碳材料科学-知识点总结

1、炭材料的多样性？（广义和狭义定义）

广义上看：金刚石、石墨、咔宾都属于炭材料，这是一个广义的定义，但由于金刚石和咔宾在自然界存在非常少，结构也单一，不像石墨那样具有众多的过渡态中间结构（如焦炭、CF煤炭、炭黑、木炭等）。

狭义上看：炭材料一般是指类石墨材料，即以 SP 杂化轨道为主构成的炭材料，从无定形炭到石墨晶体的所有中间结构物质（过渡态碳），它是由有机化合物炭化制得的人造炭。

补充：新型炭材料：

根据使用的目的，通过原料和工艺的改变，控制所得材料的功能，开发出新

用途的炭及其复合材料。大谷杉郎认为：新型炭材料可大致分为三类。

一是强度在100MPS以上，模量在10GPa以上使用时不必后加工的方法制得的新型炭成型物；二是以炭为主要构成要素，与树脂、陶瓷、金属等组成的各种复合材料；三是基本上利用炭结构的特征，由炭或炭化物形成的各种功能材料。

2、炭材料的基本性质？

和金属一样具有导电性、导热性；和陶瓷一样耐热、耐腐蚀；和有机高分子一样质量轻，分子结构多样；

另外，还具有比模量、比强度高，震动衰减率小，以及生体适应性好，具滑动性和减速中子等性能。这些都是三大固体材料金属、陶瓷和高分子材料所不具备的。因此，炭及其复合材料被认为是人类必须的第四类原材料。

3、炭材料科学的主要研究内容？

研究自然界中（广义）一切增炭化（富碳）物质的形成过程机理，特别是着重于它（包括原料经历部分炭化的中间产物）多层次的微观结构的形成，以及此结构在外界条件（如温度、压力）影响下的转变。此外，炭科学还研究炭集合体的各种物理与化学性质。

核心内容：自有机物前驱体出发，通过热处理使有机物转化成具有可被控制的微晶排列的炭固体，这一知识乃是炭材料科学的最核心部分。

有机原料中间状态丨终炭材料：1形成过程（机理）2、各过程中物质的结构与性质（化学、物理）3、外界条件与材料结构性能的关系；

第一部分碳的结构与性能

1、碳的结晶形式有哪些，阐述其结构与性能的关系？

结晶形式：金刚石、石墨、咔宾、富勒烯

金刚石：SP3杂化轨道，四个等同c共价键，具饱和性和方向性面心立方晶体特征：1）硬而脆；2）碳中密度最大（3.52g/cm3）; 3） 1800 E以上转换为石墨；

4）电绝缘体和热良导体；5）具四个等同轨道，如果与氢、碳结合就形成典型的脂肪族化合物。

石墨：SP2杂化轨道，2S2Px2Py三个在同一平面内互为120C角的三个等价的c 键，剩余的2Pz轨道与c键所在的平面垂直形成n键；n电子属非定域电子，在受到外电磁场作用时可在六元环网上自由运动，形成金属键；n键较弱，易发生断裂；

特性：1）不熔融和极高的化学稳定性，a面内抗拉强度极高；2）导电导热性好；黑色；3）解离性和自润滑性，易形成层间化合物；4）各向异性。

咔宾：SP杂化轨道，2个c键，2个n键；两种类型：B累积烯烃=C=C=C= a聚炔-

C=C-C=C-;线状，单元链长10-12C原子，六方晶体；树脂状组织，白色，白碳

特性：具有半导体及超导体性质；生物相容性好；由a聚炔出发易于转化为金刚石。

富勒烯：当SP2杂化轨道形成的六圆环在一起形成某些五圆环时，它就不再呈平面状而是呈现球状笼形结构；C60 20个六元环、12个五元环，当六元环增加时，

则可形成更大的球形分子；最大到 C96Q

特性：C60为球形分子，可以在有机溶剂中溶解；相等的化学环境，芳香性；C60 直径7.1A，分子晶体，有机与无机的交叉点。

2、碳的相图及其相互转化？

金刚石和石墨的形成及转化条件：C(diama nd)

