碳材料基礎講述課件

1、碳材料基礎講述碳材料基礎講述2022/9/92碳的存在方式及生成碳的結構碳的性質 主要內容 碳材料基礎2022/9/64碳的存在方式及生成 主要內容 碳材料2022/9/932022/9/652022/9/942022/9/662022/9/952022/9/672022/9/962022/9/682022/9/972022/9/692022/9/98一、碳的存在及生成 碳元素在整個宇宙中的豐度列第6位。 碳元素地球上豐度第14位，90以CaCO3存在。 地球上天然碳單質存在于金剛石、石墨、無煙煤中，碳質優(yōu)的少，多數(shù)的碳制品為人工合成。 碳纖維、石墨、金剛石、富勒烯、納米碳管、焦炭、炭黑、活性

2、碳等。 新型碳材料 2022/9/610一、碳的存在及生成 新型碳材料 2022/9/99一、碳的存在1、煤炭 形成：煤炭是遠古植物殘骸沒入水中經過生物化學作用，然后被地層覆蓋并經過物理化學與化學作用而形成的有機生物巖。 按照含碳量的高低，可分為泥煤、褐煤及無煙煤。 分布：全世界標準煤可開采量5萬億噸 ，七位儲量最大的國家依次為美國、中國、澳大利亞、印度、德國、南非和波蘭 中國煤炭資源分布面廣，除上海市外，全國各個省、市、自治區(qū)都有不同數(shù)量的煤炭資源。山西、陜西、河南、東北，四川也有煤炭資源。 2022/9/611一、碳的存在1、煤炭2022/9/910一、碳的存在1、煤炭 應用： 直接做燃料

3、 火力發(fā)電 干餾 焦化廠 氣化 液化2022/9/612一、碳的存在1、煤炭2022/9/911一、碳的存在1、煤炭 應用：直接做燃料 火力發(fā)電 2022/9/613一、碳的存在1、煤炭2022/9/912一、碳的存在1、煤炭 應用：干餾 是煤化工的重要過程之一，指煤在隔絕空氣條件下加熱、分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤氣等產物的過程。按加熱終溫的不同,可分為三種：9001100為高溫干餾，即焦化；700900為中溫干餾；500600為低溫干餾。 2022/9/614一、碳的存在1、煤炭2022/9/913一、碳的存在1、煤炭 應用：干餾 2022/9/615一、碳的存在1、煤炭20

4、22/9/914一、碳的存在1、煤炭 應用：氣化 煤的氣化過程是一個熱化學過程，它是指在煤氣發(fā)生爐內，以煤或焦炭為原料，以氧氣(空氣、富氧獲純氧)、水蒸氣或氫氣等作氣化劑，在高溫條件下通過化學反應將煤或焦炭中的可燃部分轉化為氣體燃料的過程。氣化時所得的可燃氣體稱為氣化煤氣，其有效成分主要包括一氧化碳、氫氣及甲烷等。2022/9/616一、碳的存在1、煤炭2022/9/915一、碳的存在1、煤炭 應用：液化 煤的液化是把煤轉化成液體燃料的過程。把煤與適當?shù)娜軇┗旌虾?，在高溫、高壓下（有時還使用催化劑），使煤與氫氣作用生成液體燃料。這是把煤直接液化的一種方法。煤還可以進行間接液化。就是先把煤氣化成

5、一氧化碳和氫氣，然后再經過催化合成，得到液體燃料。例如，煤氣化后得到的一氧化碳和氫氣，可以用來合成甲醇。甲醇可以直接用作液體燃料。將甲醇摻到汽油中可以代替一部分汽油，作為內燃機的燃料。甲醇還可以進一步加工成高級汽油。 2022/9/617一、碳的存在1、煤炭2022/9/916一、碳的存在1、煤炭 應用：液化 2004年9月13日，在內蒙伊金霍洛旗建設的神華煤直接液化項目2022/9/618一、碳的存在1、煤炭2004年9月13日2022/9/917一、碳的存在2、焦炭 生產電石產生的礦渣（最初定義） 含碳物質高溫裂解后產生的礦渣（廣義的定義）硬 炭（原料為含異質元素的纖維素）軟 炭（原料為有

