第二讲_碳的基础知识及碳材料简介
什么是炭材料
什么是炭材料
炭材料是一种重要的碳基材料，具有多种应用领域。
炭材料是指在高温条件下，有机物质经过干馏或热解过程，去除了大部分挥发性成分后所得到的固体残渣。
炭材料主要包括木炭、活性炭、炭黑、石墨等。
这些炭材料在工业生产、环境保护、能源开发等方面都有着重要的应用价值。
首先，木炭是一种常见的炭材料，主要由木材等天然植物原料经过热解得到。
木炭具有良好的吸附性能和导电性能，被广泛应用于冶金、化工、建材等领域。
同时，木炭还可以作为生活中的燃料使用，例如烧烤、取暖等。
其次，活性炭是一种具有高度孔隙结构的炭材料，具有极强的吸附能力，被广
泛应用于水处理、空气净化、医药等领域。
活性炭的吸附作用可以有效去除水中的有机物、重金属离子等有害物质，保障了饮用水的安全和环境的清洁。
此外，炭黑是一种碳黑颗粒状的炭材料，具有良好的黑色素和导电性能，被广
泛应用于橡胶、油墨、油漆、塑料等领域。
炭黑的加入可以改善材料的性能，增加产品的强度、硬度和耐磨性，提高了产品的品质和使用寿命。
最后，石墨是一种具有层状结构的炭材料，具有良好的导电性和热导性，被广
泛应用于电池、润滑剂、耐火材料等领域。
石墨的层状结构使其具有良好的润滑性能，可以减少摩擦损耗，延长机械设备的使用寿命。
总的来说，炭材料作为重要的碳基材料，在各个领域都有着重要的应用价值。
通过对炭材料的深入研究和开发利用，可以推动工业生产的进步，改善环境质量，促进能源开发，为人类社会的可持续发展做出重要贡献。
希望未来能够进一步加强对炭材料的研究，拓展其应用领域，实现碳资源的高效利用和循环利用。
碳材料介绍(专业知识)
新型碳材料的发展及简介摘要:碳是世界上含量十分丰富的一种元素。
碳材料在人类发展史上起着主导的作用，其应用最为出众的一次是在第二次工业革命。
现代科技的发展使得人类又获得了几种新型的碳材料--碳纳米管、碳纤维、C60、碳素系功能材料等。
关键词：碳材料碳纳米管碳纤维一、前言碳是世界上含量及广的一种元素。
它具有多样的电子轨道特性（SP、SP2、SP3杂化），再加之SP2的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料，具有各式各样的性质。
在历史的发展中传统的碳材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。
而随着社会的发展人们不断地对碳元素的研究又发明了许多新型炭材料：金刚石、碳纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、核石墨、储能型碳材料、玻璃碳等。
其中新型纳米碳材料有：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯等。
没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此多类结构和性质不同的物质，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质，如最硬--最软、绝缘体--半导体--超导体、绝热-良导热、吸光--全透光等。
随着时代的变迁和科学的进步，人们不断地发现和利用碳，可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性。
自1989年著名的科学杂志《Science》设置每年的“明星分子”以来，碳”相继于1990年和1991年连续两年获此的两种同素异构体“金刚石”和“C60殊荣，1996年诺贝尔化学奖又授予发现C的三位科学家，这些事充分反映了60碳元素科学的飞速发展。
但是由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳元素和碳材料人有许多不为人们知晓的未开发部分。
二、国内外新型碳材料的发展趋势新材料的研究开发包括四方面内容：①新材料的创制；②移植材料的新功能及新性质的发现；③已知材料的改性；④新材料创制和评价技术的开发。
近和几年人们在新材料的创制方面先后划时代地发明了低温气相生长金刚石、C60纳米碳管；在材料新发现方面发现了石墨的插层性质，使锂离子充电电池得以实用化和飞速发展；在材料改性方面提高和改进了石墨电极的性能，使之在超高电流下工作，使电炉炼钢技术出现新的突破；在新材料评价技术方面也有许多进展，如超高温超高压技术用于碳素新相的探索等。
九年级化学上册碳知识点