C(graphite) △ H=-2.1KJ/mol 石墨低压稳定相、金刚石高压稳定相

A :石墨催化转化为金刚石的区域

B:石墨自发快速转化为金刚石的区域

C:金刚石自发快速转化为石墨的区域

D:石墨自发缓慢转化为金刚石的区域

T1: 4100K P1: 12GPa

T2: 4020 ± 50K

P2: 12.25 ± 1.47MPa

3、概念:

炭化，石墨化，可石墨化炭，不可石墨化炭，石墨化性炭，非石墨化性炭

1)Carbonization ( 炭化)

is a process of formatio n of material with in creas ing carb on content from orga nic material, usually by pyrolysis, ending with an almost pure carb on residue at temp. up to 1600K.

2)Graphitizati on (石墨化)

non-graphitic carbon into graphite by thermal activation. The degree of graphitization depends upon the temp. of the heat treatment and the time

Is a solid state tran sformatio n of thermod yn amically un stable

allowed to anneal structure.

3)Non-graphitizable Carbon (不可石墨化炭)

are those which cannot be transformed into graphitic carbon solely by heat treatment up to 3300K under atmospheric or lower pressure.

4)Graphitizable Carbon ( 可石墨化炭 )

are those which can be transformed into graphitic carbon by heat treatment up to 3300K under atmospheric or lower pressure.

5)Non-graphitic Carbon (非石墨质炭)

are all varieties of substance consisting mainly of the element carbon with two dimensional long range order of the carbon atoms in plannar hexagonal networks, but without any measurable crystallographitic order in the third direction (c-direction) apart from more or less parallel stacking.Many non-graphitic carbon can be converted into graphitic carbons by heat treatment to about 2500K. Such conversion is called graphitization.

6)Graphitic Carbon (石墨质炭)

are all varieties of substance consisting of the element carbon in the allotropic form of graphite irrespective of the presence of structural defects.

4、石墨化度的表征？

石墨化程度的表征 /石墨化度： XRD: d002 La Lc Maire and Mering

d002=3.354g+3.440(1-g) g=0-1 g=(3.440- d002)/(3.440-3.354)

L(hki)=k X / B cos 0

5、炭材料具有优良抗热震性能的原因？

材料在高温下使用并且经受温度剧变而不破坏的性能，又称耐急冷急热性和热稳定性。

（ 1 ）温度急变导致材料破坏的原因：热传导的滞后性，表面和内部产生温度梯度

（ 2 ）炭材料具有优良抗热震性能的原因

A、热导率入值大和线膨胀系数a l值小；

B、模量E值小，缓解热应力的效果好；

C提高材料的抗拉或抗切强度有利于改善抗热震性。

6、炭材料热膨胀的特点？

A、a比金属材料小得多；

B、易石墨化炭材料的线膨胀系数随石墨化度提高而减小，难石墨化炭材料则相反度提高而减小，难石墨化炭材料则相反；C炭材料

的线膨胀系数具有各向异性a方向：＜4000，变化很小，常温达到极小，随后增大，8000 1x10-6/K c 方向：为正值，（25-30） 10-6/K。

7、炭材料导电的特点？

A、电阻率具有明显的各向异性；

B、石墨化程度高则电阻率小；

C、电阻温度系数不同炭材料的电阻率和电阻温度系数不同，有的随温度升高而减小，有的则增大。在一定温度下的导电性是在此温度下材料内自由电子热激发和晶格点阵热振动的综合反映。

