碳材料科學(xué)課件

炭材料科學(xué)ScienceofCarbonMaterials

1炭材料科學(xué)1研究方向碳納米材料、新能源材料和介孔炭材料研究目標—主要定位于前沿性先進炭材料的研究合成、形成機理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能及應(yīng)用22以石油重油、煤焦油重質(zhì)芳烴、聚合物等為原料

碳納米材料及納米復(fù)合材料

1、碳包覆納米金屬晶的形成及轉(zhuǎn)化

—金屬顆粒和金屬線

2、碳納米洋蔥（實心和空心）

3、納米碳管、石墨烯及其樹脂基復(fù)合材料

4、介孔碳材料（有序，氣凝膠）主要研究方向

新型能源炭材料1、Li+電池負極材料炭材料的設(shè)計

—炭基材料（天然石墨、樹脂炭、碳管、石墨烯等）2、大功率充放動力型鋰電池電極材料

—納米碳/金屬復(fù)合材料3、超級電容器電極材料3以石油重油、煤焦油碳納米材料及納米復(fù)合材料主要研究方向新炭纖維針狀焦炭微球高導(dǎo)熱材料,發(fā)泡炭、高級粘結(jié)劑、浸漬劑、炭納米材料4炭纖維針狀焦炭微球高導(dǎo)熱材料,發(fā)泡炭、高級粘結(jié)劑、浸漬劑、炭HREMimagesofcarbonencapsulatedironnanomaterialsfromYDheatedat480℃inthepresenceofferrocenecontentof

13.0wt.%5HREMimagesofcarbonencapsulHREMimagesofcarbonencapsulatedironnanorodsfromYDheatedat480℃inthepresenceofferrocenecontentof

40.0wt.%20nm

Theironfull-filledcarbonnanorubesLength:150-250nmDiameter:30-40nmCarbonshell:5-8nmHighlydispersed

StraightlyNoentanglednetworkMetalspecieswerecontinuouslyfilledincarbonshells.

6HREMimagesofcarbonencapsulOrderedMesoporousCarbonsfromtheCarbonizationofas-synthesizedSilica/Sucrose/TriblockcopolymerNanocomposites碳的六方有序孔道7OrderedMesoporousCarbonsfro鋰離子二次電池電極材料

鋰離子電池現(xiàn)已廣泛用作諸如移動電話、便攜式電腦、攝像機、照相機等袖珍貴重家用電器的電源，并已在航空、航天、航海、人造衛(wèi)星及軍用通訊設(shè)備領(lǐng)域中逐漸替代傳統(tǒng)的電池。1、發(fā)展電動汽車用大容量鋰離子電池；2、開發(fā)及使用新的高性能電極材料；3、加速聚合物鋰離子電池的實用化進程8鋰離子二次電池電極材料鋰離子電池現(xiàn)已廣泛用作諸如移動電

通過對炭科學(xué)基礎(chǔ)理論和多樣炭結(jié)構(gòu)、性能和形成機理的介紹，使學(xué)生掌握炭材料的基本結(jié)構(gòu)、性能、成炭原理和應(yīng)用領(lǐng)域，并對炭科學(xué)的發(fā)展趨勢和新型炭材料的開發(fā)有一初步了解。

課程編號:MSE515學(xué)時：40學(xué)分：2.5課程簡介第一部分碳的多樣性，碳科學(xué)的形成、發(fā)展與核心問題（4學(xué)時）第二部分碳的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（8學(xué)時）★基本結(jié)晶形式-金剛石、石墨、富勒烯、咔賓★碳的結(jié)構(gòu)★碳的特性課程內(nèi)容-19通過對炭科學(xué)基礎(chǔ)理論和多樣炭結(jié)構(gòu)、性能和形成機第三部分有機化合物的炭化途徑（16-18學(xué)時）一、氣相炭化（4學(xué)時）二、液相炭化—中間相理論與應(yīng)用（8學(xué)時）三、固相炭化與多相炭化（4學(xué)時）第四部分炭的表面化學(xué)（4學(xué)時）第五部分石墨層間化合物（2學(xué)時）第六部分炭科學(xué)研究的新進展（4-6學(xué)時）一、金剛石薄膜二、富勒烯與納米洋蔥三、納米碳管四、碳包覆納米金屬晶課程內(nèi)容-2考試：2學(xué)時10第三部分有機化合物的炭化途徑（16-18學(xué)時）課程內(nèi)容-2要求：1、有事請假；2、課上認真聽講；3、課上認真作筆記，課下找相關(guān)參考書復(fù)習(xí)；3、不明白的地方一定設(shè)法弄明白?？己耍?、出勤計入成績（權(quán)重10%）；2、平時作業(yè)/報告成績（權(quán)重20

%）；2、期末試卷考試（權(quán)重70%）。報告題目：WeandCarbon11要求：考核：報告題目：WeandCarbon11第一部分緒言一、炭材料的多樣性1、碳的多樣性

碳元素的產(chǎn)生；

太陽系產(chǎn)生熱核反應(yīng)中“碳、氮循環(huán)”；

地球上碳產(chǎn)生生物學(xué)、硅產(chǎn)生地學(xué)，碳是形成一切生物有機生命體的骨架元素；大量的中間過渡狀態(tài)，較少的純碳形式；新型炭材料。12第一部分緒言一、炭材料的多樣性12碳的起源---“bigbang”理論宇宙巨大的能量塊150億年前發(fā)生大爆炸宇宙空間充滿高能的光光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，各種粒子開始形成膨脹溫度降低粒子凝聚成氫溫度升高NeNaMgOSSiP…C的存在