九年级化学上册碳知识点碳，作为化学元素周期表中的第六号元素，是一种非常重要的元素，对于生命、环境和工业都有着深远的影响。
本文将从碳的基本性质、碳的存在形态、碳的化合物以及碳的应用等方面，探讨九年级化学上册中的碳知识点。
1. 碳的基本性质碳是一种非金属元素，原子序数为6，原子量为12.01。
碳具有几乎抗腐蚀的性质，具有高熔点和高沸点，能够存在于多种形态，如炭、石墨和钻石等。
碳还是生命存在的基础，所有的有机物都含有碳元素。
2. 碳的存在形态碳以不同的存在形态出现，其中最常见的是炭、石墨和钻石。
炭是一种由无定形碳组成的物质，常用于燃烧和制造活性炭。
石墨是由层状的碳原子结构组成的，具有良好的导电性和润滑性，常用于铅笔芯、电池和高温润滑剂等。
钻石是由高度有序排列的碳原子构成的晶体，是最硬的天然物质之一，广泛应用于宝石和工业领域。
3. 碳的化合物碳可以与其他元素形成众多的化合物，其中最重要的是碳氢化合物、卤代烃和羧酸等。
碳氢化合物是由碳和氢元素组成的化合物，如烷烃、烯烃和炔烃等，广泛应用于石油、天然气和塑料等领域。
卤代烃是由碳、氢和卤素元素组成的化合物，如氯代烷和溴代烷等，常用于溶剂、冷冻剂和杀虫剂等。
羧酸是由碳、氢和羧基组成的化合物，常见的有甲酸、乙酸和醋酸等，用途广泛，包括食品添加剂和化妆品等。
4. 碳的应用碳在工业生产中有着广泛的应用。
首先是炭的应用，炭作为固体燃料，广泛用于工业和家庭的供能。
其次是石墨的应用，石墨具有良好的导电性和润滑性，常用于铅笔芯、电池和高温润滑剂等。
钻石作为宝石具有高光泽和高硬度的特点，被用于珠宝和切割工具等领域。
此外，碳纳米管、石墨烯等新材料的研究和应用也成为了当今科技领域的热点。
综上所述，碳作为化学元素周期表中的非金属元素，具有多样的存在形态和广泛的应用领域。
了解碳的基本性质、存在形态、化合物和应用，对于我们深入理解九年级化学上册中的碳知识点具有重要意义。
通过这些知识的学习，我们不仅能够更好地掌握化学的基础知识，还能够认识到碳在生命中的重要性和对人类社会的巨大贡献。
碳材料、石墨、石墨烯科普知识介绍
碳与石墨介绍碳，生命之源，它是地球上一切有机体生物的骨架元素，是构成人体最重要的元素。
碳：既是最硬又是最软的材料，既是绝缘体又是导电体，既是隔热材料又是导热材料，既是全吸光材料又是全透光材料。
石墨是碳的一种同素异形体，石墨与金刚石、碳60、碳纳米管、石墨烯等都是碳元素的单质互为同素异形体。
石墨是碳元素的结晶矿物之一，具有耐高温、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、导热、导电、可塑性、涂敷性等特有的物理化学性能，广泛应用于冶金、机械、电子、电池、金刚石超硬材料、核工业、化工、轻工、军工、国防、石油勘探、航天及耐火材料等行业，是当今高新技术发展必不可少的非金属材料。
石墨烯介绍石墨烯的发现：2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，两位科学家通过使用胶带反复剥离石墨的方法在绝缘基底上获得了单层或少层的石墨烯并研究其电学性能，发现其具有特殊的电子特性以及优异的电学、力学、热学和光学性能，从而掀起了石墨烯研究的热潮。
2010年10月5日，瑞典皇家科学院授予他们俩诺贝尔物理学奖。
石墨烯：石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。
单层石墨烯的厚度只有 0.335 纳米，相当于一根头发的20万分之一，1mm厚的石墨中将近有150万层左右的石墨烯。
石墨烯几乎是完全透明的，透光率高达97.4%，具有优异的光学性能。
石墨烯作为一种人类已知强度最高、韧性最好、质量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料，集光、电、力学性能于一身，开创了21世纪的新材料纪元，正在引领新材料领域的颠覆性革命。
石墨烯的性能：机械性能：石墨是矿物质中最软的，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度比金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲，能够拉伸20%而不断裂。
超薄性：单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将近有150万层左右的石墨烯。