8、影响炭材料力学性能（强度和模量）的因素，如何提高 CF的力学性能？

基本结构特征： 1）多晶多层结构； 2）宏观组织特征是含有气孔。因此，炭材料的力学性能受到气孔率、孔径分布、组织缺陷、晶粒大小、石墨化度等因素的影响。

提高CF强度的主要措施：细晶化和减少缺陷。

9、炭与过渡金属的反应类型？

1）1 B U B （以Cu,Zn为代表，d ）,不与碳反应；

2）W B族（Fe,Co,Ni为代表，d层6-10电子），催化熔解碳，形成固溶体；

3）W B-VD B族（Ti,Cr,Mn为代表，d层2-5电子），与碳共价形成碳化物。

第二部分有机物成炭的途径

1、炭化的概念及包含哪些类型？

有机化合物的炭化途径： 1）气相炭化； 2）液相炭化—中间相理论与应用 3）固相炭化与多相炭化。

2、炭化反应的实质？

3、有机物热解的一般规律？

4、气相炭化的定义及包含哪些内容？定义：考察一切气态原料转化成固体碳的过程，即挥发先于热解的化合物、碳原子数在20个以下的链烷烃、烯烃或芳烃化合物，通常具有 200E以下的沸点，在通常情况下于气相中进行炭化。

主要包括： 1）气态烃高温下在惰性固体表面的沉炭反应； 2）烃类在无氧和有氧热解条件下气相成核和多分散炭黑的形成； 3）在活性金属质点存在下气态烃类经催化分解而生成纤维状炭。

4、低碳烃的热解反应规律及其化学反应类型？

低碳烃的热解反应规律：

a 链烷烃：CnH2n+2——CnH2n + H2 ; CnH2n+2——Cn-xH2n-2x+2 + CxH2x

b烯烃：在中温压力（＜500 °C,50atm ）下，烯烃的热反应以聚合为主，高分子

量烯烃也发生解聚反应。乙烯一-初期产物（甲烷、乙炔、丙烯、 1-丁烯和丁二烯等）一-终产物（环烯烃和芳烃化合物）

c 环烷烃：主要发生脱氢反应形成芳烃

e无取代芳烃：主要导致生成联芳基（联苯、联萘等）

f取代芳烃：烷基取代芳烃在热解时化学键的碎裂发生在侧链上C a-C B、Q -C Y、

C芳-C a键，生成二芳基甲烷、二芳基乙烷、烷基联苯等，进一步的热缩聚导致生成大尺寸多环芳烃或齐聚多核联芳基。

热解中发生的化学反应： a 脱氢反应 b D-A 反应 c 自由基反应 d 重排反应

5、热解炭的类型及其形成机理？

1）高温热解炭（High temperature pyrocarbo ns） :甲烷在高于2000°C、减压（2KPa下热解制备的一种层状织构（Laminar Texture ）炭材料。（热解石墨（Pyrographite or HOPG）: 是一种高温热解炭）

2）低温热解炭（Low temperature pyrocarbo ns ）:气体在1000 C左右热解通过CVD、 CVI（ Chemical vapor infiltration ）方法沉积固体表面或浸渗固体内部，

达到增加基体材料密度的目的。（主要用来增密纤维预成型体、孔状石墨和炭颗粒制品）

6、制备高密度热解炭的工艺要求？

1）低温和极低的压力（7x102Pa）; 2）等温；3）低原料气体浓度，以惰性气体稀释以降

低原料浓度； 4）添加氢气以抑制热解反应。

7、炭黑的结构特点及形成机理？结构特点：依制备方法各异，炭层平行于球的表面排列，属于无定型结构炭，石墨片层大小、缺陷、杂原子含量、表面官能团、键弯曲程度等均不同。

形成机理：a）无氧热解体系中炭黑的形成：通过气相中液滴的形成和进一步的炭化。初始烃高温热解形成主要由多环芳烃构成的大分子，随着反应时间的延长，大分子的蒸气分压逐渐提高，直至达到饱和蒸气压，此时凝结成液滴。多环芳烃大分子继续生成，冷凝到初生成的液滴上，使之长大。液滴继续发生高温炭化反应，转成固态。b）火焰中炭黑的形成：反应机制十分复杂，在很高温度下进行，反应速率快，炭黑生成的理论尚处于发展和完善中。第一扩散火焰Tmax=1300C: 燃料和氧的接触是借