溫度降低溫度升高13碳的起源---“bigbang”理論宇宙巨大的能量塊宇宙空

碳在宇宙進化中起著重要的作用，是宇宙中前期生物分子進化的關(guān)鍵元素。宇宙中：原子碳、分子碳、固態(tài)碳和碳化物太陽系：H,He,O,C,Ne……

地球中：第14位（90%的碳是以CaCO3的形式存在，為化石燃料的1萬倍）碳是地球上一切生物有機體的骨架元素，沒有碳就沒有生命.碳元素占人體總重量的18%左右當今世界以碳為主要原子構(gòu)成的有機化學(xué)為橡膠、塑料、合成纖維三大材料奠定了基礎(chǔ)。人類進化以來，很早就開始利用各種炭物質(zhì)和炭材料。各種炭材料在航天、航空等工業(yè)、醫(yī)療、能源和日用品中得以應(yīng)用。C的演變絢麗多彩的世界14碳在宇宙進化中起著重要的作用，是宇宙中前期生物分子進化的關(guān)1515炭纖維炭微球納米管/樹脂復(fù)合材料C/C復(fù)合材料16炭纖維炭微球納米管/樹脂復(fù)合材料C/C復(fù)合材料16金屬填充富勒烯17金屬填充富勒烯17金剛石金剛石薄膜18金剛石金剛石薄膜181990年和1991年金剛石和C60分獲Science明星分子；1996年美國Rice大學(xué)RFCurlR.E.Smalley富勒烯C60

英國Sussex大學(xué)H.W.Kroto

2000年美國科學(xué)家A.J.HeegerA.G.MacDiamid導(dǎo)電聚合物日本科學(xué)家HShirakawa(白川英樹)2010年英國AGeimandKNovoselov

石墨烯191990年和1991年金剛石和C60分獲Science明星分TheNobelPrizeinChemistry1996"fortheirdiscoveryoffullerenes"

RobertF.CurlJr.SirHaroldW.KrotoRichardE.Smalley1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUSAUnitedKingdomUSARiceUniversityUniversityofSussexRiceUniversityHouston,TX,USABrighton,UnitedKingdomHouston,TX,USAb.1933b.1939b.1943d.200520TheNobelPrizeinChemistry1TheNobelPrizeinChemistry2000“forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers”

AlanJ.HeegerAlanG.MacDiarmidHidekiShirakawa1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUSAUSAandNewZealandJapanUniversityofCaliforniaUniversityofPennsylvaniaUniversityofTsukuba

SantaBarbara,CA,USAPhiladelphia,PA,USATokyo,Japan

b.1936b.1927b.193621TheNobelPrizeinChemistry2AndreGeimKonstantinNovoselovTheNovelPrizeinphysics2010honourstwoscientists.Theyhavesucceedinproducing,isolating,identifyingandcharacterizinggraphene.22AndreGeimKonstantinNovoselov新型炭材料的發(fā)展1991年碳納米管1985年富勒烯碳包覆金屬21世紀將是碳世紀2004年石墨烯23新型炭材料的發(fā)展1991年1985年碳包覆金屬21世紀將是碳

二、炭材料的定義

是主要以煤、石油或它們的加工產(chǎn)物等(主要為有機物質(zhì))作為主要原料經(jīng)過一系列加工處理過程得到的一種非金屬材料，其主要成分是碳。廣義上看：金剛石、石墨、咔賓都屬于炭材料，這是一個廣義的定義，但由于金剛石和咔賓在自然界存在非常少，結(jié)構(gòu)也單一，不象石墨那樣具有眾多的過渡態(tài)中間結(jié)構(gòu)（如焦炭、CF、煤炭、炭黑、木炭等）。狹義上看：炭材料一般是指類石墨材料，即以SP2雜化軌道為主構(gòu)成的炭材料，從無定形炭到石墨晶體的所有中間結(jié)構(gòu)物質(zhì)（過渡態(tài)碳），它是由有機化合物炭化制得的人造炭。1、定義24

二、炭材料的定義

是主要以煤、石油或它們的加工產(chǎn)物等(主要2、新型炭材料根據(jù)使用的目的，通過原料和工藝的改變，控制所得材料的功能，開發(fā)出新用途的炭及其復(fù)合材料。大谷杉郎認為：新型炭材料可大致分為三類，一是強度在100MPa以上，模量在10GPa以上使用時不必后加工的方法制得的新型炭成型物；二是以炭為主要構(gòu)成要素，與樹脂、陶瓷、金屬等組成的各種復(fù)合材料；三是基本上利用炭結(jié)構(gòu)的特征，由炭或炭化物形成的各種功能材料。3、“炭”與“碳”的區(qū)別

CarbonaselementCarbonasmaterial252、新型炭材料25三、炭材料的基本性質(zhì)和金屬一樣具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；和陶瓷一樣耐熱、耐腐蝕；和有機高分子一樣質(zhì)量輕，分子結(jié)構(gòu)多樣；另外，還具有比模量、比強度高，震動衰減率小，以及生體適應(yīng)性好，具滑動性和減速中子等性能。這些都是三大固體材料金屬、陶瓷和高分子材料所不具備的。因此，炭及其復(fù)合材料被認為是人類必須的第四類原材料。26三、炭材料的基本性質(zhì)和金屬一樣具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；26GrapheenCNTs●27GrapheenCNTs●272828碳原子在電子結(jié)構(gòu)上可形成SPn雜化，能鍵合眾多原子和分子，在納米及微米尺度上以不同方式和取向進行堆疊和聚集，形成粒子、孔狀、纖維狀、薄膜狀及塊體材料。各種類型炭物質(zhì)具有的性質(zhì)幾乎包括地球上所有的性質(zhì)，有的甚至是完全對立的性質(zhì)最硬（金剛石）軟（石墨）絕緣體（金剛石）半導(dǎo)體（石墨）良導(dǎo)體（熱解石墨）絕熱體（石墨層間）良導(dǎo)熱體（金剛石、石墨層內(nèi)）全吸光（石墨）全透光（金剛石、石墨烯）碳納米管和石墨烯有可能將碳元素的獨特性發(fā)揮到極至!29碳原子在電子結(jié)構(gòu)上可形成SPn雜化，能鍵合眾多原子和分子，在四、炭材料的應(yīng)用機械工業(yè)：軸承、密封元件、制動元件等；電子工業(yè)：電極、電波屏蔽、電子元件等；電器工業(yè)：電刷，集電體、觸點等；航空航天：結(jié)構(gòu)材料，絕熱、耐燒蝕材料等；核能工業(yè)：反射材料，屏蔽材料等；冶金工業(yè)：電極，發(fā)熱元件，坩鍋、模具等；化學(xué)工業(yè)：化工設(shè)備，過濾器等；體育器材：球桿，球拍，自行車等；…………30四、炭材料的應(yīng)用機械工業(yè)：軸承、密封元件、制動元件等；30

