《炭素材料》冶金學院輕金屬及工業(yè)電化學研究所肖勁

（教授、博士生導師）炭素材料聯(lián)系電話/p>

炭素材料不僅廣泛應用于電極、冶金、化工、交通、印刷等行業(yè)，而且在航空、電子、海洋、航天等部門也可作為工程和結(jié)構(gòu)材料。

炭素材料的應用概述①導電材料（包括各種電極）炭素材料的應用領(lǐng)域舉例②結(jié)構(gòu)材料3DGraphite立體石墨支承片設計，與專有動力墊配合，增強效果蘭博基尼Gallardo世界頂級跑車——蘭博基尼，具有獨特的碳纖維頂篷設計和碳纖維引擎蓋炭素材料的應用領(lǐng)域舉例③耐火材料。在無氧條件下，它可在1000℃以上，甚至高達2000℃的溫度下使用炭素材料的應用領(lǐng)域舉例④潤滑材料炭素材料的應用領(lǐng)域舉例⑤吸附（劑）材料污水處理專用活性炭室內(nèi)空氣凈化專用竹活性炭脫氧氣專用活性炭黃金提取專用活性炭水族用活性炭生化棉活性炭口罩炭素材料的應用領(lǐng)域舉例⑥醫(yī)用炭素材料。包括在心血管系統(tǒng)中、在修復結(jié)締組織中、在牙科中、在骨傷外科中的應用。碳纖維及其織造物作為修復損傷的韌帶與肌腱，國內(nèi)已廣泛應用于臨床，當碳纖維作為腱的取代物移入體內(nèi)后起柔性固定的作用，碳纖維相當于支架，新的腱逐漸在碳纖維周圍形成并最終取而代之。通過碳纖維網(wǎng)袋懸吊術(shù)可治療腎下垂。用碳纖維增強的殼聚糖復合膜的力學性能和抗卷曲性可得到明顯改善，可望用于張力部位的體內(nèi)修補和縫合。炭素材料在牙科主要是作為骨內(nèi)種植體代替損失的牙根。與金屬牙種植體相比，碳質(zhì)種植體的優(yōu)勢在于彈性模量與骨質(zhì)相近，表面易制出多孔膜，所以這種種植體植入后不易松動。在下肢不等長畸形的肢體延長矯正手術(shù)中，用碳/碳復合材料制成的圓骨針取代不銹鋼圓骨針可減少組織反應和感染的機會。國內(nèi)應用于臨床的有碳－鈦組合式股骨頭和碳質(zhì)髖臼杯，碳質(zhì)肱骨頭，碳纖維增強塑料人工肋骨等。炭素材料的應用領(lǐng)域舉例⑦用于特殊用途的炭素材料。如航空剎車材料、原子能工業(yè)的核石墨以及軍工和宇宙航天用批特殊處理的材料等。炭素材料的應用領(lǐng)域舉例臺灣的AT-3戰(zhàn)斗機的機體與機翼結(jié)構(gòu)之材料主要是以輕合金結(jié)構(gòu)而成，除了本體用鋼、鎂合金之外，同時也采用超輕的石墨纖維復合材料制作分機體的部份，使得戰(zhàn)機整體的總重量更輕，空中的運動能力與掛彈量也能夠更有效的加以提升。