助于环境中的氧经扩散进入火焰，燃料热解、聚合导致由多环芳烃构成的液滴，液滴经进一步长大、炭化得到炭黑。第二予混合火焰

Tmax=1400-1800C :最高温度可达1800C，反应速度快，瞬间就生成大量不稳定的自由基，存在寿命仅百分之几到千分之几秒，极难检测。予混合火焰中炭黑的形成机理，目前仅处于研究和继续阐明之中。

9、炭黑结构与富勒洋葱结构的差异？

10、气相生成炭纤维的结构及性能？与纳米炭管的不同之处？

气相生长炭纤维（Vapor-grown carbon fibers, VGCF是通过碳氢化合物

（如乙炔、苯、天然气等）在超微金属催化剂（如:铁、钴、镍或它们的合金）的作用下高温裂解而生成的纤维（常为空心纤维）；直径一般为几纳米至十几微米，长度为几微米至几十厘米。直线型 VGCF分枝型VGCF弯曲型VGCFVGCF 螺旋型 VGC、F 竹节型和串珠型 VGCF

VGCF性能特点：1）长径比大，1000-10000; 2）视密度低，0.01-0.04g/cm3，在基体中具有很好的分散性；3）力学性能高（拉伸强度为4-6Gpa,杨氏模量为 600-800GPa ），具有很好的柔韧性；4）良好的化学和热稳定性（耐温500-700 C）；

5）高度可石墨化性，导致其在电和热的传导以及抗氧化等方面具有独特性能。

11、液相炭化的概念？

热解先于挥发的液体或高温下熔融的固体烃类有机物在惰性气氛中热解时，

一般经历液相炭化成炭，其温度范围一般在 350-550 C,主要对象为重质稠环芳烃，如沥青、渣油、蒽、萘等的热解。

12、液相炭化中发生的化学反应？

A）氢转移反应：由电子迁移引起的离子化反应即芳烃间相互作用所诱发的氢转移，氢阴离子向电子迁移后具有正电荷的芳核转移所需要的能量更低。

B）自由基反应：是液相炭化中最主要的反应。分两阶段进行：通过化学电子转移产生一自由基离子一(T自由基。它极不稳定，反应性强，寿命短；稳定的n自由基缩聚

物在反应的第二阶段形成，由于离域性，被共振稳定化，可由ESR测定。

C)增环反应

1)自正丁基转变为菲(分子内缩合)

2)Elbs 反应(分子内缩合)

3)-CH2-CH2-(分子内缩合)

4)D-A 反应(分子间缩合)

5)芳核脱氢缩聚(分子间通过芳核缩合)

6)重排反应

13、共振能、自由价和电离势的物理意义及在表征芳烃反应性方面的特点？

共振能：共振论法和分子轨道法是对有机体系中共轭分子和芳香分子中的n 电子的本性作出的质和量的处理。当芳香环数一定时，环的配置能够产生出最多共轭苯型环单元者最为稳定。一般地说、随着芳香环数的增多，芳香体系的共振能增加，其稳定性增加。缺点：共振能从离域的角度表征分子的能量特征或热力学性能，其值与分子体积的关系比较直接，掩盖了分子中各个点位的化学活性差别；

电离势：Huckel关系式ip=4.39+0.857入p；热活性芳烃(ip<7.10ev )、热惰性芳烃 (ip>7.10ev)

限制性：电离势则适用于化学键的异裂即离子化反应的情况。

自由价( Fr )：是对碳原子的剩余的未使用的键合能力的一个量度。 Fr=Nmax-

N(( Nmax是与原子r的化学性质和杂化状态有关的常数，Nr是将原子 r 与分子中其余原子相联的所有化学键的键序之和。 Fr(max): 自由价最大值， Fr(max)>0.53 活性质点 Fr(max)<0.53 惰性质点。

限制性：自由价最大值由于能够表征和区分分子中各个点位的化学活性，因此常被用于同多环芳烃的热反应性相关联。

14、中间相的形成过程？

A)沥青类有机化合物在中温(350-550 C)惰性气氛中进行热处理时，经过热解，脱氢和缩聚等一系列化学反应逐步形成分子量大，平面度较高，热力学稳定的缩合稠环芳烃；