五、炭材料的發(fā)展史

1、第一代（5千—1萬年前）2、第二代（十九世紀）燒結(jié)型炭材料（人造石墨）3、第三代（第二次世界大戰(zhàn)后）4、二十世紀八十年代中葉以后31

五、炭材料的發(fā)展史

31第一代炭材料天然物質(zhì)加熱，利用炭的化學(xué)性質(zhì)，作燃料和還原劑煉銅和煉鐵CuO+CCu+CO2Fe2O3+CFe+CO232第一代炭材料天然物質(zhì)加熱，利用炭的化學(xué)性質(zhì)，作燃料和還原劑第二代炭材料★燒結(jié)炭材料利用炭的物理性質(zhì)（導(dǎo)電、耐熱、耐腐蝕、耐摩擦等），用于炭磚、煉鋼、煉鋁等（電極、電刷、各種機械、化工用炭、原子反應(yīng)堆用炭等）33第二代炭材料★燒結(jié)炭材料33第三代炭材料以炭纖維（CF）為代表的新型炭材料(結(jié)構(gòu)和功能材料)紛紛出現(xiàn)，是炭材料的大發(fā)展時期，也是炭科學(xué)形成的時期34第三代炭材料以炭纖維（CF）為代表的新型炭材料(結(jié)構(gòu)和功能材料性能用途CF高比強、比模量、熱膨脹系數(shù)小等復(fù)合材料的增強劑活性CF比表面積大、吸附性能好環(huán)保吸附材料玻璃炭不浸透性、耐熱耐蝕性電池電極隔板、半導(dǎo)體器件金剛石薄膜透光、發(fā)光性，硬度高、耐磨、高膜量，光交換性高溫晶體管、激光器件、絕緣材料等石墨層間化合物輕、高導(dǎo)電性、電化學(xué)性，反應(yīng)性等高導(dǎo)電材料、電池活性物質(zhì)、催化劑等氣相生長炭纖維極細、比表面積大、中空、結(jié)晶性好增強材料、催化材料、導(dǎo)電材料等中間相瀝青炭微球自燒結(jié)性，球形、層狀各向同性炭、坩堝、電極等

35材料性能用途CF高比強、比模量、熱膨脹系數(shù)小等復(fù)合材料的增強第四代炭材料富勒烯碳納米管碳納米洋蔥（富勒洋蔥）碳包覆納米金屬晶碳氣凝膠多孔炭石墨烯………..36第四代炭材料富勒烯36炭材料的發(fā)展史人類起源木炭為熱能的來源銅器時代炭還原銅十八世紀初焦炭作還原劑。煉鋼工業(yè)十九世紀中電爐煉鋼炭電極工業(yè)化1895年電極，電刷和電極糊木炭焦炭1907年活性炭用于環(huán)境20世紀40-50年代高純高密石墨20世紀50-60年代熱解石墨和熱解炭20世紀60-70年代C60碳納米管石墨烯….金剛石薄膜中間相炭微球膨脹石墨炭纖維復(fù)合材料高性能炭纖維人類文明時代煙炱做染料和墨汁石墨20世紀80年代37炭材料的發(fā)展史人類起源木炭為熱能的來源銅器時代

六、炭科學(xué)的形成與發(fā)展

1、炭材料科學(xué)的形成●早期：二十世紀初，炭的結(jié)構(gòu)的剖析，晶體領(lǐng)域，物理學(xué)科●炭化研究則在燃料化學(xué)（煤化學(xué)和石油化學(xué)與加工）學(xué)科領(lǐng)域中發(fā)展壯大●二十世紀五十年代末，高分子領(lǐng)域加強了耐高溫聚合物方向的探索，廣泛開展了高聚物熱解的研究；38

六、炭科學(xué)的形成與發(fā)展

1、炭材料科學(xué)的形成38關(guān)于炭材料科學(xué)作為獨立的學(xué)科分枝在國際學(xué)術(shù)舞臺上出現(xiàn)的時間，至今無人加以探討?！裾嬲哂袊H性的世界炭科學(xué)會議召開于1957年，即美國第三屆炭會議；●1957年9月在倫敦召開了第一屆工業(yè)用炭和石墨會議；●具有廣泛國際性的炭材料專業(yè)雜志”Carbon”于1963年在美國創(chuàng)刊。因此，炭材料科學(xué)真正獨立存在，應(yīng)在二十世紀五十年代末到六十年代初。39關(guān)于炭材料科學(xué)作為獨立的學(xué)科分枝在國際學(xué)術(shù)舞臺上出現(xiàn)的時間，2、炭材料科學(xué)的主要研究內(nèi)容

研究自然界中（廣義）一切增炭化（富碳）物質(zhì)的形成過程機理，特別是著重于它（包括原料經(jīng)歷部分炭化的中間產(chǎn)物）多層次的微觀結(jié)構(gòu)的形成，以及此結(jié)構(gòu)在外界條件（如溫度、壓力）影響下的轉(zhuǎn)變。此外，炭科學(xué)還研究炭集合體的各種物理與化學(xué)性質(zhì)。核心內(nèi)容：自有機物前驅(qū)體出發(fā)，通過熱處理使有機物轉(zhuǎn)化成具有可被控制的微晶排列的炭固體，這一知識乃是炭材料科學(xué)的最核心部分。402、炭材料科學(xué)的主要研究內(nèi)容

