新型碳材料的发展
新型碳材料的发展前景
新型碳材料的发展前景
随着科技的不断进步，新型碳材料正逐渐成为材料科学领域的热门研究对象。
碳材料具有质轻、高强度、耐高温、导电导热等优良性能，被广泛应用于航空航天、电子器件、能源领域等各个方面。
在碳材料家族中，石墨烯、碳纳米管、碳纳米带等新型碳材料备受关注，它们不仅延续了传统碳材料的优势，还具有新的特性和潜在应用价值。
石墨烯作为一种单层碳原子构成的二维晶体，在电子迁移性、热传导性等方面
表现出色，被誉为碳材料中的“黑金”。
石墨烯的发现开启了碳材料领域的新篇章，
其具有极高的比表面积和机械强度，可以应用于超级电容器、传感器等领域。
此外，石墨烯在生物医药领域也有广阔的应用前景，如药物传输、生物传感等方面。
碳纳米管是一种由碳原子卷成的管状结构，具有优异的导电性和机械性能。
碳
纳米管的直径、壁厚、结构等可以调控，从而实现不同性能的设计和应用。
碳纳米管被广泛研究用于超轻复合材料、柔性电子器件、储能材料等领域，具有巨大的市场潜力和应用前景。
碳纳米带是介于石墨烯和碳纳米管之间的一种碳纳米结构，在电子输运、热性
能等方面展现出独特的特性。
由于其带隙可调的特点，碳纳米带在纳米电子器件、光电器件等领域有着广泛的应用前景。
同时，碳纳米带在传感器、催化剂等领域也有着重要作用，为碳材料的拓展应用提供了新的思路。
随着碳材料研究的不断深入和发展，各种新型碳材料的涌现和应用将推动材料
科学领域的创新和发展。
未来，随着碳材料制备技术的不断进步，碳材料的性能将进一步优化，应用范围也将不断扩大。
新型碳材料的发展前景可谓是一片光明，必将为人类社会的可持续发展和进步作出重要贡献。
碳基材料发展的趋势与前景
碳基材料发展的趋势与前景1. 引言碳基材料是一类由碳元素构成的材料，具有优异的物理和化学性质，广泛应用于能源存储、电子设备、纳米技术等领域。
随着科学技术的不断进步，碳基材料的研究和应用正在迅速发展。
本文将对碳基材料发展的趋势和前景进行探讨。
2. 发展趋势2.1 多功能性随着对碳基材料的深入研究，人们开始发现其在不同领域具有多种功能。
石墨烯具有优异的导电性和导热性，可应用于电子器件和热管理；碳纳米管具有良好的机械性能和光学性能，可用于强化材料和传感器；金刚石膜具有极高的硬度和耐磨性，可应用于切削工具和涂层等。
未来，碳基材料将朝着实现多功能化发展，以满足不同领域的需求。
2.2 可控性合成为了实现碳基材料的多种功能，研究人员致力于开发可控性合成方法。
通过调控合成条件和原料配比，可以合成出具有特定结构和性质的碳基材料。
通过控制碳纳米管的直径、长度和结构，可以调节其光学性能和电子性能；通过调控石墨烯的层数和晶格性质，可以优化其导电性和机械性能。
未来，随着合成技术的进一步改进，将能够实现更精确的碳基材料合成。
2.3 纳米化和二维化纳米化和二维化是当前碳基材料研究的热点方向。
纳米化可以带来更大比表面积和更优异的性能，将能够应用于催化剂、能源储存和传感器等领域。
二维化则能够改变材料的电子结构和光学性能，对于开展纳米电子器件和光电子器件研究具有重要意义。
未来，纳米化和二维化技术将在碳基材料领域发挥重要作用。
3. 应用前景3.1 能源存储碳基材料在能源存储领域具有广阔的前景。
石墨烯超级电容器因其高比表面积和优异的导电性能，成为新一代高性能能源储存装置的候选材料。
碳纳米管和石墨烯复合材料的应用也为锂离子电池和钠离子电池等储能系统提供了新的解决方案。
3.2 电子设备碳基材料在电子设备领域有着重要应用。
石墨烯和碳纳米管的高电子迁移率和优异的载流子传输性能，使其成为下一代高性能晶体管和柔性电子器件的理想替代材料。
碳基材料的柔性和透明性也使其在可穿戴设备和显示屏技术方面具有潜在应用。