B）

在表面张力（或分子间作用力）的作用下定向排列，为使表面能最小，自组装生成直径为1~100卩m的光学各向异性球状聚集体（它是沥青类有机化合物由液态向固体炭（焦炭）过渡转化时的中间液晶状态，故被称作碳质中间相（ Carbonaceous Mesophase 或碳质液晶（Carbonaceous Liquid Crystal）。

C）微球在进一步热处理时逐渐长大融并成为沥青整体中间相，它作为高性能中间相沥青基炭纤维和高级粘接剂的原料已获得广泛研究和应用。

15、中间相的结构模型（物理和化学模型）？

物理模型：地球仪模型（ Brooks-Taylor 模型）、同心球壳型（洋葱型、 K J Huttinger ）、扁圆片型（ Lewis, Kovac 和今村键）

16、液晶的类型及中间相液晶的特点？

液晶类型：近晶型（Semectic）、向列型（Nematic）、胆甾型（Cholesteric）中间相向列液晶的类型： 1）化学变型液晶（Chemotropic）；2）热变型液晶（Thermotropic）；3）溶变型液晶（Lyotropic）；4）Discotic 结构（同质多晶相）

17、中间相的光学显微形态？

1）光学各向异性； 2）多色性：石膏色检板中的光振动方向与晶体中异常光振动方向一致发生叠加现象 ,为兰色;相交时,发生相减现象 ,为黄色。

18 、中间相形成的主要条件？

形成中间相的主要条件： a 芳烃分子单元大小； b 分子的平面度； c 分子内

碳原子排列的连续性或完善性。？形成中间相的组份（mesogen应该具有：分子量高且分布狭窄、各向同性/各向异性转变温度稍高于软化点，芳香度高等特点。

19、原料芳烃结构与形成的中间相性能的关系？

要形成可塑性好、球体发育完整且缺陷较少的中间相，需要芳烃原料具有以下特点：a低固体杂质及杂原子含量；b芳香度高、缩合度低；c适宜的分子大小即环数； d 分子量分布狭窄，结构均匀，质量稳定； e 含有适量烷基侧链和环烷结构

20、反应条件对中间相形成的影响？

21、如何进行液相炭化反应分子设计？

22、制备高性能沥青基炭纤维对原料中间相沥青的要求？

1）具有适当的熔融温度和良好的低温可纺性； 2）一定的热稳定性； 3）较低温度下与氧的反应性； 4）高度发达的光学各向异性； 5）炭化收率高； 6）杂质及杂原子含量低。

23、加氢还原的目的，环烷结构对形成优质中间相的影响？加氢还原的目的：氢化处理后形成部分环烷结构，提高了沥青的流动性和可纺性。

3）环烷结构；作用：氢转移；宽的熔融温间。

24、固相炭化的定义及其特征？

固态的炭化反应物不经气相或液相而直接于固态发生分解和热缩聚反应，变成固态炭化生成物的过程，成为固相炭化。

特征 :1 ）原始固态物的形态和结构基本确定了最终炭的形态和结构； 2 ）由固相炭化一般得到无择优取向的难石墨化性炭前驱体，炭化条件难以改变原料炭的本性； 3 ）如果将炭化分子进行预处理，使之具有高度的择优取向，虽然其石墨化性本质不变，但反应后的芳构平面有时也会具有取向性，也可以经过固相反应得到易石墨化性炭。

25、沥青纤维和PAN原丝不熔化处理的差异，其反应有哪些？

PAN原丝不熔化处理（原丝的预氧化）：

目的在于使PAN 原丝分子环化脱氢，转化为耐热的梯形结构，变为不溶不熔 体，提高炭化收率。主要反应：*环化反应、*脱氢反应、*氧化还原反应。主 要因素有：温度、时间、气氛介质和牵伸程度等。牵伸：使 PAN 分子链沿轴向排 列，提高取向度，改善力学性能；