炭的化学知识点总结
炭的化学知识点总结一、炭的结构炭的结构主要由碳元素构成，其结构可以分为非晶炭和晶体炭两种。
非晶炭是一种没有规则结构的碳材料，其在原子层次上呈现出无序排列的状态，因此非晶炭的力学性质和电学性质较差。
而晶体炭则是由层状结构的石墨晶体组成，其具有规则且有序的结构，因此在力学性能和导电性能方面有着较好的表现。
此外，炭材料中还存在着许多的孔隙和微孔结构，这些孔隙可以用来吸附气体、液体和固体，因此炭具有很强的吸附能力。
二、炭的性质1. 物理性质（1）密度：炭的密度较低，通常在1.5-2.0g/cm³之间，比较轻。
（2）硬度：炭的硬度比较高，常常可用于制作磨料和抛光材料。
（3）导电性：炭具有良好的导电性能，因此可用于制作电极和电磁材料。
（4）热稳定性：炭在高温下表现出很好的热稳定性，因此在高温环境下也能够维持其结构和性质不变。
2. 化学性质（1）耐腐蚀：炭具有很好的化学稳定性，不易被酸、碱腐蚀。
（2）吸附性：炭的吸附性能强，能够吸附气体、液体和固体等不同的物质。
（3）易燃性：经过适当的处理，炭能够燃烧释放热量，可用作燃料。
（4）活性：炭的表面具有丰富的活性基团，可以与其他物质发生化学反应。
三、炭的制备炭的制备方法有很多种，常见的包括燃烧法、碳化法、高温热解法等。
1. 燃烧法燃烧法是一种简单易行的制备炭的方法，其原理是将有机物料在缺氧条件下进行燃烧，使得其除碳元素外的其他元素被完全氧化，最终留下高纯度的碳元素。
这种方法制备出的炭通常密度较低，硬度较小，但成本较低。
2. 碳化法碳化法是将有机物料在高温环境下进行加热处理，使得其中的氢、氧等元素被去除，留下高纯度的碳元素。
这种方法制备出的炭通常密度较高，硬度较大，但成本较高。
3. 高温热解法高温热解法是在高温下将有机物料进行热解，以得到高纯度的碳元素。
这种方法制备出的炭通常自由度较高，结构较为活泼，具有较好的电学和力学性能。
四、炭的应用炭具有丰富的应用价值，在工业生产、环境保护、能源利用等方面都有着重要的应用。
常见碳材料及应用简介
目录常见碳材料及应用简介 (2)富勒烯 (2)2.石墨 (4)3.石墨烯 (4)参考文献 (5)常见碳材料及应用简介常见碳材料主要有零维的富勒烯，一维碳纳米管，二维石墨烯和三维金刚石。
炭材料是指“主要由碳元素构成的材料，以碳原子的结合形式或集合样式显示不同的机能和形态”。
炭材料几乎具备其他材料所拥有的所有性能，其中便包含了众多看似矛盾的性质。
例如，全透光的金刚石，全吸光的石墨；最硬的物质的金刚石，最软物质之一的石墨；绝缘体的金刚石，高导电的石墨稀；高导热的金刚石，隔热材料的炭气凝胶等等。
正是这些突出而强大的材料功能，1996年和2010年分别因碳纳米材料富勒烯和石墨烯的发现和研究而授予诺贝尔奖，可见人们对炭材料所寄予的厚望[1]1.富勒烯富勒烯（Fullerene），是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。
富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环，偶尔还有七元环。
大量低成本地制备高纯度的富勒烯是富勒烯研究的基础，自从克罗托发现C60以来，人们发展了许多种富勒烯的制备方法。
目前较为成熟的富勒烯的制备方法主要有电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。
富勒烯作为一种新型碳材料，由于独特的笼状结构，已在超导、太阳能电池、催化、光学、高分子材料以及生物等领域表现出优异的性能，具有广阔的发展前景。
C60是富勒烯家庭中相对最容易得到、最容易提纯和最廉价的一类，因此C60及其衍生物是被研究和应用最多的富勒烯，富勒烯主要有以下应用。
（1）太阳能电池富勒烯具有优越的氧化还原性、高的电子亲和能，小的重组能，优异的迁移率。
而功能化的富勒烯衍生物不仅能够保持富勒烯自身特性，同时也实现了可溶液加工以及物理化学性质的调控。
通过在富勒烯上引入不同的官能团，可以进一步调控富勒烯衍生物的溶解性，能级，表面能，及其在固体状态的取向、分子间作用力，以实现富勒烯衍生物的多功能化，使得富勒烯成为在太阳能电池应用中的一种理想的受体材料。
化学碳知识点总结
化学碳知识点总结一、碳的基本性质1. 碳的原子序数为6，原子量为12。
在元素周期表中，属于第14组，第2周期的元素。
2. 碳的均数价数为4，具有四个价电子。
由于碳原子有4个价电子，所以碳原子能形成很多的共价键。