2024年碳素市场发展现状
碳素市场发展现状引言碳素是一种重要的工程材料，具有高强度、高塑性、高导电性等特点，在众多领域有广泛的应用。
随着低碳经济和环境保护的重要性不断提高，碳素市场正经历着快速发展。
本文将分析当前碳素市场的发展现状，并对未来的发展趋势进行展望。
1. 碳素市场概述碳素市场是指以碳素材料为基础的市场，它包括碳纤维、石墨、石墨烯等多种碳素材料。
碳纤维是目前碳素市场最主要的产品，它具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，在航空航天、汽车制造、体育用品等领域有广泛的应用。
2. 碳素市场的发展现状2.1 碳纤维行业近年来，碳纤维行业取得了快速的发展。
碳纤维的需求量不断增加，主要驱动因素包括航空航天、汽车制造和新能源产业的发展。
同时，碳纤维的生产技术也在不断改进，成本逐渐下降，进一步推动了碳纤维的市场规模扩大。
2.2 石墨市场石墨是碳素市场中另一个重要的产品。
石墨的需求主要来自电池、晶体材料和高温炉料等领域。
随着电动汽车产业的快速发展，石墨市场得到了进一步扩大。
同时，石墨烯作为一种新型碳素材料，也受到了广泛关注。
2.3 其他碳素材料市场除了碳纤维和石墨，还有其他碳素材料市场在发展中。
例如，碳纳米管具有优异的导电性和机械性能，在电子器件、材料增强等领域有广泛的应用潜力。
此外，碳化硅陶瓷、聚苯乙烯等也是碳素市场中的重要产品。
3. 碳素市场的面临挑战3.1 高成本目前，碳素市场面临着高成本的挑战。
碳素材料的生产工艺复杂，需要高温高压等特殊条件，导致生产成本较高。
此外，原材料的成本以及相关设备的投入也是制约碳素市场发展的因素之一。
3.2 技术难题碳素材料的研发和生产过程中还存在一些技术难题，例如碳纤维的成品率较低、石墨烯的大规模制备等。
这些技术难题的解决需要科技创新和团队合作，才能实现碳素市场的持续发展。
4. 碳素市场的发展趋势4.1 低碳经济需求的增加随着全球对低碳经济的需求日益增加，碳素市场将迎来更大的发展机遇。
碳纤维等碳素材料在能源节约和环境保护方面具有巨大潜力，将在汽车制造、新能源设备等领域得到更广泛的应用。
新型碳材料的研究及其应用
新型碳材料的研究及其应用碳是一种非常重要的元素，它在自然界中广泛存在，包括煤炭、石墨、钻石以及各种有机物。
在人类社会中，碳材料也有着非常广泛的应用，包括石墨电极、硅炭砖、活性炭、炭纤维等。
近年来，随着新型碳材料的不断研究与发展，碳材料也得到了更广泛的应用。
一、新型碳材料的研究进展随着科学技术的不断进步，新型碳材料的研究也越来越受到人们的关注。
其中，最为广泛研究的是碳纳米管、石墨烯、炭黑、碳纳米球等。
这些新型碳材料都具有不同的物化性质和特殊结构，能够应用于不同的领域。
1. 碳纳米管碳纳米管是由碳原子构成的一种管状结构，具有极高的强度和导电性能，同时具有很高的比表面积。
独特的特性使其被广泛地应用于电子器件、能源储存和生物学等领域。
由于碳纳米管的生产成本较高，因此其应用仍然受到一定的限制。
2. 石墨烯石墨烯是一种单层厚度为1原子层的碳纳米片，可以看做是从石墨精细剥离后得到的。
由于石墨烯的独特结构和电学性质，在领域中具有广泛的应用前景，包括电子器件、传感器、生物学等。
3. 炭黑炭黑是一种多孔的碳材料，在化妆品、橡胶、油漆等领域中有着重要的应用。
由于其特殊的结构和性质，炭黑具有很高的吸附能力和分散性，可以在许多领域中起到很好的应用效果。
4. 碳纳米球碳纳米球是一种球形的纳米碳材料，具有极高的比表面积和较高的力学性能。
由于其制备成本相对较低，因此在能源储存、催化剂、吸附剂等领域中被广泛地应用。
二、新型碳材料的应用前景新型碳材料具有很高的应用前景，主要表现在以下几个方面：1. 能源领域新型碳材料在能源领域中的应用具有很大的潜力。
