先進(jìn)碳材料課件

1碳元素Carbon最硬-最軟導(dǎo)體-半導(dǎo)體-絕緣體導(dǎo)熱-絕熱吸光-透光原子序數(shù)為6，位于元素周期表中第二周期第ⅣA族。熔點(diǎn)最高的單質(zhì)-石墨最硬的天然物質(zhì)-金剛石形成化合物最多的元素地球上一切有機(jī)生物體的骨架元素碳甲烷結(jié)構(gòu)目前使用能源的主要元素2十級(jí)硬度從小到大依次為：1.滑石；2.石膏；3.方解石；4.螢石；5.磷灰石；6.長(zhǎng)石；7.石英；8.黃玉；9.剛玉；10.金剛石。指甲的硬度約為2.0-2.5，銅鑰匙為3.0，小鋼刀為5.0-5.5，玻璃為6.0金剛石是在地球深部高溫、高壓條件下形成的一種單質(zhì)晶體，其中碳原子按四面體成鍵方式互相連接，組成無(wú)限的三維骨架，是典型的原子晶體。由于鉆石中的C-C鍵很強(qiáng)，所以所有的價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成，沒(méi)有自由電子，所以鉆石不僅硬度大，熔點(diǎn)極高，而且不導(dǎo)電。金剛石Diamond反射率高熱導(dǎo)率高化學(xué)性能穩(wěn)定硬度大熔點(diǎn)高絕緣體34石墨是碳的另一種常見(jiàn)單質(zhì)。在晶體結(jié)構(gòu)中同層間每個(gè)碳原子與另外三個(gè)碳原子相聯(lián)，六個(gè)碳原子在同一平面上形成正六邊形的環(huán)，伸展形成片層結(jié)構(gòu)。在同一平面的碳原子還各剩下一個(gè)能自由移動(dòng)的電子，可以被激發(fā)，所以石墨有金屬光澤，能導(dǎo)電、傳熱。由于層與層間距離大，結(jié)合力（范德華力）小，各層可以滑動(dòng)，所以石墨的密度小，質(zhì)軟并有滑膩感。石墨可用于生產(chǎn)耐火材料、導(dǎo)電材料、耐磨材料、潤(rùn)滑劑、耐高溫密封材料、耐腐蝕材料、吸附材料、摩擦材料和防輻射材料等.石墨Graphite熱導(dǎo)率高耐高溫化學(xué)性能穩(wěn)定硬度小熔點(diǎn)高導(dǎo)電性好體潤(rùn)滑性好5富勒烯FullereneC60具有60個(gè)頂點(diǎn)和32個(gè)面，其中12個(gè)為正五邊形，20個(gè)為正六邊形。在室溫下為紫紅色固態(tài)分子晶體，有微弱熒光，直徑約為7.1埃（1埃=10-10米），密度為1.68g/cm3。C60具有金屬光澤，有許多優(yōu)異性能，如超導(dǎo)、強(qiáng)磁性、耐高壓、抗化學(xué)腐蝕，在光、電、磁等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。富勒烯是一系列純碳組成的中空分子的總稱(chēng)，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。它們是由非平面的五元環(huán)、六元環(huán)等構(gòu)成的封閉式空心球形或橢球形結(jié)構(gòu)的共軛烯。富勒烯家族中最早發(fā)現(xiàn)、也是最有名的是C60。C60（模型）富勒烯的成員還有C28、C32、C50、C70、C84……C240、C540零維碳單質(zhì)材料碳納米管6碳納米管的抗拉強(qiáng)度達(dá)到50-200GPa，比同體積鋼的強(qiáng)度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。彈性模量可達(dá)1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。碳納米管又叫巴基管，由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的無(wú)縫、中空納米管。CarbonNanotubes一維碳單質(zhì)材料強(qiáng)度比鋼高密度比鋁小導(dǎo)電性比銅好比不銹鋼耐腐蝕碳納米管CarbonNanotubes超強(qiáng)纖維復(fù)合材料增強(qiáng)體儲(chǔ)氫材料鋰電池負(fù)極材料納米導(dǎo)線(xiàn)電子探針超級(jí)電容器傳感器納米機(jī)械催化領(lǐng)域隱身的軍用裝備。7石墨烯Graphene石墨烯是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱(chēng)。是碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯（模型）石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直到2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。二維碳單質(zhì)材料8石墨烯Graphene掃描電子顯微鏡下的石墨烯世上最薄的材料，只有0.34納米厚強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度達(dá)125Gpa，比最好的鋼鐵還要高上100倍導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K導(dǎo)電性能好，電阻率低，目前室溫下導(dǎo)電性能最好的材料比表面積大，高達(dá)2600m2/g透明、耐高溫、耐酸堿腐蝕、高化學(xué)穩(wěn)定性9碳?xì)饽zCarbonAerogel碳?xì)饽z是一種具有三維納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)多孔碳材料，是目前最輕的凝固態(tài)材料。碳?xì)饽z具有孔隙率高、比表面積高、熱穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性好（目前唯一具有導(dǎo)電性的氣凝膠）等特性。碳?xì)饽z的制備全碳?xì)饽z，密度僅0.16mg/cm3（表觀(guān)密度）三維碳單質(zhì)材料10碳?xì)饽zCarbonAerogel1112其他碳材料OtherCarbonMaterials超級(jí)活性炭碳納米纖維多孔碳玻璃碳碳纖維直鏈乙炔碳碳納米泡沫金剛石功能材料藍(lán)絲黛爾石

零維一維二維三維物質(zhì)富勒烯碳納米管石墨烯金剛石無(wú)定型碳卡賓石墨…碳纖維…

制備方法熱CVD法堿化處理熱CVD法高壓合成法CVD法燒蝕法放電法加熱蒸發(fā)法CVD法PVD法放電法氟化氫分解法燒蝕法

濺射法

等離子體法形態(tài)單晶分子纖維分子纖維微晶無(wú)定型微晶單晶薄膜單晶粒狀塊狀定向結(jié)晶薄膜纖維特征半導(dǎo)體性導(dǎo)電性導(dǎo)電性高硬度高硬度催化功能高強(qiáng)度催化功能高熱傳導(dǎo)性耐腐蝕性強(qiáng)磁性催化功能插層高耐熱性導(dǎo)電性超導(dǎo)性

耐磨蝕性

用途超潤(rùn)滑材料超輕質(zhì)材料電極材料超潤(rùn)滑材料超潤(rùn)滑材料非線(xiàn)性光學(xué)材料超高強(qiáng)材料X射線(xiàn)光學(xué)材料高頻材料電極材料

能源材料