6、機芳香化合物或亞穩(wěn)態(tài)瀝青）按原料分 2022/9/619一、碳的存在2、焦炭硬 炭（原料為含異質2022/9/918一、碳的存在2、焦炭 焦炭通常按用途分為冶金焦（包括高爐焦、鑄造焦和鐵合金焦等）、氣化焦和電石用焦等。 按用途分2022/9/620一、碳的存在2、焦炭焦炭通常按用途分為冶2022/9/919一、碳的存在2、焦炭 冶金氣化電石人造石墨 用途2022/9/621一、碳的存在2、焦炭冶金用途2022/9/920一、碳的存在2、焦炭 冶金用途2022/9/622一、碳的存在2、焦炭冶金用途2022/9/921一、碳的存在2、焦炭 人造石墨 用途 2022/9/623一、碳的存在2、焦炭

7、人造石墨 用途 碳材料基礎講述2022/9/9232022/9/625碳材料基礎講述碳材料基礎講述碳材料基礎講述2022/9/927一、碳的存在3、炭黑 據(jù)記載,中國是世界上最早生產炭黑的國家之一。在古時候,人們焚燒動植物油、松樹枝,收集火煙凝成的黑灰,用來調制墨和黑色顏料。這種被稱之為“炱”的黑灰就是最早的炭黑。 1821 年人們在北美地區(qū)首次用天然氣為原料生產炭黑,從此炭黑不再是“炱”那么簡單,它是“氣態(tài)或液態(tài)的碳氫化合物在空氣不足的條件下進行不完全燃燒或熱裂分解所生成的無定形碳,為疏松、質輕而極細的黑色粉末”。2022/9/629一、碳的存在3、炭黑2022/9/928一、碳的存在3、炭

8、黑 最好的黑色顏料、幾乎是最廉價的顏料、 著色力及遮蓋力最強的顏料、視覺感官上呈中性、 最穩(wěn)定的顏料、耐熱、耐化學腐蝕、耐光。 炭黑是僅次于鈦白粉的重要顏料，全世界年消耗橡膠碳黑約六百萬噸，著色和其他用途等特殊碳黑約為二十五萬噸。 2022/9/630一、碳的存在3、炭黑2022/9/929一、碳的存在4、玻璃碳 玻璃碳是在惰性氣氛中，將樹脂、纖維素、纖維膠加熱到1200以上碳化形成的一種新型碳，因其外形像玻璃一樣光亮，故稱玻璃碳(glassy carbon)，簡稱玻碳。玻璃碳具有氣密性和導電性好、熱脹系數(shù)小、質地堅硬和易于拋光成鏡面、化學惰性、具有較高的氫超電位等特點，因此適用于做電化學和電

9、分析用的工作電極材料。玻璃碳一般內部存大量的封閉孔隙。25003000度，可消失。 無法機械加工，其形狀須在加熱固化前確定。2022/9/631一、碳的存在4、玻璃碳5、碳纖維5、碳纖維5、碳纖維5、碳纖維2022/9/931一、碳的存在5、碳纖維 碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強度比鋼的大、密度比鋁的小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導電，具有許多寶貴的電學、熱學和力學性能的新型材料。 氣相生長碳纖維、有機纖維法合成碳纖維2022/9/633一、碳的存在5、碳纖維碳材料基礎講述2022/9/933一、碳的存在6、活性碳 活性炭是一種含碳材料制成的外觀呈黑色，內部孔隙結構

10、發(fā)達，比表面積大、吸附能力強的一類微晶質碳素材料，是一種常用的吸附劑、催化劑或催化劑載體?；钚蕴堪丛蟻碓纯煞譃椋耗举|活性炭、果殼活性炭、獸骨/血活性炭、礦物原料活性炭、合成樹脂活性炭、橡膠/塑料活性炭、再生活性炭等；活性炭按外觀形態(tài)可分為：粉狀、顆粒狀、不規(guī)則顆粒狀、圓柱形、球形和纖維狀等?；钚蕴康膽脴O其廣泛，其用途幾乎涉及所有的國民經濟部門和人們日常生活，如水質凈化、黃金提取、糖液脫色、藥品針劑提煉、血液凈化、空氣凈化、人體安全防護等。下一頁2022/9/635一、碳的存在6、活性碳下一頁2022/9/934一、碳的存在2022/9/636一、碳的存在2022/9/9352022/9/6