碳纳米管和石墨烯可以用于制造高效的电极，并用于电池和超级电容器中。
碳纳米管还可以用于太阳能电池和光电器件中。
碳纳米球可以用于制造高效的锂离子电池电极材料。
2. 生物学领域新型碳材料也在生物学领域中崭露头角。
碳纳米管可以用于制造计量荧光显微镜和扫描隧道显微镜等生物学分析仪器。
碳纳米球可以用于制备生物官能团，具有在生物学中高效活性表达，高灵敏度的诊断和治疗中的应用潜力。
新型碳材料在能源领域中的应用
新型碳材料在能源领域中的应用随着科学技术的不断进步，人们对于能源领域的需求越来越高，而能源的开发也在逐步加强。
然而，传统的燃料资源又逐渐减少，为了满足社会发展的需要，人们开始寻找新型的能源资源。
在这种情况下，新型碳材料被广泛研究和应用，成为了绿色、环保的新型能源。
本文将会从碳材料的基本特性和发展历程、新型碳材料的种类、新型碳材料在能源领域的应用等方面进行阐述。
一、碳材料的基本特性和发展历程碳是一种非金属元素，具有极强的化学不稳定性。
在自然界中，碳在形态和结构上有着丰富多样的变化。
从基本结构上分析，碳材料可以分为三种类型：纳米级碳材料、微米级碳材料和宏观级碳材料。
其中，纳米级碳材料指的是直径小于100纳米的碳材料，如纳米碳管、石墨烯等；微米级碳材料指的是直径在1微米到100微米之间的碳材料，如纳米多孔碳等；宏观级碳材料也叫大块材料，指的是尺寸大于1毫米的碳材料，如活性炭等。
碳材料的研究始于20世纪60年代，最初的研究重点在于碳材料基本特性的研究和应用。
随着研究深入，人们发现碳材料是一种具有良好导电性、导热性、力学性能、稳定性以及化学惰性的高新材料，具有广泛的应用前景。
在20世纪80-90年代，石墨烯、碳纳米管等新型碳材料相继发现，使得碳材料的研究和应用进一步开拓。
二、新型碳材料的种类1.石墨烯石墨烯是由碳原子层层叠加形成的二维立体结构材料，具有超强的韧性和导电性，是目前已知最轻、最薄、最坚硬、最导电的材料之一。
石墨烯具有非常广泛的用途，如用于纳米电子器件、超级电容器、导电纸等。
2.碳纳米管碳纳米管是由单层碳原子卷成筒状的结构材料，具有超强的机械强度和导电性。
碳纳米管可以制备成为柔性、导电性、耐用性等材料，广泛应用于柔性电子器件、高强度材料、高能量电池等领域。
3.纳米多孔碳纳米多孔碳是一种具有高孔隙度、高比表面积的碳材料，可以通过多种方法制备。
纳米多孔碳具有优良的机械强度、高温稳定性以及优良的吸附性能，可以应用于气体储存、吸附、分离等领域。
2024年碳基材料市场前景分析
2024年碳基材料市场前景分析引言碳基材料作为一类重要的新型材料，具有良好的导电性、导热性和力学性能，被广泛应用于电子、能源、化工等诸多领域。
本文将对碳基材料市场进行前景分析，探讨其发展趋势和潜在机会。
市场概述目前，碳基材料市场正处于高速发展阶段。
随着电子产业的快速发展和环境保护意识的增强，碳基材料市场需求不断增长。
同时，碳基材料的独特性能使其成为石墨烯、碳纤维等产品的重要组成部分，进一步推动了市场的发展。
市场驱动力1.电子产业的持续增长：随着互联网、智能手机等电子产品的普及，碳基材料在电子元器件、导电膜等方面的需求不断增加。
2.新能源汽车的兴起：碳基材料在新能源汽车电池、电控系统等方面的应用潜力巨大，市场需求呈现出快速增长的趋势。
3.环境保护政策的支持：碳基材料具有良好的环境适应能力，可替代传统材料，减少环境污染，得到了政府的大力支持。
市场挑战1.技术难题：碳基材料的生产技术和应用技术还存在一定的挑战，需要不断进行研发和创新。
2.成本控制：目前碳基材料的生产成本较高，限制了市场规模的扩大和应用范围的拓展。