沥青纤维不熔化处理：

在制备CF 过程时,预氧化过程中纤维收缩使分子链的取向度降低，对纤维施 加张力可使CF 的强度和模量都得到提高。纤维的摸量随牵伸而增加，但纤维的 强度却受许多因素影响，过度牵伸反而造成纤维的裂纹和孔隙，导致

CF 强度的 下降 26、由固相炭化制备高定向石墨薄膜的三个先决条件？

_T —

1

OH

1）聚合物原料中单体分子具有高的平面度；

2）聚合物分子链沿膜表面的预定向度要尽可能高；

3）热解时只能释放出简单分子的气体，以不扰乱碳网层面的形成。

27、CF有哪些类型，各自性质如何？粘胶基CF: PAN基炭纤维：沥青纤维：由人造丝制得的CF （粘胶基CF的横截面积形状大多不规则，一般呈树叶状，表面沟槽十分清晰；粘胶基炭纤维的碱金属含量低（＜100ppm，而PAN-CF高达数千ppm另外，前灰分低、密度小、导热性差，更适合于作耐烧蚀材料，因为钠等碱金属不仅是碳氧化的催化剂，而且在相当低的温度下发生离子化并使烧蚀体周围空间的电子浓度急增，从而使追踪耐烧体的雷达截面积扩大并干扰微波通讯。因此，至今美国用于导弹等空间耐烧系统的 CF都是粘胶基CF例如，分导式多弹头MK-12A洲际导弹的C/C鼻锥使用的CF就是Thornal-50 。

第三部分炭的表面化学

1、炭的气化反应的本质及其一般规律？

表面反应的实质：1含有杂原子,如:H、O N、S、P等；2化学缺陷和晶体缺陷，如空穴、位错、边界、堆积缺陷等； 3 表面含有无机矿物质，可起催化作用。

炭气化反应的一般规律：* 随炭的制备温度的提高，其反应活性降低； * 比

表面积大的炭显示出高的反应性； * 同一炭中边缘碳原子具有较高的反应活性； * 含有矿物质的炭表现出强的反应活性。

2、降低气-炭反应的途径？降低气-炭反应的途径：降低开口气孔率，阻止气体向炭

表面的扩散；提高

炭的晶体度，降低反应可能发生的活性点；驱除可起催化作用的异物；表面引入原子或基团降低炭的反应性(又叫负催化剂，磷、卤素、硼等) ；表面涂以玻璃层，形成气体向炭扩散的阻挡层。

3、 CF进行表面处理的目的，与纤维的预氧化处理有何不同？

目的： CF 与基体树脂之间的界面结合是一个复杂的物理化学过程，两相之间结合主要靠三种力：化学键、范德华力和机械嵌合力。表面处理的目的在于提高界面结合力，进而提高复合材料的层间剪切强度 (Interlaminar shear strength, ILSS)。CF 表面的活性官能团及活性点与基体树脂的活性基团及其固化剂生成化学键，是两相界面粘接的主要力；两相界面层的范德华力比化学键力小得多，属于次价键力；机械嵌合基于基体树脂流入和填充 CF表面存在的微细孔隙和氧化刻蚀微斑，凸凹嵌合，固化后具有锚锭效应。

4、孔有几种类型，是如何定义的？

按照IUPAC(1985)的定义，孔分三种：微孔 micropores 宽度＜2nm ；中孔mesopores 宽度在 2-5Onm之间；大孑L macropores ＞50nm 的孔。按照孔的形状，又可分为： o. Openpore； c. Closed pore； t. Transport pore； b. Blind pore

5、吸附的不同类型？

物理吸附：吸附分子通过很弱的范德华力与表面结合，在吸附分子与表面之间无电荷转移。

化学吸附：吸附分子与表面足够远时，二者能级互不干扰。 I ＜①，吸附分子的价电子可转移到表面；A ＞①，电子可从表面转移到吸附分子；I ＞①＞ A，不会发生电子转移。两者之间形成化学键！

Amount adsorbed (mmol g )

厂

U,J iv T V vi

r

卩 /

Relative pressure (p/0>)——* F 址ure W.W +

['he BETchssilicuiion of adsorption isotherms.