炭素材料的應用領(lǐng)域舉例美國KC-767J“先進加油機”——使用了包括石墨碳纖維、凱夫拉等新型材料，提高了飛機結(jié)構(gòu)強度和壽命，降低了重量。KC-767J采用美空軍通用的伸縮套管加油模式和“遠距空中加油操作者”系統(tǒng)，具備一次為8架戰(zhàn)斗機補充燃料的能力，能為目前所有的西方戰(zhàn)斗機進行加油。炭素材料的應用領(lǐng)域舉例幾乎可涵蓋地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)甚至相對立的兩種性質(zhì)，如從最硬到極軟、全吸光到全透光、絕緣體到半導體到導體、絕熱到良導熱、高臨界溫度的超導體等。獨特的電子結(jié)構(gòu)原因。碳元素是六號元素，其原子最外層有四個價電子，C原子除了可以sp3雜化軌道形成單鍵外，還能以sp2及sp雜化軌道形成穩(wěn)定的雙鍵和叁鍵，可以和各種原子形成共價鍵，從而形成許許多多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)完全不同的物質(zhì)。為什么？炭素材料的特征——全吸光、絕熱和超導炭素材料熱解石墨材料：具有高度的各向異性，它沿層面的導熱率與銅相似，垂直于層面的絕熱性與陶瓷相似，同時有較強的抗氧化、抗侵蝕、耐磨等性能。可以應用在提煉高純金屬，電子工業(yè)及現(xiàn)代科學上的特殊材料。美國賴斯大學的科學家制造出了世界上最黑的材料。他們用碳納米管織出了一片毯子，僅反射0.045%的光線，這大約是以前紀錄的四分之一。該材料比漆成黑色的雪佛蘭Corvette跑車要黑100倍。此前最黑的材料是倫敦科學家制造的一種鎳磷合金，大約反射0.16%的光線。富勒碳化物是用于電容器、裝甲附甲和武器系統(tǒng)中的一種超導材料。炭素材料的特征第一章：概述第二章：炭素材料制備的主要原料第三章：普通炭素材料制備方法第四章：特種炭材料制備舉例

炭/炭復合材料活性炭材料炭纖維

《炭素材料》課程學習內(nèi)容第一章概述1.1炭素材料學相關(guān)概念1.2關(guān)于碳與炭1.3炭素（原）材料的物理化學性質(zhì)表征1.4炭素制品的分類1.5幾種特殊炭材料1）炭素材料學定義：

研究炭素原料和炭素制品的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)工藝和使用能效，以及它們之間的關(guān)系的學科。2）炭素材料學發(fā)展簡史：

19世紀：伴隨著炭素制品的大規(guī)模生產(chǎn)的需要而逐步形成。

20世紀：各種炭素新材料不斷涌現(xiàn)，用途越來越廣泛，品種越來越多，炭素制品的工業(yè)規(guī)模也相應擴大，逐漸形成一個獨立的工業(yè)部門。原因：①導電材料和耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料；②炭素材料的特殊性能（首先被選中作為煉鐵爐的內(nèi)襯及電冶煉的導電材料）1.1炭素材料學（ScienceofCarbonMaterial）相關(guān)概念3）炭素材料定義：

就是以碳元素為主體構(gòu)成的材料。4）炭素材料的三大常用基礎晶型態(tài)物質(zhì)：金剛石石墨過渡態(tài)炭（無定型炭）

炭素材料常用晶型（焦煤）炭、炭黑、玻璃炭1.1炭素材料學（ScienceofCarbonMaterial）相關(guān)概念

自然界分布很廣，是地球上形成化合物最多的元素

自然界中碳的資源以兩種類型存在，一種是循環(huán)性資源，即由植物和動物所代表的生物和CO2；另一種是循環(huán)速度很慢，但數(shù)量極大的堆積物，如碳酸鹽礦物和有機質(zhì)堆積物。原子量為12.01，原子序數(shù)為6，元素符號為C，電子分布狀態(tài)為：1S22S22P2。

1.2關(guān)于碳與炭1.2.1自然界中的碳

在水和大氣中主要以CO2、碳酸和碳酸鹽的形式存在——碳在自然界中存在的形式1.2.1自然界中的碳

——碳在自然界中存在的形式碳酸鹽1.2.1自然界中的碳煤1.2.1自然界中的碳天然石墨礦天然金剛石礦1.2.1自然界中的碳

天然氣（碳氫化合物）石油（碳氫化合物）1.2.1自然界中的碳動植物體中的脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉和纖維素1.2.1自然界中的碳存在著眾多同素異形體。如金剛石和石墨，前些年發(fā)現(xiàn)的卡賓（碳賓、碳烯），以C60為代表的富勒烯和碳納米管等以及最新發(fā)現(xiàn)的石墨烯(Graphene)。石墨稀富勒稀碳納米管石墨金剛石1.2.2碳元素的特點自然界中的炭，不管是哪種形式，均可理解為是有機物經(jīng)熱解反應的生成物。