3.市场竞争：随着碳基材料市场的火爆，竞争愈发激烈，各企业需要加大研发投入和市场推广力度。
市场前景尽管碳基材料市场面临一些挑战，但其前景仍然看好。
根据市场研究机构的数据预测，未来几年碳基材料市场规模将持续扩大。
主要原因包括： 1. 电子产业的快速发展，将持续推动碳基材料市场的需求增长。
2. 新能源汽车市场的快速崛起，将为碳基材料市场带来新的增长点。
3. 碳基材料的独特性能和环境友好特性将在更多领域得到应用，拓宽市场空间。
4. 政府对碳基材料产业的支持力度将进一步提升，为市场发展提供良好的政策环境。
发展策略为抓住碳基材料市场的机遇，企业可以采取以下策略： 1. 加大研发投入，提升碳基材料的生产技术水平和应用性能。
2. 降低生产成本，提高碳基材料的竞争力。
3. 加强市场营销，拓展碳基材料的应用领域，开拓新客户。
新型碳材料的发展及应用
新型碳材料的发展及简介Thｅdevelopment tｒendｏf Severａl Ｋｉｎｄs oｆNｅw Carｂｏn Materiaｌs and Ｉｎtrｏduｃtion摘要碳是世界上含量及广的一种元素。
碳材料在人类发展史上起着主导的行的作用，应用最为出众的一次就是第二次工业革命。
现代对碳材料了的开发及几种新型的碳材料－-碳纳米管、碳纤维、C60、碳素系功能材料。
关键词碳材料碳纳米管碳纤维Ａbstract Caｒbon is an element conteｎt aｎｄworｌｄwide．Ｃaｒｂon mateｒials playｓa dｏminanｔrole ｉn ｔｈｅhistｏry of human ｄevelｏｐmeｎt,ａpｐlｉcａtion ｏｆthｅmost ｏｕtstandｉng ｏne iｓtｈｅseｃonｄｉndustriaｌrevolution．Ｍodern on caｒbｏn maｔerials develｏpｍent anｄｓｅverａl kｉnｄs ｏf neｗcａrｂon maｔerials such aｓＣ120 anｄｃaｒbon nａnoｔｕbｅｓ,ｃarbon fiber ａｎｄcａrbｏn-reｌatｅd fｕnctiｏｎal maｔeｒialｓ．Key worｄs cａｒbon materiaｌｓ，carbｏn ｎanoｔubeｓ,caｒb ｏn fiber1 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。
碳材料的发展前沿和展望
碳材料的发展前沿和展望在当今的工业生产和科技领域中，碳材料被视为一种非常重要的材料。
它们既具有轻量化、耐腐蚀等优良性能，又包含多种结构和形态，可以用于制造各种功能性材料和器件。
近年来，碳材料的研究和应用领域不断拓展，取得了许多新的成果和进展。
下面将介绍碳材料的发展前沿和展望。
碳材料的发展前沿1. 三维打印技术三维打印技术可以打印出各种形状和复杂度的结构，这对于制造碳材料的复杂器件具有重要意义。
目前，基于三维打印技术的碳纤维增强聚酰亚胺复合材料已经成功实验。
未来，三维打印技术将可用于构建更为复杂的碳材料器件。
2. 炭烤液态金属炭烤液态金属是指在炭烤后得到的具有类金属外观的多孔炭化体。
通过这种方法可以制造出各种具有特殊形状和功能的碳材料，如超级电容器、钠离子电池等。
由于其多孔性，炭烤液态金属还具有非常好的分离效果，可以用于水处理等领域。
3. 石墨烯材料石墨烯是一种新兴的碳材料，拥有极高的导热、导电、机械强度和化学稳定性。
石墨烯材料具有一个原子层的厚度，具备很多现有材料所没有的优异性能和潜在应用，如电子器件、生物医学材料、过滤和分离领域。
石墨烯的研究和发展成为了碳材料的重要方向之一。
碳材料的展望1. 发展碳材料复合材料碳材料复合材料是将碳材料与其他材料复合形成新型材料的方法。
