3 碳纤维
碳纤维是由有机纤维经炭化及石墨化处理而得到 的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨， 是乱层石墨结构。
碳纤维的制备
目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳 纤维和沥青碳纤维。 碳纤维的制造包括纤维纺丝、学 变化，包括脱氢、环化、氧化及脱氧等。
★气相合成法(CVD法)
气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往是附在基体上 的金刚石薄膜。研究表明，含碳气态物质在一定高温分解出的 甲基自由基，甲基自由基相当于金刚石的活性种子。因为金刚 石中的碳处于sp3杂化状态，甲基中的碳也处于sp3杂化状态，甲 基自由基分解后便以金刚石的形式析出。
碳氢化合物
2 石墨及其石墨层间化合物
143pm
石墨
石墨具有层状晶体的结构。在晶体 中， C 原子采用 sp2 杂化轨道成键，彼此 间以 键连接在一起，同时在同一层上 还有一个大键。 同一层的碳 C－ C 键长 143pm，层与 层之间的距离为335pm。 石墨的碳原子层间有较大的空隙， 容易插入电离能小的碱金属和电子亲和 能大的卤素、卤化物及酸等，从而形成 石墨层间化合物(GIC)。
1 金刚石
金刚石主要用于精密机械制造、电子 工业、光学工业、半导体工业及化学工业。 天然金刚石稀少，只限于用作装饰品，因 此人工合成金刚石正在成为碳素材料中的 重要研究开发领域。
金刚石的合成 金刚石合成已有四十多年的历史。已报道的合成方法大致可 分为两类: ★石墨转化法 C(石墨) C(金刚石) △rHm ＝1.828±0.084 kJ· mol－1 △rGm ＝2.796 kJ· mol－1 △rSm ＝－3.25±0.02 kJ· mol－1 常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的，但根据△ rGm ＝△rHm ＋T△rSm 可见，在高温和高压(由疏松到致密)下可能实 现这种转化。其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同。
无机碳化学