3. 碳的最稳定的同素体是晶格石墨，属于六角晶系，是一种黏土状的物质。
二、碳的同素异形体1. 碳的同素异形体是指同一种元素在不同形态下的存在。
碳的同素异形体有晶格石墨、金刚石、纳米碳管等。
2. 晶格石墨是由由层状六角环结构的一种黏土状物质，由多个平行的芳香烃片层叠而成。
3. 金刚石是由纯净的碳原子网格所构成的，由于每个碳原子都与四个邻居原子形成共价键，因此金刚石具有非常高的硬度。
4. 纳米碳管是由碳原子通过卷曲而成的一种新型碳材料，具有很高的强度和导电性能。
三、碳的化学性质1. 碳是一种非金属元素，其化学性质比较稳定，不容易与其他物质发生化学反应。
2. 碳具有较强的共价键结合能力，因此它形成的化合物稳定性较高。
3. 碳化合物中，碳的价态可以是+4，也可以是-4，因此碳形成的化合物种类繁多。
4. 碳是生命的基础，几乎所有有机物均包含碳的巨大化学活性。
生物体内的很多重要的有机化合物，如葡萄糖、脂肪酸、蛋白质和DNA等都是由碳构成的。
四、碳的化合物1. 由于碳的特殊价态和共价键结合能力，使得碳能形成非常丰富的化合物，主要有有机化合物和无机化合物两大类。
2. 有机化合物是指含有碳原子的化合物，其分子结构中含有碳—碳键或碳—氢键。
通常包括烃、醇、醛、酮、羧酸、酯、醚等。
3. 无机化合物是指不含有碳—碳键的化合物，如二氧化碳、一氧化碳、碳酸盐等。
五、碳的应用1. 金刚石是一种非常硬的材料，可以用于制造切削工具、砂轮、钻头等。
2. 纳米碳管具有很高的强度和导电性能，可以用于制造电子器件、纳米材料等。
3. 晶格石墨是一种很好的润滑剂，可以用于制造润滑油、化妆品等。
4. 碳还可以用于制造炭笔、炭块、煤球等，用作燃料或者制造制品。
碳的知识点总结
碳的知识点总结碳是地球上最常见的化学元素之一，具有丰富的物理和化学性质。
本文将通过逐步思考的方式，总结碳的相关知识点。
1.碳的基本性质碳的原子序数为6，原子量为12.01，属于周期表中的第14族元素。
碳具有四个价电子，因此它能够形成四个共价键，形成稳定的化合物。
碳的共价键使得它能够与其他元素形成多种化合物，包括有机化合物和无机化合物。
2.碳的同素异形体碳具有三种同素异形体，分别是钻石、石墨和富勒烯。
钻石是由碳原子通过共价键形成三维排列的晶体结构，具有硬度高、熔点高的特点。
石墨是由碳原子通过共价键形成层状结构，具有良好的导电性和润滑性。
富勒烯是由碳原子通过共价键形成球状结构，具有特殊的化学和物理性质。
3.有机化合物碳是有机化合物的基础，有机化合物是由碳和氢以及其他元素构成的化合物。
碳的四个价电子使得它能够与其他元素形成共价键，形成无数种有机化合物，包括烃类、醇类、醛类、酮类、羧酸类等。
有机化合物广泛存在于生物体内，是生命活动的重要组成部分。
4.碳的循环碳在地球上存在着碳循环的过程。
碳通过生物体的光合作用吸收二氧化碳，在光合作用过程中将二氧化碳转化为有机物质。
有机物质通过食物链传递给其他生物，最终又通过呼吸作用释放二氧化碳。
此外，碳还通过燃烧和化石燃料的使用释放到大气中，并参与大气中的二氧化碳浓度调节。
5.碳的工业应用碳在工业中有广泛的应用，其中最重要的应用是作为燃料和材料。
碳作为燃料被广泛用于发电、加热和炉料等领域。
碳的材料应用包括钢铁冶炼、铝电解、化学反应催化剂等。
此外，碳还用于制备人造石墨、电极材料、炭黑等。
6.碳的环境问题随着人类活动的不断增加，大量的二氧化碳被排放到大气中，导致全球变暖和气候变化等环境问题。
碳排放问题已引起全球关注，各国采取各种措施减少碳排放，包括提倡节能减排、开发清洁能源等。
通过以上的步骤思考，我们对碳的基本性质、同素异形体、有机化合物、碳的循环、工业应用和环境问题有了更为清晰的认识。
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碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
双电层电容器的应用
汽车启动辅助
复印机 存储器的备用电源
风力发电机蓄能器
52
碳材料应用简介—活性碳和多孔碳
汽车中的碳
53
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维及碳纤维增强材料