研究自然界中（廣義）一切增炭化有機原料中間狀態(tài)終炭材料1、形成過程（機理）2、各過程中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)3、外界條件與材料結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系化學(xué)物理41有機原料中間狀態(tài)在熱處理時，我們感興趣的溫度范圍是400℃-600℃。在此溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)有機固體開始脫氫轉(zhuǎn)變成自由基，后者隨之縮合成大的分子單元，最終導(dǎo)致固體材料。也就是在此溫度范圍內(nèi)，微晶的排列將被確立下來，雖然大部分炭物質(zhì)最終被加熱到更高的溫度，但是在600℃以下微晶排列的配置乃是決定最終炭材料的結(jié)構(gòu)和性能的主要因素。炭化機理和炭的結(jié)構(gòu)是整座炭科學(xué)大廈的兩大基石。42在熱處理時，我們感興趣的溫度范圍是400℃-600℃。在此溫主要講授內(nèi)容：1）碳的結(jié)構(gòu)與性能；2）有機化合物的成炭途徑；氣相炭化液相炭化固相炭化多相炭化3）碳的化學(xué)反應(yīng)；4）碳科學(xué)研究的新進展。43主要講授內(nèi)容：43

3、“炭材料科學(xué)”所涉及的基礎(chǔ)學(xué)科

是一門交叉性很強的學(xué)科，正處于不斷發(fā)展之中。*物理角度，炭材料科學(xué)的兩個主要方向是固體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，如晶體與非晶體，價鍵結(jié)構(gòu)，晶體缺陷與運動，晶體中的電子狀態(tài)，固體的物性（力、光、磁、熱、電等）。二是需要固體結(jié)構(gòu)研究方法的理論知識，即固體結(jié)構(gòu)分析中的物理方法，如XRD、SEM、TEM、XPS、ESR、STM等；*數(shù)學(xué)角度，炭結(jié)構(gòu)與特性研究時的數(shù)學(xué)方程的推斷；*化學(xué)角度，涉及到有機物的組成結(jié)構(gòu)、熱解和炭化反應(yīng)，合成反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等；*除化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)課程外，還涉及一系列應(yīng)用化學(xué)二級學(xué)科，如煤化學(xué)、石油化學(xué)、高分子材料、高分子化學(xué)與物理、催化化學(xué)、高溫化學(xué)、有機結(jié)構(gòu)分析、有機固體、結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子有機化學(xué)等。44

3、“炭材料科學(xué)”所涉及的基礎(chǔ)學(xué)科

是一門交叉性很強的學(xué)科1、新炭素材料入門日本炭素材料學(xué)會編，中國金屬學(xué)會炭材料專業(yè)委員會編譯（1999）2、ChemistryandPhysicsofCarbon,aseriesofadvancesfrom1965,MarcelDekker,Inc.,Vol.28(2003)3、ScienceofCarbonMaterials,H.MarshandF.R.Reinoso,UniversidaddeAlicante,(2000)4、IntroductiontoCarbonTechnology,H.MarshandF.R.Reinoso,UniversidaddeAlicante,(2000)5、IntroductiontoCarbonScience,H.Marsh，ButterworthsPress,1989

主要參考書目

451、新炭素材料入門日本炭素材料學(xué)會編，中國金屬學(xué)會炭材料6、炭化工學(xué)的基礎(chǔ)大谷杉郎、真田雄三著中國科學(xué)院沈陽金屬所內(nèi)部翻譯（1980）7、炭素材料，王曾輝，高晉生編，華東化工學(xué)院出版社（1991）8、炭纖維的制造、性質(zhì)及其應(yīng)用，王茂章，賀福編著，科學(xué)出版社（1984）9、炭纖維及其復(fù)合材料，賀福，王茂章編著，科學(xué)出版社（1996）10、納米碳管——制備、結(jié)構(gòu)、物性及應(yīng)用，成會明編著，化學(xué)工業(yè)出版社（2002）466、炭化工學(xué)的基礎(chǔ)大谷杉郎、真田雄三著中國科學(xué)院沈陽主要參考雜志-國際

(InternationalJournals)Carbon

（1.6-1.82003年-3.12,2004年-3.33,16/177，2005-3.42,2006-3.90，2007-4.26，2008-4.372009-4.5）AdvancedMaterials(8.1,9.1,7.9)ChemicalPhysicsLetters(2.4)NanoLetters(8.5,9.9,10.0)AppliedPhysicsLetters(4.1)J.Am.Chem.Soc.(6.9,7.5,7.7)Nature(32.2,27)Science(31.9,30)J.Phys.Chem.B(3.8,4.0,4.1)Chem.Mater.(4.1,4.8,5.1)47主要參考雜志-國際

(InternationalJourn國內(nèi)雜志：新型炭材料(SCI,2004年IF1.165,62/177；2005-1.46)

炭素技術(shù)炭素燃料化學(xué)學(xué)報石油學(xué)報（石油加工）無機材料學(xué)報硅酸鹽學(xué)報硅酸鹽通報中國科學(xué)科學(xué)通報材料研究學(xué)報材料科學(xué)與工程…….48國內(nèi)雜志：48國內(nèi)會議

中國電工技術(shù)學(xué)會炭-石墨材料專業(yè)委員會會議（每兩年一次，《炭素》）

中國金屬學(xué)會炭材料專業(yè)委員會學(xué)術(shù)交流會（一年一次，《炭素技術(shù)》）

《新型炭材料》學(xué)術(shù)研討會（兩年一次）49國內(nèi)會議中國電工技術(shù)學(xué)會炭-石墨材料專業(yè)委員會會議（

美國雙年度國際炭會議（24thBienn.Conf.onCarbon,KenturkyUniv.逢單年召開-2001）

歐洲雙年度國際炭會議（Carbon’2000,Berlin,逢雙年召開

-2000）

亞洲炭聯(lián)合會（2002年,Beijing,China）日本炭素學(xué)會年會

美、歐、亞洲輪流每年一次（from2002）（2003，Spain;2004,USA;2005,Korea）國際會議50美國雙年度國際炭會議（24thBienn.Conf.國內(nèi)主要研究單位中國科學(xué)院山西煤化所，金屬所，物理所，化學(xué)所北京化工大學(xué)清華大學(xué)湖南大學(xué)石油大學(xué)山東大學(xué)西北工業(yè)大學(xué)大連理工大學(xué)廈門大學(xué)，南京大學(xué)，浙江大學(xué)。。。。。51國內(nèi)主要研究單位中國科學(xué)院512002年國家自然科學(xué)獎共23項，其中有關(guān)炭材料的占3項項目名稱：定向碳納米管的制備、結(jié)構(gòu)和物性的研究主要完成人：解思深、李文治、潘正偉、孫連峰、周維亞主要貢獻：定向碳納米管的制備、結(jié)構(gòu)和物性的研究，在碳納米管的生長機理及碳納米管的取向、直徑和結(jié)構(gòu)的控制生長方面，做出了開創(chuàng)性工作，取得了國際先進水平的研究成果，得到了國內(nèi)外專家的肯定。522002年國家自然科學(xué)獎共23項，其中有關(guān)炭材料的占3項項目項目名稱：C60的化學(xué)和物理若干基本問題研究