未来，复合材料的发展领域会非常广阔，如碳纤维与塑料复合材料、碳化硅与炭纤维复合材料、石墨烯与聚合物复合材料等。
这些复合材料将能够满足更多的应用需求。
2. 在新能源材料中的应用新能源汽车、储能、光伏和光催化等领域需要大量的碳材料。
经过科学家的不断研究和开发，碳材料已经成功地应用于新能源中，如钠离子电池、超级电容器等。
3. 探索碳材料的光电响应性质碳材料有着良好的光学、光电性质，可以发挥出光学、光电及光化学等特殊功能。
未来，可以通过改变碳材料的具体结构和形态来探索该领域的可能性。
预计随着人们对光电响应性质的理解越来越深入，碳材料光电应用领域将不断扩大。
2024年碳基材料市场发展现状
2024年碳基材料市场发展现状概述碳基材料是指以碳为主要成分的材料，具有轻质、高强度、高导热性等特点，广泛应用于电子、能源、航空航天等领域。
随着科技的不断进步和对环境友好材料需求的增加，碳基材料市场正迎来快速发展。
1. 市场规模和市场趋势碳基材料市场在过去几年中持续增长，预计在未来几年内将保持良好的增长势头。
根据市场研究机构的数据显示，碳基材料市场在近几年内年均增长率超过10%。
碳纤维是碳基材料市场的主要产品之一，其在航空航天和汽车工业中的应用需求不断增加。
此外，碳纳米管等新型碳基材料也逐渐得到应用和推广，推动了碳基材料市场的进一步发展。
2. 主要应用领域2.1 电子行业碳基材料在电子行业中应用广泛。
碳纳米管在半导体制造中具有重要作用，被称为下一代半导体材料。
此外，碳纤维在电池、电容器等电子元件中也有应用。
2.2 能源行业碳基材料在能源行业中具有重要意义。
碳纳米管在储能技术中有广泛应用，可以制备高性能的超级电容器和锂离子电池。
此外，碳纤维增强复合材料也被广泛应用于风力发电和太阳能产业。
2.3 航空航天行业碳基材料在航空航天行业中是不可或缺的。
碳纤维复合材料具有轻量化、高强度的特点，被广泛应用于飞机的结构件和发动机部件中，大大减轻了飞机的重量，提高了飞行性能。
2.4 汽车工业碳基材料在汽车工业中的应用也呈现增长态势。
碳纤维材料可以制造轻量化的汽车部件，降低燃料消耗，提高燃油效率。
此外，碳基材料在电动汽车中的应用也逐渐受到重视。
3. 市场竞争格局碳基材料市场竞争激烈，主要的竞争者包括国内外的大型企业和研究机构。
国外企业在碳基材料技术和产品开发上具有较大优势，但国内企业在成本控制和市场开拓上有一定优势。
近年来，国内碳基材料行业加大了研发力度，提高了技术水平和产品质量。
同时，政府对碳基材料产业的支持也在不断增加，为市场发展提供了良好的政策环境。
4. 市场挑战和发展机遇碳基材料市场面临着一些挑战，如高成本制约了规模化应用、技术研发难度大等。
新型碳材料的研究进展和应用前景
新型碳材料的研究进展和应用前景近年来，随着全球对环境和能源问题的关注度越来越高，低碳经济与清洁能源成为了全球的热门话题。
而作为其中的一个重要组成部分，新型碳材料的研究也日益受到了越来越多的关注。
本文将重点介绍新型碳材料的研究进展和应用前景。
首先，我们先来认识一下什么是新型碳材料。
新型碳材料是指具有一定结构和功能的碳材料，不仅具备传统碳材料的基本性质，还具有很多新的特性和应用。
其中最常见的新型碳材料包括碳纳米管、石墨烯和纳米多孔碳材料等。
目前，新型碳材料的研究正在蓬勃发展。
在碳纳米管方面，科研人员通过不断改进和完善制备工艺，已经可以制备出高质量、高稳定性和高比表面积的碳纳米管。
这些碳纳米管具有广泛的应用前景，包括储氢材料、光电器件、催化剂载体等方面。
而在石墨烯领域，石墨烯的制备技术也日渐成熟。
石墨烯具有优异的电学、热学和机械性能，在电子器件、传感器、太阳能电池等领域有着广泛的应用。
除此之外，纳米多孔碳材料也是新型碳材料领域的一大热点。