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碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维的性能：高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、耐 高温、抗烧蚀、耐腐蚀、高电导和热导、低热膨胀、自 润滑和生物相容性好。 碳纤维的结构：是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的 物质，是由sp2碳组成的六角形网面层状堆积物，各平 行层堆积不规则，缺乏三维有序排列，呈乱层结构。
• 石墨对也慢是化良好材的料反的射基材本料要求
中子散射截面大 • 核–– 石核耐纯辐墨吸 质照与损收量常伤截数规。面低工小程用石墨的主要区别
单位体积内的原子密度高
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• 碳的基础知识 • 碳材料的发展和应用 • 碳纳米材料简介
43
碳材料的发展历史
史前时期: 木炭
阶段 年份
碳材料的发展
36
碳单质的性质
• 金刚石的热容量比 较小，热导率很高
• 石墨晶体 各向异性
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碳单质的性质
碳的磁学性质
只有当固体内包含有具 有固有磁矩的电子结构 时才会引起顺磁化。具 有饱和电子结构的固 体，没有固有磁矩，是 抗磁性的
• 杂质和缺陷一般具有未配对的 电子，它们的自旋会贡献一定 的顺磁性。因而，容易表现为 顺磁性。
双电层电容器
a) 充电
b)放电
多孔电极 孔
电解液
双电层
a) Charge
多po孔ro电us 极carbon
+
电解液 -
-
- e-
- -- - + - +
孔
+ -popProere -
+
+-
+
+-
+
+
+ e-
-
+
b) Discharge b) キャパシタの充電
-
+ e-
Cell voltage / V Cell voltage / V
轨道重叠成键的方式:
Sigma “头碰头” Pi “肩并肩”
15
碳的电子结构
• 金刚石中所有的键均为 Sigma键
• 石墨中除了Sigma键 之外，还有一个离域 大Pi
• 共有电子 导电性
16
碳的电子结构
碳原子的杂化轨道及其键合状况
17
碳的单质
sp3家族（金刚石家族）
金刚石 立方金刚石 六方金刚石
Pyrocarbon
Artifical graphite
Carbon black
不同年代开发出的炭材料品种
45
a) 天然钻石
b) 天然石墨
c) 玻璃碳
100 μm
d) 炭墨
300 nm
46
e) 富勒烯
a) C60
b) C70
f) 碳纳米管
47
碳材料应用简介
• 活性碳和多孔碳 • 碳纤维及碳纤维增强材料 • 石墨，膨胀石墨和柔性石墨 • 石墨层间化合物 • 人造石墨和高密度各向同性石墨 • 金刚石和类金刚石 • 玻璃碳
第二讲 碳的基础知识及 碳材料简介
7
• 碳的基础知识 • 碳材料的发展和应用 • 碳纳米材料简介
8
碳的基础知识
碳元素的广泛性、多样性和特异性
“碳、氮循环”热核反应中的元素 地球上一切生物有机体的骨架元素
人类的日常生活 航空、航天以及高技术
最硬－最软 绝缘－半导体－良导体 绝热－良导热 全吸光－全透光
固体中格波的非谐作用，使得原子在振动时引起一定的相互斥 力，从而引起热膨胀现象
35
碳单质的性质
• 热导率
单位时间内通过单位截面传输的热能与温度梯度的比
固体中的热导率主要由声子的平均自由程决定 声子的平均自由程取决于两个因素：声子之间的相互碰撞，固体 中缺陷对声子的散射 低温下的固体具有高的热导率，因为参与热传导过程的声子数急 剧减少，自由程增大
• A380-800复合材料的用量高达30-35吨，主要是碳纤维复 合材料，包括中翼盒、机头和驾驶舱等。
59
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
碳纤维增强混凝土
60
Consumption of carbon fibers / ton/year
碳材料应用简介—碳纤维及其增强材料
Industries Aircrafts Sporting goods
类金刚石
立方金刚石 类金刚石
18
碳的单质
sp2家族（石墨家族）
石墨
六方晶系石墨 菱形石墨
大量介于晶体和无 定型组织结构之间 的石墨
碳纳米管 单壁 、 多壁
石墨烯
19
碳的单质
sp 家族 (线形碳，卡宾)