6炭材料抗氧化处理的方法？各有哪些优缺点？

1) Active site poisoning :a )Halogen and halogen compounds; b)Phosphorus compo un ds;

c) Boron compo un ds.

2) Matrix inhibition in C/C composites: 炭化之前在基体中加入 Si 、B 或其 化合物微粒子，炭化后时形成流动的玻璃相，利于填孔和缺陷，提高抗氧化能力。

3) Barrier coatings Barrier coatings :基于高温氧化反应在表面进行的特点， 在炭材料

表面涂覆各种抗氧化涂层的方法。 对涂层材料的要求：(1)熔点高；(2)与炭基 体的热膨胀系数接近且化学相容性好；(3)良好的化学稳定性，不易挥发；(4)对 氧的扩散系huih^n

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数低。

第四部分和第五部分GIC 和炭科学最新进展

1、什么是石墨层间化合物，其显著特点有哪些？

Graphite Intercalation Compounds, GIC 是一种分子水平的复合材料，是用人工合成的方法使异类原子、分子或离子进入石墨层间而生成的新材料。

形态发生改变的同时，性能也增加了许多。

GIC 的结构特点： 1、可以合成范围非常广的阶结构不同的 GIC ，其多样性不但与插入物种类有关，而且与合成条件与原料石墨品质有关。 2 、阶结构不同，物理性能差别较大； 3 、阶结构：畴结构（ Domain structure ）、超晶格结构（Superlattice）——石墨碳原子在层面形成了由六圆环组成的六角碳网层面，客体插入后选择一定位置滞留，形成更大范围的规则排列。

2、了解现代炭科学的最新进展，对金刚石薄膜、富勒烯、碳纳米管、碳纳米葱及炭包覆金属晶体的制备、结构、性质及应用有初步了解。

（1）金刚石薄膜

制备： 1）高温高压： >1500K,4x103MPa

2）C VD和PVD法：基本原理：将碳氢化合物和大量氢气混合，在一定条件下激活分解，如果分解过程中产生的氢原子浸蚀石墨的速度大于浸蚀金刚石的速度，则可在基板材料表面逐步析出，形成多晶金刚石薄膜。

基于气体激活分解的方式，有以下两种基本制备方法： 1）高温热激活法（热

激活 CVD）

包括热丝法、激光加热法、电弧放电法等。2）电或电磁激活气体放电的方法（等离子激活CVD微波、射频放电、DC辉光放电等引发等离子体CVD

PVD法 :物理气相沉积法，如阴极溅射法、离子束溅射法、离子蒸气镀等。

结构：（111）晶面围成的八面体

性能： 1）硬度和弹性模量高，耐磨性好，摩擦系数小； 2）热导率高，热膨胀系数低；3）优良的透光和传声性能； 4）电绝缘体，但又可制成搀杂性半导体； 5）化学稳定性好。

应用：1）工具（刀具，钻头，磨具等）；2）散热片；3）透镜，透光膜，保护膜，防反射膜； 4）磁盘，磁头，轴承，传感器等； 5）音响设备； 6）保护膜（2）富勒烯制备： 1）石墨蒸发法：激光法、电弧法、太阳能聚焦加热法、电阻加热法；2）苯燃烧法

3）有机合成法

结构：富勒烯分子构造原则：a.球面由五元环和六元环构成；b.闭壳层电子结构原则； c. 芳香性原则； d. 表面张力对称分布原则； e. 五元环尽可能不相邻原则；f. 欧拉网闭合条件原则，即最少含有 12个五元环，六元环数目不受限制。

C60晶体结构可以是六方密堆积也可以是立方密堆积，但立方更稳定。性能：

1）一般性质： C60 为淡黄色固体，薄膜加厚时转成棕色，在有机溶剂中呈洋红。C70为红棕色固体，厚膜时为灰黑色，溶剂中为红葡萄酒色。C60密度1.65g/cm3，能在不裂解情况下升华。