主要完成人：朱道本、李玉良、嚴繼民、趙忠賢、徐

愉

主要貢獻：C60的化學(xué)和物理基本問題研究C60的化學(xué)和物理基本問題是國際上最關(guān)注的交叉科學(xué)研究領(lǐng)域。C60具有完美的對稱性，反映在其電子能級上具有很高的簡并度，這種高度的結(jié)構(gòu)對稱性與分子軌道簡并度結(jié)合起來，使得C60分子具有難得的氧化還原性。圍繞著C60分子的電子結(jié)構(gòu)及凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與性能的關(guān)系，有選擇地在可能獲得創(chuàng)新性成果的領(lǐng)域開展了研究。提出一些新概念、新方法，形成了自己的研究特色，獲得多項在國際上有影響的研究成果。53項目名稱：C60的化學(xué)和物理若干基本問題研究

主要完成人：朱項目名稱：金剛石及新型碳基材料

的成核與生長

主要完成人：李述湯

(香港城市大學(xué))主要貢獻：本項目對金剛石在硅襯底上的形核和生長進行了系統(tǒng)深入的研究。主要成就概述如下：在不同層次上模擬和突出了傳統(tǒng)偏壓輔助形核技術(shù)中離子的功能，解析了離子在金剛石形核中的作用。為此發(fā)展了三種離子輔助高質(zhì)量金剛石形核方法，即：電子回旋共振微波化學(xué)氣相沉積、雙偏壓熱絲化學(xué)氣相沉積和直接離子束沉積。54項目名稱：金剛石及新型碳基材料

的2004年國家技術(shù)發(fā)明一等獎

（共2項，二等獎26項）1、中南大學(xué)黃伯云院士等高性能炭/炭航空制動材料的制備技術(shù)

2、西北工業(yè)大學(xué)張立同院士等耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)

552004年國家技術(shù)發(fā)明一等獎

（共2項，二等獎26項）1、中2006年國家自然科學(xué)獎

（共2項一等獎，二等獎27項）1、碳原子團簇的形成研究鄭蘭蓀等廈門大學(xué)2、單壁和雙壁碳納米管的制備和研究成會明等中國科學(xué)院金屬所3、碳納米管宏觀體的研究吳德海等清華大學(xué)562006年國家自然科學(xué)獎

（共2項一等獎，二等獎27項）1、炭材料科學(xué)ScienceofCarbonMaterials

57炭材料科學(xué)1研究方向碳納米材料、新能源材料和介孔炭材料研究目標—主要定位于前沿性先進炭材料的研究合成、形成機理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能及應(yīng)用582以石油重油、煤焦油重質(zhì)芳烴、聚合物等為原料

碳納米材料及納米復(fù)合材料

1、碳包覆納米金屬晶的形成及轉(zhuǎn)化

—金屬顆粒和金屬線

2、碳納米洋蔥（實心和空心）

3、納米碳管、石墨烯及其樹脂基復(fù)合材料

4、介孔碳材料（有序，氣凝膠）主要研究方向

新型能源炭材料1、Li+電池負極材料炭材料的設(shè)計

—炭基材料（天然石墨、樹脂炭、碳管、石墨烯等）2、大功率充放動力型鋰電池電極材料

—納米碳/金屬復(fù)合材料3、超級電容器電極材料59以石油重油、煤焦油碳納米材料及納米復(fù)合材料主要研究方向新炭纖維針狀焦炭微球高導(dǎo)熱材料,發(fā)泡炭、高級粘結(jié)劑、浸漬劑、炭納米材料60炭纖維針狀焦炭微球高導(dǎo)熱材料,發(fā)泡炭、高級粘結(jié)劑、浸漬劑、炭HREMimagesofcarbonencapsulatedironnanomaterialsfromYDheatedat480℃inthepresenceofferrocenecontentof

13.0wt.%61HREMimagesofcarbonencapsulHREMimagesofcarbonencapsulatedironnanorodsfromYDheatedat480℃inthepresenceofferrocenecontentof

40.0wt.%20nm

Theironfull-filledcarbonnanorubesLength:150-250nmDiameter:30-40nmCarbonshell:5-8nmHighlydispersed

StraightlyNoentanglednetworkMetalspecieswerecontinuouslyfilledincarbonshells.

62HREMimagesofcarbonencapsulOrderedMesoporousCarbonsfromtheCarbonizationofas-synthesizedSilica/Sucrose/TriblockcopolymerNanocomposites碳的六方有序孔道63OrderedMesoporousCarbonsfro鋰離子二次電池電極材料

鋰離子電池現(xiàn)已廣泛用作諸如移動電話、便攜式電腦、攝像機、照相機等袖珍貴重家用電器的電源，并已在航空、航天、航海、人造衛(wèi)星及軍用通訊設(shè)備領(lǐng)域中逐漸替代傳統(tǒng)的電池。1、發(fā)展電動汽車用大容量鋰離子電池；2、開發(fā)及使用新的高性能電極材料；3、加速聚合物鋰離子電池的實用化進程64鋰離子二次電池電極材料鋰離子電池現(xiàn)已廣泛用作諸如移動電

通過對炭科學(xué)基礎(chǔ)理論和多樣炭結(jié)構(gòu)、性能和形成機理的介紹，使學(xué)生掌握炭材料的基本結(jié)構(gòu)、性能、成炭原理和應(yīng)用領(lǐng)域，并對炭科學(xué)的發(fā)展趨勢和新型炭材料的開發(fā)有一初步了解。