有機物（不管是氣體、液體還是固體）只要在隔絕氧的條件下，在有熱的作用下，就可以從烴類化合物中生成炭。——炭化

炭化將使碳氫化合物中的碳保留下來，而氫和其它元素通過受熱分解被排除逸出。

煤含碳為60～90％，木材含碳約50％，石油含碳為80～90％，天然石墨含碳近100％1.2.3炭的生成過程——由“碳”變?yōu)椤疤俊蔽镔|(zhì)世界是由一百多種元素，以不同形態(tài)和不同化合物、混合物或單質(zhì)組成。在自然界里，單質(zhì)碳有三種常見的變體：金剛石、石墨及無定形炭。三種碳的同素異構(gòu)體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.2.4炭的存在形式——金剛石和石墨是結(jié)晶形體，無定形炭是非結(jié)晶形體，它們都是炭的同素異構(gòu)體。——碳的三種常見不同形態(tài)的同素異構(gòu)體和它們形成時所經(jīng)受的壓力與溫度有密切關(guān)系，由于形成的壓力與溫度不同，同樣的碳元素，可以生成不同形態(tài)和不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，而且在一定條件下又可以轉(zhuǎn)化。例如：一些無定形炭在加熱到2000℃以上的高溫，就可以轉(zhuǎn)化為石墨，而石墨在極高的壓力和高溫下或通過金屬觸媒，又可以生成金剛石。——金剛石、石墨和無定形炭這三種同素異構(gòu)體，由于它們在物理化學性質(zhì)上存在著許多差異，且所有從煤、石油產(chǎn)品及其他有機化合物制取的炭素材料，在石墨化前，大多是無定形炭。——金剛石結(jié)構(gòu)：碳原子之間以sp3方式鍵合，每一個碳原子與相鄰的4個碳原子相連，即碳原子的配位數(shù)為4。每一個碳原子處于一個四面體的中心，與之相鄰的碳原子則處于四面體的是個頂點之上。金剛石有天然和人造兩類，從晶體結(jié)構(gòu)看，有四方晶和六方晶之分。金剛石的外觀無色透明，通常因所含雜質(zhì)元素的不同而呈淡黃色、天蘭色、蘭色或紅色，有強烈的光澤。它的晶體外觀十分規(guī)整。金剛石在所有物質(zhì)中是最硬的，可用于制造鉆頭等。金剛石的炭原子所有的價電子彼此互相共享完全形成共價鍵而無自由電子，所以它幾乎不導電，導熱性能也很差，但他的析光率很高，經(jīng)琢磨可制成鉆石。現(xiàn)在金剛石已能人工制造，但多為0.1～1毫米的小顆粒級。

1.2.4炭的存在形式——人造金剛石的制備

1、千巴：壓力單位，1千巴等于987大氣壓。2、金屬觸媒：石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的觸媒可分為平制觸媒和全金觸媒兩種。目前所用的單質(zhì)觸媒是元素周期表中第Ⅷ族元素和Mn、Ta、CY合金觸媒；Ni—CY；Ni—Fe；Ni—Mn；Fe一Ai；Ni—Co；Ni—CY—Fe；Ni—CY—Mn；Co一Cu—Mn等。

——石墨結(jié)構(gòu)：石墨中的碳原子是成層排列的，同一層內(nèi)的每一個碳原子用3個電子跟相鄰的3個碳原子以共價單鍵結(jié)合，鍵長都是0.142納米。這些碳原子排列成平面的六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，很多碳原子組成相互平行的平面，使整個晶體構(gòu)成片層結(jié)構(gòu)，不同層之間的距離是0.335納米。層和層之間相鄰碳原子以范德華力相連。因此石墨片層之間容易滑動，石墨晶體容易裂成鱗狀薄片。碳原子中的第四個電子形成比較復雜的鍵，所以，石墨能導電、導熱。

