯的合成方法富勒烯的合成方法 （（1）） 电弧放电法电弧放电法 1990年, Kraschmer和Huffman等人 （（2）） 苯火焰燃烧法苯火焰燃烧法 1991年7月,麻省理工学院教授Jack Howard及其 实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富勒烯 （（3）高频加热蒸发石墨法）高频加热蒸发石墨法 1992年，Peter和Jansen等人, 2700，150KPa ,氮 气氛中合成了富勒烯球 二二. C60的物理化学性质的物理化学性质 （1）物理性质物理性质 黑色粉末，密度1.65g/cm30.05g/cm3，熔点700，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪烃 中溶解度随溶剂碳原子数的增加而增大能在不裂解情况下升华生成热为Hf (C)=2280KJ/mol，电离势为2.61ev0.02ev，电子亲合势2.6ev2.8ev，可压缩率为 7.010-12cm3/dyn，抗冲击能力强具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适当的 金属掺杂后的C60表现出良好的导电性和超导性 （2）化学性质化学性质 芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。
多种C60衍生物，其中金属包含于 C60笼内部：MC60；金属和C60在球外表起反应：MC60 C60和金属的反应和金属的反应 C60的氧化还原反应的氧化还原反应 C60与自由基反应与自由基反应 C60的加成反应的加成反应 C60聚合反应聚合反应 三、三、 碳纳米管的制备及应用碳纳米管的制备及应用 （一）制备方法（一）制备方法 1. （（1）电弧放电法）电弧放电法 （（2）激光蒸发（烧蚀）法）激光蒸发（烧蚀）法 （（3）等离子体法）等离子体法 2. （（1）催化裂解法）催化裂解法(复合电极电弧催化法、碳氢化合复合电。