課程編號:MSE515學(xué)時：40學(xué)分：2.5課程簡介第一部分碳的多樣性，碳科學(xué)的形成、發(fā)展與核心問題（4學(xué)時）第二部分碳的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（8學(xué)時）★基本結(jié)晶形式-金剛石、石墨、富勒烯、咔賓★碳的結(jié)構(gòu)★碳的特性課程內(nèi)容-165通過對炭科學(xué)基礎(chǔ)理論和多樣炭結(jié)構(gòu)、性能和形成機第三部分有機化合物的炭化途徑（16-18學(xué)時）一、氣相炭化（4學(xué)時）二、液相炭化—中間相理論與應(yīng)用（8學(xué)時）三、固相炭化與多相炭化（4學(xué)時）第四部分炭的表面化學(xué)（4學(xué)時）第五部分石墨層間化合物（2學(xué)時）第六部分炭科學(xué)研究的新進展（4-6學(xué)時）一、金剛石薄膜二、富勒烯與納米洋蔥三、納米碳管四、碳包覆納米金屬晶課程內(nèi)容-2考試：2學(xué)時66第三部分有機化合物的炭化途徑（16-18學(xué)時）課程內(nèi)容-2要求：1、有事請假；2、課上認真聽講；3、課上認真作筆記，課下找相關(guān)參考書復(fù)習(xí)；3、不明白的地方一定設(shè)法弄明白?？己耍?、出勤計入成績（權(quán)重10%）；2、平時作業(yè)/報告成績（權(quán)重20

%）；2、期末試卷考試（權(quán)重70%）。報告題目：WeandCarbon67要求：考核：報告題目：WeandCarbon11第一部分緒言一、炭材料的多樣性1、碳的多樣性

碳元素的產(chǎn)生；

太陽系產(chǎn)生熱核反應(yīng)中“碳、氮循環(huán)”；

地球上碳產(chǎn)生生物學(xué)、硅產(chǎn)生地學(xué)，碳是形成一切生物有機生命體的骨架元素；大量的中間過渡狀態(tài)，較少的純碳形式；新型炭材料。68第一部分緒言一、炭材料的多樣性12碳的起源---“bigbang”理論宇宙巨大的能量塊150億年前發(fā)生大爆炸宇宙空間充滿高能的光光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，各種粒子開始形成膨脹溫度降低粒子凝聚成氫溫度升高NeNaMgOSSiP…C的存在

溫度降低溫度升高69碳的起源---“bigbang”理論宇宙巨大的能量塊宇宙空

碳在宇宙進化中起著重要的作用，是宇宙中前期生物分子進化的關(guān)鍵元素。宇宙中：原子碳、分子碳、固態(tài)碳和碳化物太陽系：H,He,O,C,Ne……

地球中：第14位（90%的碳是以CaCO3的形式存在，為化石燃料的1萬倍）碳是地球上一切生物有機體的骨架元素，沒有碳就沒有生命.碳元素占人體總重量的18%左右當今世界以碳為主要原子構(gòu)成的有機化學(xué)為橡膠、塑料、合成纖維三大材料奠定了基礎(chǔ)。人類進化以來，很早就開始利用各種炭物質(zhì)和炭材料。各種炭材料在航天、航空等工業(yè)、醫(yī)療、能源和日用品中得以應(yīng)用。C的演變絢麗多彩的世界70碳在宇宙進化中起著重要的作用，是宇宙中前期生物分子進化的關(guān)7115炭纖維炭微球納米管/樹脂復(fù)合材料C/C復(fù)合材料72炭纖維炭微球納米管/樹脂復(fù)合材料C/C復(fù)合材料16金屬填充富勒烯73金屬填充富勒烯17金剛石金剛石薄膜74金剛石金剛石薄膜181990年和1991年金剛石和C60分獲Science明星分子；1996年美國Rice大學(xué)RFCurlR.E.Smalley富勒烯C60

英國Sussex大學(xué)H.W.Kroto

2000年美國科學(xué)家A.J.HeegerA.G.MacDiamid導(dǎo)電聚合物日本科學(xué)家HShirakawa(白川英樹)2010年英國AGeimandKNovoselov

石墨烯751990年和1991年金剛石和C60分獲Science明星分TheNobelPrizeinChemistry1996"fortheirdiscoveryoffullerenes"

RobertF.CurlJr.SirHaroldW.KrotoRichardE.Smalley1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUSAUnitedKingdomUSARiceUniversityUniversityofSussexRiceUniversityHouston,TX,USABrighton,UnitedKingdomHouston,TX,USAb.1933b.1939b.1943d.200576TheNobelPrizeinChemistry1TheNobelPrizeinChemistry2000“forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers”

AlanJ.HeegerAlanG.MacDiarmidHidekiShirakawa1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUSAUSAandNewZealandJapanUniversityofCaliforniaUniversityofPennsylvaniaUniversityofTsukuba

SantaBarbara,CA,USAPhiladelphia,PA,USATokyo,Japan

b.1936b.1927b.193677TheNobelPrizeinChemistry2AndreGeimKonstantinNovoselovTheNovelPrizeinphysics2010honourstwoscientists.Theyhavesucceedinproducing,isolating,identifyingandcharacterizinggraphene.78AndreGeimKonstantinNovoselov新型炭材料的發(fā)展1991年碳納米管1985年富勒烯碳包覆金屬21世紀將是碳世紀2004年石墨烯79新型炭材料的發(fā)展1991年1985年碳包覆金屬21世紀將是碳

二、炭材料的定義

是主要以煤、石油或它們的加工產(chǎn)物等(主要為有機物質(zhì))作為主要原料經(jīng)過一系列加工處理過程得到的一種非金屬材料，其主要成分是碳。廣義上看：金剛石、石墨、咔賓都屬于炭材料，這是一個廣義的定義，但由于金剛石和咔賓在自然界存在非常少，結(jié)構(gòu)也單一，不象石墨那樣具有眾多的過渡態(tài)中間結(jié)構(gòu)（如焦炭、CF、煤炭、炭黑、木炭等）。狹義上看：炭材料一般是指類石墨材料，即以SP2雜化軌道為主構(gòu)成的炭材料，從無定形炭到石墨晶體的所有中間結(jié)構(gòu)物質(zhì)（過渡態(tài)碳），它是由有機化合物炭化制得的人造炭。1、定義80

