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碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
双电层电容器的应用
汽车启动辅助
复印机 存储器的备用电源
风力发电机蓄能器
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碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
汽车中的碳
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碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维及碳纤维增强材料
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碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维的性能：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 润滑和生物相容性好。 碳纤维的结构：是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的 物质，是由sp2碳组成的六角形网面层状堆积物，各平 行层堆积不规则，缺乏三维有序排列，呈乱层结构。
• 石墨对也慢是化良好材的料反的射基材本料要求
中子散射截面大 • 核–– 石核耐纯辐墨吸 质照与损收量常伤截数规。面低工小程用石墨的主要区别
单位体积内的原子密度高
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• 碳的基础知识 • 碳材料的发展和应用 • 碳纳米材料简介
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碳材料的发展历史
史前时期: 木炭
阶段 年份
碳材料的发展
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碳单质的性质
• 金刚石的热容量比 较小，热导率很高
• 石墨晶体 各向异性
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碳单质的性质
碳的磁学性质
只有当固体内包含有具 有固有磁矩的电子结构 时才会引起顺磁化。具 有饱和电子结构的固 体，没有固有磁矩，是 抗磁性的
• 杂质和缺陷一般具有未配对的 电子，它们的自旋会贡献一定 的顺磁性。因而，容易表现为 顺磁性。
双电层电容器
a) 充电
b)放电
多孔电极 孔
电解液
双电层
a) Charge
多po孔ro电us 极carbon
+
电解液 -
-
- e-
- -- - + - +
孔
+ -popProere -
+
+-
+
+-
+
+
+ e-
-
+
b) Discharge b) キャパシタの充電
-
+ e-
Cell voltage / V Cell voltage / V
轨道重叠成键的方式:
Sigma “头碰头” Pi “肩并肩”
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碳的电子结构
• 金刚石中所有的键均为 Sigma键
• 石墨中除了Sigma键 之外，还有一个离域 大Pi
• 共有电子 导电性
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碳的电子结构
碳原子的杂化轨道及其键合状况
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碳的单质
sp3家族（金刚石家族）
金刚石 立方金刚石 六方金刚石
Pyrocarbon
Artifical graphite
Carbon black
不同年代开发出的炭材料品种
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a) 天然钻石
b) 天然石墨
c) 玻璃碳
100 μm
d) 炭墨
300 nm
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e) 富勒烯
a) C60
b) C70
f) 碳纳米管
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碳材料应用简介
• 活性碳和多孔碳 • 碳纤维及碳纤维增强材料 • 石墨，膨胀石墨和柔性石墨 • 石墨层间化合物 • 人造石墨和高密度各向同性石墨 • 金刚石和类金刚石 • 玻璃碳
第二讲 碳的基础知识及 碳材料简介
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• 碳的基础知识 • 碳材料的发展和应用 • 碳纳米材料简介
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碳的基础知识
碳元素的广泛性、多样性和特异性
“碳、氮循环”热核反应中的元素 地球上一切生物有机体的骨架元素
人类的日常生活 航空、航天以及高技术
最硬－最软 绝缘－半导体－良导体 绝热－良导热 全吸光－全透光
固体中格波的非谐作用，使得原子在振动时引起一定的相互斥 力，从而引起热膨胀现象
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碳单质的性质
• 热导率
单位时间内通过单位截面传输的热能与温度梯度的比
固体中的热导率主要由声子的平均自由程决定 声子的平均自由程取决于两个因素：声子之间的相互碰撞，固体 中缺陷对声子的散射 低温下的固体具有高的热导率，因为参与热传导过程的声子数急 剧减少，自由程增大
• A380-800复合材料的用量高达30-35吨，主要是碳纤维复 合材料，包括中翼盒、机头和驾驶舱等。
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碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维增强混凝土
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Consumption of carbon fibers / ton/year
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
Industries Aircrafts Sporting goods
类金刚石
立方金刚石 类金刚石
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碳的单质
sp2家族（石墨家族）
石墨
六方晶系石墨 菱形石墨
大量介于晶体和无 定型组织结构之间 的石墨