聚炔（ Polyyne-type） 累积双键（Cumulene-type）
20
碳的单质
碳的同素异形体
柔性石墨
64
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
发动机中使用的石墨片 耐热，稳定，密封
65
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
重油吸附
比表面积10-102m2/g，气相吸附能力不如活性炭，液 相吸附很强，非极性表面，亲油疏水，对油品超大 吸附/吸着能力
• 拉曼光谱
39
碳单质的性质
碳的表面特征 润湿性
表面原子之间的 结合力越强，表 面张力越大
• 金刚石和石墨层表面具有极大的表面张力，多数液体的表 面张力比较小，相似相润，因而对多数液体的润湿性较差
• 石墨的C轴方向的表面张力则非常小，石墨C轴方向一般 具有良好的润湿性。
40
碳单质的性质
吸附性能
物理吸附 在高温低压下脱附，可逆 化学吸附 发生化学作用，不可逆
Year 61
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
石墨片，柔性石墨和膨胀石墨
薄膜开关
62
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
制备工艺
天然鳞片 插层
水洗
石墨
H2SO4 H2SO4-GIC
烘干
可膨胀石墨
高温
压轧
膨胀石墨
快速
柔性石墨
63
碳材料应用简介—石墨片、柔性石墨和膨胀石墨
膨胀石墨
(b)
纳米碳材料 (Nano carbons)
富勒烯(Fullerenes) 碳纳米管(Carbon nanotubes) 纳米金刚石(Nanodiamond) 石墨烯(Graphene)
10
碳的电子结构
碳元素的特点
原子系数为6
第二周期的 IV族
2S2和2P2 轨道电子杂化
spn杂化 ｎ=1、2、3
单键 双键 三键
基态：1s22s22px2py
外层4个电子 半充满 ->稳定状态
11
碳的电子结构
碳的电子轨道
12
碳的电子结构
SP3轨道杂化
3个P轨道和1个S轨道 金刚石正四面体空间杂化方式
13
碳的电子结构
SP2轨道杂化
2个P轨道和1个S轨道
石墨 平面空间杂化方式
14
碳的电子结构
Sigma键与Pi键
4
2
0
1950 1950 1960 1960 1960 1970 1970 1980 1980 1990
Carbon Alloy
Carbon Nanotube
Fullerenes
Diamond film
Mesocarbon Microbeads Glassy carbon
Activated carbon fiber Carbon fiber
28
碳单质的性质
• 石墨：最软的材料之一
各向异性，a轴和c轴力学 性能差异大。
石墨a轴方向为共价键，c轴方向 为结合力非常弱的分子力，因而 石墨的力学性能在a轴和c轴方向 有明显的区别
大多数碳材料以石墨微晶 为主组成，因而在宏观上 表现为各向同性
29
碳单质的性质
• 金刚石及类金刚石具有优良的耐摩擦磨损性能
21
碳的单质
22
碳的单质
纳米结构(nanotexture)
片层石墨 HOPG
碳纤维 碳纳米管
碳黑 富勒烯
23
碳的单质
24
碳的单质
相互转化
25
碳的单质
炭的相图
相图，也称相态图、 相平衡状态图，是 用来表示相平衡系 统的组成与一些参 数（如温度、压力） 之间关系的一种图。 它在物理化学、矿 物学和材料科学中 具有很重要的地位。
波动方程
解为布洛赫函数
方程解的结果为电子只能存在于不同的能带区域，从内到 外分别称为第一、第二、第三布里渊区。 可以笼统地将能带分为价带和导带，之间为禁带。 禁带宽度不大于0eV时，为导体；大于0时，为半导体或绝缘体。
32
碳单质的性质
• 金刚石禁带宽度达 5.47eV，具有极强的绝缘能力 • 掺杂 半导体 • 石墨能隙，最窄为40meV，导体 • 各向异性
• 载流子运动也会产生顺磁性
• 金刚石和石墨都是饱和电子结构，结晶完美时都是抗磁的 • 石墨中杂质和缺陷，导体->顺磁 • 金刚石不易掺杂，绝缘->抗磁
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碳单质的性质
碳的光学性质
• 金刚石 高的折射率（可见 光区域n=2.42），低的吸收 系数，在红外和紫外光的大 部分都具有极好的透过性能