二、炭材料的定義

是主要以煤、石油或它們的加工產(chǎn)物等(主要2、新型炭材料根據(jù)使用的目的，通過原料和工藝的改變，控制所得材料的功能，開發(fā)出新用途的炭及其復(fù)合材料。大谷杉郎認為：新型炭材料可大致分為三類，一是強度在100MPa以上，模量在10GPa以上使用時不必后加工的方法制得的新型炭成型物；二是以炭為主要構(gòu)成要素，與樹脂、陶瓷、金屬等組成的各種復(fù)合材料；三是基本上利用炭結(jié)構(gòu)的特征，由炭或炭化物形成的各種功能材料。3、“炭”與“碳”的區(qū)別

CarbonaselementCarbonasmaterial812、新型炭材料25三、炭材料的基本性質(zhì)和金屬一樣具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；和陶瓷一樣耐熱、耐腐蝕；和有機高分子一樣質(zhì)量輕，分子結(jié)構(gòu)多樣；另外，還具有比模量、比強度高，震動衰減率小，以及生體適應(yīng)性好，具滑動性和減速中子等性能。這些都是三大固體材料金屬、陶瓷和高分子材料所不具備的。因此，炭及其復(fù)合材料被認為是人類必須的第四類原材料。82三、炭材料的基本性質(zhì)和金屬一樣具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；26GrapheenCNTs●83GrapheenCNTs●278428碳原子在電子結(jié)構(gòu)上可形成SPn雜化，能鍵合眾多原子和分子，在納米及微米尺度上以不同方式和取向進行堆疊和聚集，形成粒子、孔狀、纖維狀、薄膜狀及塊體材料。各種類型炭物質(zhì)具有的性質(zhì)幾乎包括地球上所有的性質(zhì)，有的甚至是完全對立的性質(zhì)最硬（金剛石）軟（石墨）絕緣體（金剛石）半導(dǎo)體（石墨）良導(dǎo)體（熱解石墨）絕熱體（石墨層間）良導(dǎo)熱體（金剛石、石墨層內(nèi)）全吸光（石墨）全透光（金剛石、石墨烯）碳納米管和石墨烯有可能將碳元素的獨特性發(fā)揮到極至!85碳原子在電子結(jié)構(gòu)上可形成SPn雜化，能鍵合眾多原子和分子，在四、炭材料的應(yīng)用機械工業(yè)：軸承、密封元件、制動元件等；電子工業(yè)：電極、電波屏蔽、電子元件等；電器工業(yè)：電刷，集電體、觸點等；航空航天：結(jié)構(gòu)材料，絕熱、耐燒蝕材料等；核能工業(yè)：反射材料，屏蔽材料等；冶金工業(yè)：電極，發(fā)熱元件，坩鍋、模具等；化學(xué)工業(yè)：化工設(shè)備，過濾器等；體育器材：球桿，球拍，自行車等；…………86四、炭材料的應(yīng)用機械工業(yè)：軸承、密封元件、制動元件等；30

五、炭材料的發(fā)展史

1、第一代（5千—1萬年前）2、第二代（十九世紀）燒結(jié)型炭材料（人造石墨）3、第三代（第二次世界大戰(zhàn)后）4、二十世紀八十年代中葉以后87

五、炭材料的發(fā)展史

31第一代炭材料天然物質(zhì)加熱，利用炭的化學(xué)性質(zhì)，作燃料和還原劑煉銅和煉鐵CuO+CCu+CO2Fe2O3+CFe+CO288第一代炭材料天然物質(zhì)加熱，利用炭的化學(xué)性質(zhì)，作燃料和還原劑第二代炭材料★燒結(jié)炭材料利用炭的物理性質(zhì)（導(dǎo)電、耐熱、耐腐蝕、耐摩擦等），用于炭磚、煉鋼、煉鋁等（電極、電刷、各種機械、化工用炭、原子反應(yīng)堆用炭等）89第二代炭材料★燒結(jié)炭材料33第三代炭材料以炭纖維（CF）為代表的新型炭材料(結(jié)構(gòu)和功能材料)紛紛出現(xiàn)，是炭材料的大發(fā)展時期，也是炭科學(xué)形成的時期90第三代炭材料以炭纖維（CF）為代表的新型炭材料(結(jié)構(gòu)和功能材料性能用途CF高比強、比模量、熱膨脹系數(shù)小等復(fù)合材料的增強劑活性CF比表面積大、吸附性能好環(huán)保吸附材料玻璃炭不浸透性、耐熱耐蝕性電池電極隔板、半導(dǎo)體器件金剛石薄膜透光、發(fā)光性，硬度高、耐磨、高膜量，光交換性高溫晶體管、激光器件、絕緣材料等石墨層間化合物輕、高導(dǎo)電性、電化學(xué)性，反應(yīng)性等高導(dǎo)電材料、電池活性物質(zhì)、催化劑等氣相生長炭纖維極細、比表面積大、中空、結(jié)晶性好增強材料、催化材料、導(dǎo)電材料等中間相瀝青炭微球自燒結(jié)性，球形、層狀各向同性炭、坩堝、電極等

91材料性能用途CF高比強、比模量、熱膨脹系數(shù)小等復(fù)合材料的增強第四代炭材料富勒烯碳納米管碳納米洋蔥（富勒洋蔥）碳包覆納米金屬晶碳氣凝膠多孔炭石墨烯………..92第四代炭材料富勒烯36炭材料的發(fā)展史人類起源木炭為熱能的來源銅器時代炭還原銅十八世紀初焦炭作還原劑。煉鋼工業(yè)十九世紀中電爐煉鋼炭電極工業(yè)化1895年電極，電刷和電極糊木炭焦炭1907年活性炭用于環(huán)境20世紀40-50年代高純高密石墨20世紀50-60年代熱解石墨和熱解炭20世紀60-70年代C60碳納米管石墨烯….金剛石薄膜中間相炭微球膨脹石墨炭纖維復(fù)合材料高性能炭纖維人類文明時代煙炱做染料和墨汁石墨20世紀80年代93炭材料的發(fā)展史人類起源木炭為熱能的來源銅器時代