1.2.4炭的存在形式——石墨的特性石墨具有比某些金屬還要高的熱、電傳導性，同時具有遠比金屬為低的熱膨脹系數(shù)、很高的熔點和化學穩(wěn)定性。石墨在非氧化性介質(zhì)中是化學惰性的，具有很好的耐腐蝕性，除強酸和強氧化性介質(zhì)外，石墨不受其他酸、堿、鹽的腐蝕，不與任何有機化合物起反應。石墨又是一種能耐高溫的材料。鎢是已知金屬材料中熔點最高的，熔點達3410℃，但石墨在此溫度下，如果在還原性氣氛中，是不會熔化的，只是在3900℃(常壓下)時升華為氣體。石墨還具有良好的抗熱震性能，2000℃時其強度反而較常溫時提高一倍。石墨具有很好的自潤滑性能，可以在忌油的場合作為抗磨潤滑材料使用。石墨的弱點是抗氧化性能差，隨著溫度的提高，氧化速度加劇。——石墨的分類

石墨天然石墨人造石墨鱗片石墨土狀石墨顆粒外形為鱗片狀，外觀呈銀灰色，有閃閃光澤，手摸有滑膩感，并留有深灰色痕跡

顆粒外形為土粒狀，呈深灰色，手摸有較少滑膩感

天然石墨一般含有較多雜質(zhì)，較好的天然石墨含炭量可達到90％左右。但大多數(shù)低于此值。人造石墨純度要高得多，一般含炭量可達99％以上。——無定型炭（煤炭和焦炭）煤炭是泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤等的統(tǒng)稱。煤炭是幾百萬年以前的古代植物在地殼變動時被埋在地下，受到一定的溫度壓力炭化而形成的。各種煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，無煙煤炭化程度較高。焦炭是煙煤(煉焦煤)或某些含炭量高的物質(zhì)(如石油、瀝青或渣油、煤瀝青等)在高溫下，基本隔絕空氣加熱使之焦化的產(chǎn)物。1.2.4炭的存在形式——煤炭和焦炭的性質(zhì)差別焦炭具有一些和一般煤炭不同的理化性質(zhì)，如強度大、耐磨、含炭量高，多數(shù)焦炭在2000℃以上高溫處理后都能轉(zhuǎn)化為石墨。各種不同品種的煤炭(或焦炭)其理化性質(zhì)相差很大，這種差別與各種煤炭(或焦炭)的初始原料的種類炭化過程或熱處理溫度及雜物含量有直接關(guān)系。炭化程度越低(或熱處理溫度越低)或雜質(zhì)含量越高，則煤炭(或焦炭)的導電性、導熱性、化學穩(wěn)定性就差。測定煤炭(或焦炭)中元素炭的含量及揮發(fā)物的含量可以間接了解各種煤炭(或焦炭)的炭化程度(或熱處理溫度)。煤炭和焦炭的主要成份是元素碳。實際上它們是由碳、氫、氧三種元素為主體，并以芳香烴縮合環(huán)為基本單元所構(gòu)成的一種非常復雜的高分子有機化合物。煤炭中氧與氫元素的含量與炭化程度成反比。炭化程度越高，則氧與氫的含量越少，煤炭中的其它元素含量比氧與氫還要少得多。物理化學性質(zhì)物理性質(zhì)化學性質(zhì)真比重與假比重孔率（孔隙度）和結(jié)構(gòu)性質(zhì)