碳纳米管 单壁 、 多壁
石墨烯
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碳的单质
sp 家族 (线形碳，卡宾)
聚炔（ Polyyne-type） 累积双键（Cumulene-type）
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碳的单质
碳的同素异形体
柔性石墨
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碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
发动机中使用的石墨片 耐热，稳定，密封
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碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
重油吸附
比表面积10-102m2/g，气相吸附能力不如活性炭，液 相吸附很强，非极性表面，亲油疏水，对油品超大 吸附/吸着能力
• 拉曼光谱
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碳单质的性质
碳的表面特征 润湿性
表面原子之间的 结合力越强，表 面张力越大
• 金刚石和石墨层表面具有极大的表面张力，多数液体的表 面张力比较小，相似相润，因而对多数液体的润湿性较差
• 石墨的C轴方向的表面张力则非常小，石墨C轴方向一般 具有良好的润湿性。
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碳单质的性质
吸附性能
物理吸附 在高温低压下脱附，可逆 化学吸附 发生化学作用，不可逆
Year 61
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
石墨片，柔性石墨和膨胀石墨
薄膜开关
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碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
制备工艺
天然鳞片 插层
水洗
石墨
H2SO4 H2SO4-GIC
烘干
可膨胀石墨
高温
压轧
膨胀石墨
快速
柔性石墨
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碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
膨胀石墨
(b)
纳米碳材料 (Nano carbons)
富勒烯(Fullerenes) 碳纳米管(Carbon nanotubes) 纳米金刚石(Nanodiamond) 石墨烯(Graphene)
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碳的电子结构
碳元素的特点
原子系数为6
第二周期的 IV族
2S2和2P2 轨道电子杂化
spn杂化 ｎ=1、2、3
单键 双键 三键
基态：1s22s22px2py
外层4个电子 半充满 ->稳定状态
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碳的电子结构
碳的电子轨道
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碳的电子结构
SP3轨道杂化
3个P轨道和1个S轨道 金刚石正四面体空间杂化方式
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碳的电子结构
SP2轨道杂化
2个P轨道和1个S轨道
石墨 平面空间杂化方式
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碳的电子结构
Sigma键与Pi键
4
2
0
1950 1950 1960 1960 1960 1970 1970 1980 1980 1990
Carbon Alloy
Carbon Nanotube
Fullerenes
Diamond film
Mesocarbon Microbeads Glassy carbon
Activated carbon fiber Carbon fiber
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碳单质的性质
• 石墨：最软的材料之一
各向异性，a轴和c轴力学 性能差异大。
石墨a轴方向为共价键，c轴方向 为结合力非常弱的分子力，因而 石墨的力学性能在a轴和c轴方向 有明显的区别
大多数碳材料以石墨微晶 为主组成，因而在宏观上 表现为各向同性
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碳单质的性质
• 金刚石及类金刚石具有优良的耐摩擦磨损性能
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碳的单质
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碳的单质
纳米结构(nanotexture)
片层石墨 HOPG
碳纤维 碳纳米管
碳黑 富勒烯
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碳的单质
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碳的单质
相互转化
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碳的单质
炭的相图
相图，也称相态图、 相平衡状态图，是 用来表示相平衡系 统的组成与一些参 数（如温度、压力） 之间关系的一种图。 它在物理化学、矿 物学和材料科学中 具有很重要的地位。
波动方程
解为布洛赫函数
方程解的结果为电子只能存在于不同的能带区域，从内到 外分别称为第一、第二、第三布里渊区。 可以笼统地将能带分为价带和导带，之间为禁带。 禁带宽度不大于0eV时，为导体；大于0时，为半导体或绝缘体。
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碳单质的性质
• 金刚石禁带宽度达 5.47eV，具有极强的绝缘能力 • 掺杂 半导体 • 石墨能隙，最窄为40meV，导体 • 各向异性
• 载流子运动也会产生顺磁性
• 金刚石和石墨都是饱和电子结构，结晶完美时都是抗磁的 • 石墨中杂质和缺陷，导体->顺磁 • 金刚石不易掺杂，绝缘->抗磁
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碳单质的性质
碳的光学性质
• 金刚石 高的折射率（可见 光区域n=2.42），低的吸收 系数，在红外和紫外光的大 部分都具有极好的透过性能