11、372022/9/936一、碳的存在7、金剛石和類金剛石金剛石用途：1：當人服食下金剛石粉末后，金剛石粉末會粘在胃壁上，在長期的摩擦中，會讓人得胃潰瘍，不及時治療會死于胃出血，是種難以讓人提防的慢性毒劑。2：磨具3: 割具4：飾品2022/9/638一、碳的存在7、金剛石和類金剛石2022/9/937一、碳的存在7、金剛石和類金剛石金剛石性質及鑒別：1、鉆石的單折光性 鉆石的單折光性，是由于鉆石的本質特性決定的。而其它天然寶石或人造寶石大都是雙折光性的。冒充的鉆石在10倍放大鏡觀察下，從正面稍斜的角度看，很容易看出棱角線出現(xiàn)重疊影像，并同時呈現(xiàn)出兩個底光。2、鉆石的吸附性 鉆石對油脂及污垢有一

12、定的親和力，即油污很容易被鉆石吸附。因此，用手指撫摸鉆石會感到膠粘性，手指似乎有粘糊的感覺。這是任何寶石所沒有的。這種方法需要加以訓練方能掌握其中微妙的區(qū)別。2022/9/639一、碳的存在7、金剛石和類金剛石2022/9/938一、碳的存在7、金剛石和類金剛石金剛石性質及鑒別：3、一線直落的特征 鉆石表面拋光很光滑。用一支鋼筆蘸上墨水在鉆石上劃過，若是真鉆石，表面留下的是一條光滑連續(xù)的線條，特征是一線直落。仿冒品留下的是一個個小圓點組成的線條。用此法觀察應借助放大鏡。4、特有的金剛光澤 大致在100度的白熾燈光下，切磨很好的鉆石與仿冒品相互比較，很容易看出哪個具有金剛光澤。此方法不宜在過暗或

13、過強的燈光下是進行。 2022/9/640一、碳的存在7、金剛石和類金剛石類金剛石： 類金剛石(diamondlikecarbon，簡稱為DIC)薄膜是一種含有一定量金剛石鍵(sp3)的非晶碳的亞穩(wěn)類型的薄膜，它是一類性質近似于金剛石，具有高硬度.高電阻率.良好光學性能等，同時又具有自身獨特摩擦學特性的非晶碳薄膜。 制備：物理氣相沉積、化學氣相沉積以及液相法都是制備DLC 薄膜的新方法和新技術。2022/9/939類金剛石： 類金剛石(diamondli2022/9/9402022/9/642碳材料基礎講述2022/9/942一、碳的存在8、富勒烯和納米碳管 富勒烯（Fullerene) 是一

14、種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結構存在的物質，都可以被叫做富勒烯。富勒烯與石墨結構類似，但石墨的結構中只有六元環(huán)，而富勒烯中可能存在五元環(huán)。2022/9/644一、碳的存在8、富勒烯和納米碳管 2022/9/943二、碳的結構2、石墨1、金剛石3、富勒烯和納米碳管4、其他結構2022/9/645二、碳的結構2、石墨1、金剛石3、富勒烯2 碳的結構 碳位于化學元素周期表的第6位，電子軌道結構為1s22s22p2。外層電子2s22p2在不同條件下，會產生不同形式的雜化。最常見的雜化形式是SP1，SP2，SP3。 2 碳的結構 碳位于化學元素周期表的第6位，電子軌道結

15、構為2022/9/912022/9/612022/9/912022/9/612022/9/912022/9/61根據(jù)原子的軌道雜化理論，有了三種同素異構體：金剛石，石墨與卡賓碳，它們的結構見下圖。 2 碳的結構 根據(jù)原子的軌道雜化理論，有了三種同素異構體：金剛石，石墨與卡其它雜化方式還有：富勒烯和納米碳管中碳的雜化方式為sp2+s，s 的值大于0小于1。 2 碳的結構 其它雜化方式還有：富勒烯和納米碳管中碳的雜化方式為sp2+s碳的結構規(guī)則不規(guī)則晶體結構亂層結構金剛石結構石墨結構炔炭結構富勒烯結構易石墨化難石墨化2 碳的結構 碳的結構規(guī)則不規(guī)則晶體結構亂層結構金剛石結構易石墨化2 碳2022/

16、9/9512 碳的結構：金剛石 2022/9/6532 碳的結構：金剛石 例：金剛石晶胞為面心立方晶格參數(shù)如下：N8a=0.357 nm理論密度3.5362g/cm3 鍵長0.1554nm鍵角為10928 2 碳的結構：金剛石 例：金剛石晶胞為面心立方鍵長0.1554nm鍵角為10922022/9/9532022/9/655根據(jù)其結構，可推斷出其具有以下性質： 密度最大，理論密度為3.541g/cm3；硬度最高，莫氏硬度為10；熔點高；折射率高；電絕緣體；結構決定性質2 碳的結構：金剛石 根據(jù)其結構，可推斷出其具有以下性質：結構決定性質2 碳的結2022/9/912022/9/612022/9