力學性質(zhì)導電性質(zhì)熱學性質(zhì)灰份含量

炭和石墨的氧化反應

炭和金屬、金屬氧化物的反應

1.3炭的物理化學性質(zhì)(1)炭質(zhì)材料的氧化反應炭質(zhì)材料在低溫下是極為惰性，但隨著溫度的提高，其化學活性將急劇增加。炭質(zhì)材料大約是從350℃開始氧化，而石墨的氧化大約在600℃左右。各種炭和石墨材料開始氧化的溫度，會因原料的性質(zhì)、礦物質(zhì)的含量和熱處理溫度而略有不同。在炭質(zhì)材料氧化過程中，晶體的完善程度和孔率孔徑的大小固然是影響其氧化速度的主要因素，但各種炭質(zhì)材料的雜質(zhì)含量的多少也是一個不可忽視的因素，這是因為許多元素如Fe、Co、Ni、Cu、Mn等在碳的氧化過程中，都會不同程度的起加速氧化過程。1.3炭的物理化學性質(zhì)——氧化反應(2)炭質(zhì)材料和氧化劑的作用炭和石墨與金屬等其它物質(zhì)相比，其耐腐蝕性是非常強的，在常溫下碳和石墨在酸、堿或鹽的水溶液中幾乎是不被侵蝕的，但是，它在較強的氧化劑溶液中，還是可以被氧化的。石墨在強的氧化劑中（濃硫酸、濃硝酸與氯酸鉀等）氧化時，炭的層狀結(jié)構(gòu)雖不受破壞，但在炭網(wǎng)的平面間，由于氧的侵入并與之結(jié)合，使晶體膨脹，生成了氧化石墨的層間化合物。這種層間化合物的插入將導致石墨沿與層面垂直的方向膨脹。這種膨脹是不規(guī)則的，因而在石墨晶體中產(chǎn)生內(nèi)應力，使石墨沿解理面崩解。這種崩解現(xiàn)象在結(jié)晶較好的石墨材料中特別顯著，而在未經(jīng)石墨化的碳素制品中這種晶解現(xiàn)象并不顯著。膨脹石墨制備方法膨脹石墨的主要用途：是一種性能優(yōu)良的吸附劑，尤其是它具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，對有機化合物具有強大的吸附能力。1g膨脹石墨可吸附80g石油，于是膨脹石墨就被設計成各種工業(yè)油脂和工業(yè)油料的吸附劑。

1.3炭的物理化學性質(zhì)——氧化反應許多金屬在高溫下能與碳反應生成碳化物。金屬氧化物則先在高溫下被還原，然后生成碳化物（見表）開始起反應的溫度高低，除了金屬（氧化物）的物理化學性質(zhì)外，還視反應物的顆粒大小而言，細磨的粉末相互混合，則在較低的溫度下就開始反應。1.3炭的物理化學性質(zhì)——炭和金屬及金屬氧化物的反應——主要特征