纳米多孔碳材料具有高比表面积、多孔性和高导电性等特性，可以作为高性能催化剂、电极材料和分离材料等，用途非常广泛。
随着科研人员对这些材料的研究深入，相信未来还会有更多的新型碳材料涌现出来。
除了在科学研究中的应用，新型碳材料也具有广泛的工业应用前景。
例如在电池、超级电容器和储氢材料方面，新型碳材料的应用可以大大提高产品性能。
此外，新型碳材料还可以用于污水处理、废气处理等环境领域，具有非常鲜明的低碳环保特点。
总的来说，新型碳材料研究和应用的前景非常广泛。
研究人员在这个领域不断地探索、尝试，致力于将碳材料的应用范围不断扩大、提高其性能，为低碳经济和清洁能源发展做出自己的贡献。
我们有理由相信，未来新型碳材料的发展会更加快速、全面，给我们的生活带来更多的创新和变化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
新型碳材料的发展Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998新型碳材料的发展The development trend of Several Kinds of New CarbonMaterials摘要及概述碳是世界上含量极广的一种元素。
碳材料在人类发展史上起着主导性的作用，应用最为出众的一次就是第二次工业革命。
有人预言，21世纪是“超碳时代”。
金刚石的人工合成、石墨层间化合物的研究、富勒烯（碳笼原子簇）、碳纤维、C60、碳纳米管、碳素系功能材料的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。
这些以单质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。
关键词碳材料碳纳米管碳纤维活性炭材料微孔碳金刚石膜富勒烯柔性石墨插层化合物 C/C复合材料纳米碳管生物碳材料核石墨前言碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一,它具有多样的电子轨道特性(sp、sp2、sp3杂化),再加之sp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碳材料具有各式各样的性质,并且新碳素相和新型碳材料还不断被发现和人工制得。
事实上,没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此之多的结构与性质完全不同的物质。
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-良导体;绝热-良导热;全吸光-全透光等。
随着科学技术的进步,人们发现碳似乎蕴藏着无限的开发可能性。
碳的用途也十分广泛,从史前的木炭、近代工业的人造石墨和炭黑、当代的原子炉用高纯石墨和飞机用碳/碳复合材料刹车片、现今的铿离子二次电池材料和核反应堆用第一壁材料等等,不胜枚举。
毋容置疑,碳材料在人类发展史上有着并还将有着十分重要的位置。
碳材料的发展史大致经历过木炭时代(史前1712),石炭时代(1713~1866),碳制品的摇蓝时代(1867~1895),碳制品的工业化时代(1896~1945),碳制品发展时代(1946~1970)。
1960~1990年碳材料迈入了新型碳制品的发展时代,其中1960~1980年主要用有机物碳化方法制备碳材料,以碳纤维、热解石墨的发明为代表;1980年以后则主要以合成的手法制备新型碳材料,以气相合成金刚石薄膜为代表。
纳米碳材料的发展时代始于1990年,以富勒烯族、纳米碳管的合成为代表。