六、炭科學(xué)的形成與發(fā)展

1、炭材料科學(xué)的形成●早期：二十世紀初，炭的結(jié)構(gòu)的剖析，晶體領(lǐng)域，物理學(xué)科●炭化研究則在燃料化學(xué)（煤化學(xué)和石油化學(xué)與加工）學(xué)科領(lǐng)域中發(fā)展壯大●二十世紀五十年代末，高分子領(lǐng)域加強了耐高溫聚合物方向的探索，廣泛開展了高聚物熱解的研究；94

六、炭科學(xué)的形成與發(fā)展

1、炭材料科學(xué)的形成38關(guān)于炭材料科學(xué)作為獨立的學(xué)科分枝在國際學(xué)術(shù)舞臺上出現(xiàn)的時間，至今無人加以探討。●真正具有國際性的世界炭科學(xué)會議召開于1957年，即美國第三屆炭會議；●1957年9月在倫敦召開了第一屆工業(yè)用炭和石墨會議；●具有廣泛國際性的炭材料專業(yè)雜志”Carbon”于1963年在美國創(chuàng)刊。因此，炭材料科學(xué)真正獨立存在，應(yīng)在二十世紀五十年代末到六十年代初。95關(guān)于炭材料科學(xué)作為獨立的學(xué)科分枝在國際學(xué)術(shù)舞臺上出現(xiàn)的時間，2、炭材料科學(xué)的主要研究內(nèi)容

研究自然界中（廣義）一切增炭化（富碳）物質(zhì)的形成過程機理，特別是著重于它（包括原料經(jīng)歷部分炭化的中間產(chǎn)物）多層次的微觀結(jié)構(gòu)的形成，以及此結(jié)構(gòu)在外界條件（如溫度、壓力）影響下的轉(zhuǎn)變。此外，炭科學(xué)還研究炭集合體的各種物理與化學(xué)性質(zhì)。核心內(nèi)容：自有機物前驅(qū)體出發(fā)，通過熱處理使有機物轉(zhuǎn)化成具有可被控制的微晶排列的炭固體，這一知識乃是炭材料科學(xué)的最核心部分。962、炭材料科學(xué)的主要研究內(nèi)容

研究自然界中（廣義）一切增炭化有機原料中間狀態(tài)終炭材料1、形成過程（機理）2、各過程中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)3、外界條件與材料結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系化學(xué)物理97有機原料中間狀態(tài)在熱處理時，我們感興趣的溫度范圍是400℃-600℃。在此溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)有機固體開始脫氫轉(zhuǎn)變成自由基，后者隨之縮合成大的分子單元，最終導(dǎo)致固體材料。也就是在此溫度范圍內(nèi)，微晶的排列將被確立下來，雖然大部分炭物質(zhì)最終被加熱到更高的溫度，但是在600℃以下微晶排列的配置乃是決定最終炭材料的結(jié)構(gòu)和性能的主要因素。炭化機理和炭的結(jié)構(gòu)是整座炭科學(xué)大廈的兩大基石。98在熱處理時，我們感興趣的溫度范圍是400℃-600℃。在此溫主要講授內(nèi)容：1）碳的結(jié)構(gòu)與性能；2）有機化合物的成炭途徑；氣相炭化液相炭化固相炭化多相炭化3）碳的化學(xué)反應(yīng)；4）碳科學(xué)研究的新進展。99主要講授內(nèi)容：43

3、“炭材料科學(xué)”所涉及的基礎(chǔ)學(xué)科

是一門交叉性很強的學(xué)科，正處于不斷發(fā)展之中。*物理角度，炭材料科學(xué)的兩個主要方向是固體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，如晶體與非晶體，價鍵結(jié)構(gòu)，晶體缺陷與運動，晶體中的電子狀態(tài)，固體的物性（力、光、磁、熱、電等）。二是需要固體結(jié)構(gòu)研究方法的理論知識，即固體結(jié)構(gòu)分析中的物理方法，如XRD、SEM、TEM、XPS、ESR、STM等；*數(shù)學(xué)角度，炭結(jié)構(gòu)與特性研究時的數(shù)學(xué)方程的推斷；*化學(xué)角度，涉及到有機物的組成結(jié)構(gòu)、熱解和炭化反應(yīng)，合成反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等；*除化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)課程外，還涉及一系列應(yīng)用化學(xué)二級學(xué)科，如煤化學(xué)、石油化學(xué)、高分子材料、高分子化學(xué)與物理、催化化學(xué)、高溫化學(xué)、有機結(jié)構(gòu)分析、有機固體、結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子有機化學(xué)等。100

3、“炭材料科學(xué)”所涉及的基礎(chǔ)學(xué)科

是一門交叉性很強的學(xué)科1、新炭素材料入門日本炭素材料學(xué)會編，中國金屬學(xué)會炭材料專業(yè)委員會編譯（1999）2、ChemistryandPhysicsofCarbon,aseriesofadvancesfrom1965,MarcelDekker,Inc.,Vol.28(2003)3、ScienceofCarbonMaterials,H.MarshandF.R.Reinoso,UniversidaddeAlicante,(2000)4、IntroductiontoCarbonTechnology,H.MarshandF.R.Reinoso,UniversidaddeAlicante,(2000)5、IntroductiontoCarbonScience,H.Marsh，ButterworthsPress,1989

主要參考書目

1011、新炭素材料入門日本炭素材料學(xué)會編，中國金屬學(xué)會炭材料6、炭化工學(xué)的基礎(chǔ)大谷杉郎、真田雄三著中國科學(xué)院沈陽金屬所內(nèi)部翻譯（1980）7、炭素材料，王曾輝，高晉生編，華東化工學(xué)院出版社（1991）8、炭纖維的制造、性質(zhì)及其應(yīng)用，王茂章，賀福編著，科學(xué)出版社（1984）9、炭纖維及其復(fù)合材料，賀福，王茂章編著，科學(xué)出版社（