(1)耐高溫，具有較高的熔點；

(2)較低的熱膨脹系數(shù)，具有較強的抗熱震性；

(3)唯一具有良好導電性和導熱性的非金屬材料；

(4)化學穩(wěn)定性好，在大部分非氧化性的酸、堿、鹽溶液和氣體中不受腐蝕；

(5)具有較好的潤滑性能，可以用來生產(chǎn)石墨耐磨制品。1.4炭素制品的特征與分類——分類

炭素制品炭糊類

炭塊類

石墨制品類

特種石墨制品類其他類電極糊（THD）

密閉糊（THM）

密封糊（THC）

細縫糊（THX）

陽極糊（THY）

鋁用炭塊（TKL）

高爐炭塊（TKG）

炭陽極（TY）炭電阻棒炭電極

普通石墨電極SDP特制石墨電極SDT高功率石墨電極SDG石墨塊SK

抗氧化涂層石墨電極SDC

核石墨（TSH）

高純石墨（TSC）

細結(jié)構(gòu)石墨（TSX）

電刷類

機械用炭石墨

1.4炭素制品的特征與分類1）炭糊類是炭材料中的一個重要品種。它可分為兩大類，一類是作筑炭磚時的填料；另一類是用作導電材料。●周圍糊：砌筑鋁電解槽時，用于鋪爐底及填充電解槽四周底部炭塊與槽殼之間的大縫。●炭間糊：用來填塞鋁電解槽的底部炭塊間的側(cè)面間縫。●鋼棒糊：用來填塞電解槽底部炭塊雙溝槽和鋼棒間的縫隙。●冷搗糊：不需經(jīng)過加熱，可在常溫下直接代替周圍糊和炭間糊用于電解槽底部、周圍及炭塊間的扎固。●碳膠泥：用來填塞電解槽用側(cè)塊間的較小縫隙或在砌筑爐塊時用來堵塞炭塊間的小縫隙。●電極糊：用于鐵合金爐、電鍛爐、電石爐等電爐的導電材料，屬于消耗性導電材料。●陽極糊：是鋁電解槽作為自焙導電陽極使用的導電材料而且參與電化學反應。2）炭塊類（1）鋁電解用陰極炭塊普通炭塊、半石墨質(zhì)炭塊、半石墨化炭塊、石墨化炭塊（2）鋁電解用陽極炭塊（3）高爐炭塊高爐炭塊作為耐火材料在煉鐵高爐上使用已經(jīng)有70多年的歷史了。以前，中小型煉鐵高爐是用耐火磚砌筑內(nèi)襯的。缺點：使用壽命短（一般只能用五年左右）。在煉鐵高爐大型化以后，為了提高冶煉強度，向爐內(nèi)噴射重油或煤粉，并且提高了鼓入風的壓力和溫度。這樣使整個爐內(nèi)的溫度較高，在爐身下部金屬和鐵渣的熔融物不斷向下流，沖刷和侵蝕爐襯，耐火磚抵抗不了這樣的沖刷和侵蝕，使得爐內(nèi)襯壽命較短。在爐底、爐缸和爐腹都改用炭塊砌鑄爐內(nèi)襯以后，由于炭塊對鐵水和熔融爐渣的耐侵蝕性好，耐高溫并在高溫時強度較大，從而大大延長了爐襯的使用壽命。一般煉鐵高爐的壽命可達10年以上。3）石墨制品類石墨制品類包括石墨電極、石墨陽極、石墨塊以及國防工業(yè)和電子工業(yè)所用的特種石墨，如核石墨、高純石墨，細結(jié)構(gòu)石墨與高純高密石墨等。石墨制品的共同點：含碳量高，在99％以上；含灰分低，在0.5％以下；導電性能好；熔點高；高溫強度大；導熱系數(shù)高；熱膨脹系數(shù)小；彈性模量小；抗熱震性好；抗氧化溫度高；耐腐蝕性能好等。

4）特種炭素制品特種炭素制品包括：炭素纖維、活性炭、熱解炭和熱解石墨、玻璃炭等。（1）炭素纖維炭纖維就是纖維狀的炭，是由許多含碳量高的人造纖維或合成纖維在特定的工藝條件下制成的。炭纖維是一種“細如蛛絲，強賽鋼鐵”的新型工程材料，它具有普通炭石墨材料的物理化學性能，同時又具有一般纖維材料的柔軟性和很高的抗拉強度，能夠用它進行編織和纏繞。炭纖維最可貴的性質(zhì)是質(zhì)量輕、強度和模量大，具有比鋼和鋁合金高得多的比強度和比模量，高模量炭纖維的抗變形能力要比普通鋼材大兩倍多。（2）活性炭活性炭是一種多孔炭材料，它是由含碳物質(zhì)（如木材、植物殼和煤炭等）經(jīng)過炭化和活化等工序制成的一種具有活性的無定形炭。它具有很高的孔隙率和很強的吸附能力，可用來純化液體和氣體，如用于醫(yī)藥、脫色、凈化、提純、精制以及廢水廢氣的處理。活性炭的性質(zhì)取決于原料的種類、制造方法和灰分的含量等。目前，常用的活化方法有兩種：水蒸氣活化法和藥品活化法（主要采用ZnCl2）。產(chǎn)品活性炭有顆粒狀和粉末狀兩種。（3）熱解炭和熱解石墨性能：熱解炭和熱解石墨是一種耐高溫、耐腐蝕、耐磨的工程材料，導熱系數(shù)也比普通石墨大數(shù)倍，抗氧化及耐腐蝕能力都比普通石墨好得多。熱解炭和熱解石墨非常致密，透氣性很低，純度高。熱解炭和熱解石墨的另一特點是高度的各向異性，沿平行層面方向?qū)崮芰膳c銅媲美，而垂直層面方向則與陶瓷類似，屬絕熱體，上述兩方向的比電阻可以相差1000倍。用途：熱解炭和熱解石墨的用途非常廣