17、/912 碳的結構：石墨 2022/9/612 碳的結構：石墨 例：石墨鍵長0.142nm 2 碳的結構：石墨 例：石墨鍵長0.142nm 2 碳的結構：石墨 晶體通?？梢苑譃槠邆€不同的晶系，即等軸（立方）晶系、六角（六方）晶系、四方（正方）晶系、三角（三方、菱方）晶系、斜方（正交）晶系、單斜晶系、三斜晶系。2022/9/91晶體通?？梢苑譃槠邆€不同的晶系，即等軸（立方）晶系、六角（六2022/9/912022/9/612022/9/912022/9/612022/9/912022/9/612022/9/912 碳的結構：石墨 2022/9/612 碳的結構：石墨 2022/9/912022/

18、9/61導不導電取決于有沒有能夠在整個分子中自由運動的電子。石墨的晶體結構是層狀的，包含很多層石墨分子片層。在每個片層中，碳原子呈SP2軌道雜化，與周圍的三個碳原子形成三個互成120角的鍵（電子云沿縱向軸相互重疊），這樣的化學鍵中的電子是“束縛”的，只能在兩個原子核周圍活動。但是碳原子擁有一個S孤電子和3個P孤電子，形成SP2雜化之后，還有一個P軌道沒有參與雜化，P軌道是一個接近于啞鈴型的電子軌道，它垂直于之前SP2雜化軌道構成的平面，而這個P軌道就可以和周圍的碳原子的P軌道形成肩并肩形成鍵。2022/9/91為什么金剛石不導電而石墨導電？導不導電取決于有沒有能夠在整個分子中自由運動的電子。石

19、墨的晶2022/9/912022/9/61 一般而言，鍵的電子也是束縛的，但是由于所有的碳原子都和周圍的碳原子形成了鍵，這些鍵彼此接近，就會出現(xiàn)一個共軛效應，也就是說電子可以不被拘束在一個鍵里面，而是可以在整個互相共軛的電子云系統(tǒng)當中活動（電子的離域），化學上把這種類型的鍵叫做大鍵（鍵），而整個石墨分子平面就構成了一個非常龐大的大鍵系統(tǒng)，其中的電子可以自由穿梭，在電場作用下，電子可以在其中長距離定向移動，宏觀上就表現(xiàn)為電阻很小。2022/9/91 一般而言，鍵的電子也是束縛的，但是由于所有的可以看出每個碳原子的電子軌道呈現(xiàn)出SP3雜化，也就是說碳原子的所有外層孤電子都參與形成了鍵，沒有多余的孤

20、電子來形成鍵，就更遑論大鍵了，所有的電子都被束縛著，沒有自由電子，電阻自然就很大了。2022/9/91鍵長0.1554nm鍵角為10928 可以看出每個碳原子的電子軌道呈現(xiàn)出SP3雜化，也就是說碳原子根據(jù)其結構，可推斷出其具有以下性質： 各向異性；層面間相對易滑動，可生成層間化合物；不熔融性及化學穩(wěn)定性； 導電性結構決定性質2 碳的結構：石墨 根據(jù)其結構，可推斷出其具有以下性質：結構決定性質2 碳的結例：富勒烯和納米碳管2 碳的結構：石墨 例：富勒烯和納米碳管2 碳的結構：石墨 2022/9/970籠狀32面體，五邊形環(huán)為單鍵，鍵長約為0.145nm，兩個六邊形 環(huán)的公共邊則為雙鍵，鍵長為0.

21、138nm，共有30個雙鍵；每個五邊形與6個六邊形共邊，而六邊形則將5個五邊形彼此隔開。2022/9/672籠狀32面體，五邊形環(huán)為單鍵，鍵長約為02022/9/971每個C原子參加形成2個六元環(huán)和1個五元環(huán)，3個西格瑪鍵鍵角之和為348度，平均CCC角度為116度。C原子的雜化軌道介于SP2石墨和SP3金剛石之間，為SP2.28雜化，每個軌道中S成分為30.5%，P成分為69.5%。垂直于球面的派軌道S成分8.5%，P成分91.5%。2022/9/673每個C原子參加形成2個六元環(huán)和1個五元環(huán)2022/9/912022/9/61 線型碳是元素碳的一種新的同素異形體，以sp雜化成鍵為特征，呈線