2）超导性：经过适当的金属搀杂后的 C60表现出良好的导电性和超导性；

3）光学性质：

4）化学性质：C60和金属的反应（金属包含于 C60笼内部（La@C6（已发现一系列不同碳数的富勒烯可形成金属内包合物，如 k,Na,Cs,La,Ca,Ba,Sr,U,Y,Ce 等）；另一种为位于 C60球外表（V, Fe, Co, Ni, Cu,Rh,La 等））；和自由基的反应；亲核加成反应；亲电加成反应；配位化学；

氧化还原反应

5）热稳定性

应用：高温有机超导体和半导体；有机铁磁体；润滑剂；医学应用（药物设计）；催化剂；

（ 3）碳纳米管

制备：A、电弧放电法B、催化热解法（CVD C、激光蒸发法D微孔模板法结构：针状物是直径为4?30纳米，长约1微米，由2个到50个同心管构成，相邻同心管之间平均距离为 0.34 纳米

性能：

1）直径与长度D:几个一几十nm L: 几个一几十卩m

2）力学性能：拉伸模量，lOOOGPa左右；高度柔韧性；抗拉强度：理论分析，SWNT 的

拉伸强度在13-52GPa,平均30GPa左右；MWN由于较多的缺陷及拉伸过程中可能产生滑移，拉伸强度数据离散度大，不同样品差别也非常大。

3）电学性能：碳纳米管导电性十分有趣，它可具有很好的金属导电性（椅型碳管），也可具有半导体性。因此，它既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中，也可以被制成新一代的量子器件，将来可能代替硅芯片，引起计算机技术的革命。4）场发射性能：碳纳米管的顶端很锐，非常有利于电子的发射。它可用做电子发射源，用于冷发射电子枪和平板显示器等方面，推进壁挂电视的发展。

应用：

1 ）纳米技术

纳米制造技术扫描探针显微镜的探针、纳米类材料的模板、纳米泵、纳米管道、纳米钳、纳米齿轮和纳米机械的部件等

电子材料和器件纳米晶体管、纳米导线、分子开关、存储器、微电池电极等生物技术注射器、生物传感器等

医药胶囊等

2）宏观材料

化学纳米化学、纳米反应器、化学传感器等

复合材料增强树脂、金属、陶瓷和炭的复合材料、导电复合材料、电磁屏蔽和吸波材料等

电极材料锂离子电池、双电层电容器材料等

电子源场发射电子源、平板显示器、高压荧光灯等

能源气态或电化学储氢材料

化学催化剂及其载体，有机化学原料等（4）碳纳米葱及炭包覆金属晶体制备：电弧放电法；化学气相沉积法；热解法；液相浸渍法；含金属的炭干基凝胶爆炸法

结构：CEMNP是一种新型的碳/金属纳米复合材料，其中数层石墨片层紧密围绕

纳米金属颗粒有序排列，形成类洋葱结构，纳米金属粒子则处于洋葱的核心。

性能与应用：防环境降解（碳包覆的纳米金属颗粒可免于空气氧化，可以像常规金属块体一样使用）；

碳包覆的磁性纳米材料（碳层将磁性颗粒彼此隔离开来以避免贴近的磁单元间由于相互作用而产生一系列问题，并使磁颗粒具有抗氧化能力；在磁性数据存储、静电复印

术和磁性共振影象传输等领域都有着重要的应用）

碳包覆放射性材料（如果放射性核种能够被包覆在无缝的碳纳米颗粒中并且证实

核种可保持稳定的话，那将为核废料的处理提供一个新方法；碳包覆放射性同

位素纳米颗粒可能会被应用于核能药物，放射疗法和影象投射等领）

医学方面的应用（医疗显影剂方面）

其它方面的应用CEMN在新型电池方面：合成出一种碳包覆Si、Sn Al纳米复合材料，由于碳壳的禁锢有望减少金属元素在充放电过程中的体积膨胀，提高稳定性，为

新型锂离子二次电池的开发提供了一条新的途径依据金属粒子和炭基体的不同， CEMN 还可用于加氢、F-T合成（C0+H2催化剂，电波屏蔽材料，精细

陶瓷材料，抗菌材料，多孔材料等