碳单质及其衍生物

金刚石 石墨及其石墨层间化合物 碳纤维 富勒烯 线型碳

纳米碳管
无机碳化学
有人预言，21世纪是“超碳时代”。理由是：金刚石的人工合 成、碳纤维的开发应用、石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原 子簇)及线型碳的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单 质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。
4 富勒烯
1985 年，英国 Sussex 大学的 H. W. Kroto 等人用激光作石墨的气化试验发 现了 C60 ，这是一种由 60 个碳原子组成 的稳定原子簇。此后又发现了C50、C70、 C240 乃至 C540 ，它们都是具有空心的球 形结构，属于笼形碳原子簇分子。由 于 C60 的 结 构 类 似 建 筑 师 Buckminster Fuller 设计的圆顶建筑，因而称为富勒 C60 烯 (Fullerend) ，也有布基球、足球烯、 球碳、笼碳等名称。 以 C60 为代表的富勒烯是继金刚石、石墨后发现的第 3 种碳 的同素异形体。在富勒烯中，人们对C60研究得最深入。它独特 的结构和奇异的物理化学性质备受国际科学界的关注，其研究 不仅涉及到化学的各个分支，而且还涉及到生命科学、材料科 学及固体物理等诸多领域。因此，C60是20世纪的重大科学发现 之一。Kroto等人因此而荣获1996年诺贝尔化学奖。
★石墨层间化合物的功能与应用
石墨层间化合物的性质因嵌入物不同、阶数不同而不同，因而 其功能及应用是多方面的，主要可用于: 轻型高导电材料、电极材料、 新型催化剂、固体润滑剂、贮氢及同位素分离材料、防水防油剂等。
电极材料 石墨间隙化合物的电阻比石墨本身还低，在垂直方向降 低了约10倍，沿石墨层水平方向降低了近 100倍。而且间隙化 合物具有与真正的金属一样的电阻，即电阻率随温度升高而 升高。如C8K在90 K时，＝0.768 ·cm－1，在285 K时，＝ 1.02 ·cm－1。 石墨层间化合物适宜作电极。以氟化石墨为正极，锂为负 极的一次电池已工业化。电池反应为: 正极: (CF)n＋ne nC＋nF－ 负极: nLi nLi＋＋ne 总反应: nLi＋(CF)n nLiF＋nC 该电池具有体积小、重量轻、超电势高(3V)、能量密度高、 贮藏性好等特性。
(一) 碳单质及其衍生物
在学术界，一般认为金刚石、石墨、碳笼原子簇、线型碳 是碳的几种同素异形体。 金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键； 石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键； 无定形碳和碳黑都是微晶石墨。 富勒烯(碳笼原子簇)，分子晶体，碳原子间以s0.305p0.695杂化 轨道成键(3条键) ；碳原子上还有1条键(s0.085p0.915); 线型碳，分子晶体，碳原子间以sp杂化成键。 其稳定性为：线型碳＞石墨＞金刚石＞富勒烯。
★石墨层间化合物的结构 离子型石墨层间化合物中碳原子基本保持 石墨的平面层状结构，插入层的层间距增大， 未插入层的层间距无变化。石墨层间化合物按 插入层的分布分为不同的阶数: 一阶化合物每 隔 1 个碳原子层插入 1 层反应物，如 C8K; 二价 为每隔2层插入1层反应物，如C24K; 三阶为每 隔3层插入1层反应物，如C36K…… (下图)，依 此类推。据报道已有阶数为15的层间化合物。 右图示出C8K的晶格和K原子的三角形位置。
聚丙烯腈碳纤维的合成
碳纤维的性质及其应用
碳纤维具有模量高、强度大、密度小、耐高温、抗疲劳、 抗腐蚀、自润滑等优异性能。从航天、航空、航海等高技术产 业到汽车、建筑、轻工等民用工业的各个领域正逐渐得到越来 越广泛的应用。主要用于导电、隔热、过滤等方面。 碳纤维增强复合材料作结构材料 , 可作飞机的尾翼或副翼 , 通信卫星的天线系统和导波管、航天飞机的货舱门、燃料箱、 助推火箭的外壳。在建筑方面，可作碳纤维增强水泥地板，并 有取代钢筋的可能性。 作为非结构材料, 碳纤维复合材料可作密封材料、耐磨材料、 隔热材料、电极材料。 在原子能工程上用碳纤维－石墨复合材料作铀棒的幕墙材 料, 不仅可以防止铀棒的辐射变形, 使其对中子的吸收截面变小, 反射中子能力增强, 而且在光氧条件下能耐3000 ℃以上的高温。 碳纤维复合材料可作优质的化工容器、设备或零部件。 将碳纤维进行活化处理，得到活性碳纤维，是已知的比表 面积最大的物质之一 (2500 m2· g－1)，被称为第3代活性炭，作为 新型吸附剂具有重要的应用前景。 在医学上，碳纤维增强型塑料是一种理想的人工心肺管道 材料，也可作人工关节、假肢、假牙等。
335 pm
245.6pm
669.6 pm
石墨层间化合物
★石墨层间化合物的类型 石墨层间化合物按基质－嵌入物间的化学键分类，可分为 离子型和共价型两大类。 在离子型化合物中，碱金属之类的插入物形成向石墨提供 电子的层间化合物，称为施主型; 插入物为卤素、卤化物时，形 成从石墨得到电子的层间化合物，称为受主型化合物。 由高温直接氟化反应得到的氟化石墨及由 HClO4 等强氧化 剂在100 ℃以下的低温合成的氧化石墨(含O及OH)，基质－嵌入 物间具有共价键，称共价型层间化合物。 ★石墨层间化合物的合成 合成方法主要有直接合成法和电化学法。 直接合成法是使石墨与反应物直接接触反应。 电化学法是将石墨作为阳极，反应物的电解质溶液作电解 液进行电解而制备石墨层间化合物的方法。
富勒烯的结构特点
以C60为代表的富勒烯均是空心球形构型，碳原子分别以五元 环和六元环而构成球状。如C60就是由12个正五边形和20个正六边 形组成的三十二面体，像一个足球。每个五边形均被6个六边形包 围, 而每个六边形 则邻接着3个五 边形和3个六边 形。富勒烯族 分子中的碳原 C28 C32 C50 C60 子数是28、32、 50、60、70 ……240、 540等偶数 系列的“幻 数”。其部 C70 C240 分分子构型 C540 如右图所示。
新型催化剂 如C8K作乙烯、苯乙烯等聚合反应的催化剂 石墨－钾－FeCl3三元层间化合物作H2和N2为原料合成氨的 催化剂，350 ℃下1h转化率可达90 %。
防水防油剂 如氟化石墨的表面自由能和聚四氟乙烯相近或略低，显示 了极强的疏水性。因此，可利用此疏水性预防因水而引起的润 滑和污染附着。在镀镍时，如使Ni和氟化石墨共析，可得防水 性极强的金属表面。 石墨复合磁粉 将铁盐插入石墨层间可制得石墨复合磁粉，其磁性能优于 γ－Fe2O3磁粉，用作磁记录介质，可增大对带基附着力、减小 对磁头的磨损、提高其防潮性能及温度稳定性。
(a)
(b)
在共价型石墨层间化 合物中，嵌入物与基质碳 原子间的化学键是共价键。 一般而言，石墨的层平面 要变形。例如氟化石墨， 其碳原子层是折皱的，折 皱面内各碳原子以 sp3 杂化 轨道与其他 3 个碳原子及 1 个氟原子结合， C － C 键长 与一般 C － C 单键相等，层 间距为 730 pm ，比未插入 层增大一倍多。
C60分子中碳原子彼此以键键合，其杂化轨道类型介于sp2 与sp3之间，被称为sp2.28杂化，平均键角为116°。碳原子上剩 余的轨道相互形成键。相邻两六元环的C－C键长为138.8 pm， 五元环与六元环共用的 C－C键长为143.2 pm。C70 为椭球形， C240及C540与C60的差别更大一些，但都是笼形空心结构。





石墨转化法可分为静态超高压高温法和动态法两种。
静态超高压高温法 用高压设备压缩传压介质产 生3～10 GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将合成腔加 热到l000～2000℃高温。其优点是能较长时间保持稳定的高 温高压条件，易于控制。该法可得到磨料级金刚石，但设备 技术要求高。 动态法 利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。 动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被 冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该 法作用时间短 ( 仅几微秒 ) ，压力及温度不能分别加以控制， 但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金 刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较差。