22、型結構。研究表明，線型碳在高溫低密度的液體碳中存在。1968年，在前西德的Ries火山口的石墨片麻巖中發(fā)現(xiàn)微量的線型碳。后來，又在隕石和宇宙粉塵中發(fā)現(xiàn)這種線型碳分子。前蘇聯(lián)學者將之命名為Carbyne。最初國內介紹這種物質時譯名為卡賓。2022/9/91 線型碳是元素碳的一種新的同素異形體，以sp雜化2022/9/912022/9/61 線型碳有兩種異構體：-型，為三鍵和單鍵交替的共軛三鍵型(-CC-)n；型，為累積雙鍵型(=C=C=)n。后者不穩(wěn)定，加熱時轉化為-型。單晶線型碳薄膜的電子衍射研究表明其結構為六方晶格。由于未合成出足量的結晶線型碳供結構測定，其機構尚無詳細的資料。這是學術界對線

23、型碳尚有爭議的原因之一。2022/9/91 線型碳有兩種異構體：-型，為三鍵和單鍵交替1 碳的結構 例：亂層結構六角平面不完整，近似平行堆砌層間距大于石墨，無宏觀晶體，存在微晶表征方法：XRD1 碳的結構 例：亂層結構六角平面不完整，近似平行堆砌2 碳的結構 亂層結構可石墨化難石墨化比較整齊排列，微晶交叉結晶少，層間空隙少，層間距在0.344nm左右堆砌不規(guī)則，微晶交叉結晶多，層間空隙多，層間距在0.37nm左右，3000也不易轉化無定型炭2 碳的結構 亂層結構可石墨化難石墨化比較整齊排列，堆砌不亂層結構的判定：石墨化度 G理想石墨晶體的G100%，完全不可石墨化的G0,任何一種炭素材料 G(

24、0.344-d002)/(0.344-0.3354)*100%2 碳的結構 亂層結構的判定：石墨化度 G2 碳的結構 石墨的晶體結構可由X-射線衍射法加以測定，可測定出d002（相鄰層面間距），C0（兩個位置相對應的層面間距），Lc(在c軸方向上晶粒的平均厚度)。根據(jù)測定可計算出石墨化度，用其來表示碳材料經熱處理后晶體結構接近理想石墨晶格的程度。 2022/9/979 此公式稱為富蘭克林公式，式中3.44為完全末石墨化的炭的晶格中層面的間距 石墨的晶體結構可由X-射線衍射法加以測定，可測定貝多芬頭發(fā)變成一顆璀璨的藍鉆單質碳的“七十二變” 圖1貝多芬畫像圖2貝多芬頭發(fā)所制藍鉆貝多芬頭發(fā)變成一顆璀

25、璨的藍鉆單質碳的“七十二變” 圖1貝1 碳的結構圖. 有機物轉化成碳及各種同素異性（形）體的單質碳轉化的示意圖。1 碳的結構圖. 有機物轉化成碳及各種同素異性（形）體的碳的物理性質 密度、氣孔結構、氣孔率碳的化學性質 耐腐蝕、抗氧化碳的機械性質 軟、硬、塑性加工碳的熱學性質 熱容、熱膨脹系數(shù)、熱導率碳的電子性質 導體、絕緣體碳的磁學性質 抗磁性、順磁性碳的光學性質 透明、不透明、半透明碳的表面性質 潤濕性、耐摩性碳的核物理性質 中子減速 碳的生物相容性3. 碳的性質碳的物理性質 密度、氣孔結構、氣孔率3. 碳的性質碳的物理性質 密度分為： 真密度-不包括氣孔和裂隙在內的單位容積實體碳的質量.體積密度-包括氣孔和裂隙在內的單位容積碳的質量. 堆積密度-一定粒級的顆粒料的單位體積堆體積的質量3. 碳的性質碳的物理性質 3. 碳的性質碳的物理性質 氣孔結構分為： 開氣孔、閉氣孔、貫通氣孔； 微孔、過渡孔、大孔。 炭素材料的氣孔結構應以多種參數(shù)綜合描述，如氣孔率、孔徑及其分布、比表面積、形狀因子等。氣孔率-試樣中氣孔體積占試樣總體積的百分率. Pt=(V1+V2+V3)/V*100% Pt=(Dt-Dv)/Dt*100