自1989年着名科学杂志《Sicence》设置每年的“明星分子”以来,碳的两种同素异构体“金刚石”和“C60”相继于1990年和1991年连续两年获此殊荣,1996年诺贝尔化学奖又授予发现C60的三位科学家,这些事实充分反映了碳元素科学的飞速进展。
但是由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性,从而决定了碳和碳材料仍有许多不为人们所知晓的未开发部分,若再考虑与其他元素或化合物等的复合和相互作用,可望获得更大的发展便更无怀疑之余地。
我们有必要相信,在未来相当长的一段时间内,碳的新相和碳同素异构体的设计、制造和研究将是物理化学领域中最中心的课题,而与之相应的新型碳材料的研究与开发会具有无穷的生命力。
C60金刚石石墨烯碳纳米管国外新型碳材料发展趋势新材料的研究开发包括四方面的内容:①崭新材料的创制;②已知材料的新功能、新性质的发现;③已知材料的功能、性能的改善;④新材料创制和评价技术的开发困。
新型碳材料的研究开发就是很好的一个例证。
近年来,在①方面先后划时代地发明了低温气相生长金刚石、C60和纳米碳管;在②方面发现了石墨的插层性质,使锉离子充电电池得以实用化和飞速发展;在③方面提高和改进了石墨电极的性能,使之能在超高电流下工作,使电炉炼钢技术出现新的突破;在④方面也有许多新的进展,如超高温超高压技术用于碳素新相的探索等。
美、日等发达国家一直对碳材料的研究十分重视。
由于碳材料突出的特性,美国将碳材料定为战略材料之一,充分利用其巨大的国防费用和航天费用,进行积极的研究与开发。
欧共体也将新型碳材料的研究作为其新材料计划的重要项目之一。
日本最近十多年来在国际上率先在低温气相生长金刚石。
为了进一步加强这方面的研究与开发,最近几年日本政府先后实施了三个大型研究项目,即以“碳素系高功能材料技术研究会”为主导的“高功能碳素系材料的研究”项目,重点研究金刚石薄膜等作为电子材料和零磨损、无油润滑材料等;以日本学振会117委员会为主导的“碳材料中功能性微米和纳米空间的创制”项目;以日本研究碳材料的各着名大学的教授组成的项目组为主导的“碳合金(Carbon alloy)的创制”研究项目。
三个研究项目的总经费高达20亿日元以上(合人民币约亿元)。
加上90年代初已实施的关于富勒烯和纳米碳管的研究项目,其研究内容几乎包括了碳材料研究的各个领域,并在上述新材料的四个方面均有体现。
这些事实充分说明了新型碳材料研究是一个热点领域及新型碳材料的重要性。
碳纤维及其复合材料、碳/碳复合材料、吸附和表面科学、活性炭材料一直是十分重要的研究方向。
需指出的是富勒烯族、电池材料和插层化合物未设专题或专题的论文数较少,是由于它们分别有专门的国际会议或研讨会召开所致,这三个领域的研究也是当今最热点的研究方向。
值得指出的是,“吸附和活性炭材料”虽是一个古老的话题,但却是Carbon’95和Carbon’96最受人们关注的专题。
主要是由于地球环境污染严重和环境保护意识的加强,活性炭材料将在这一领域扮演十分重要的角色。
活性炭和活性碳纤维已在环境保护及其他方面获得了成功应用,带来了巨大经济效益,同时其应用领域还在逐步拓展。
炭电极在锉离子二次电池上的成功应用,使碳作为能源材料具有极好的发展前景。
由于碳材料的结晶度、宏观和微观结构、表面特性等对电池性能的影响十分复杂,故电极材料的研究和选择最为重要也十分活跃。
此外碳材料在大容量双电层电容、燃料电池、核发电等领或也不可或缺,需要深入研究和开发。
国内碳材料研究与发展概况我国碳材料研究与生产起步于解放初期。
在前苏联的援助下,首先建设了以生产炼钢用石墨电极为主的吉林碳素厂和以生产电工用碳制品为主的哈尔滨电碳厂。
四十余年来,我国碳素工业从无到有,有了长足的发展。
现在已经形成了以吉碳、兰碳、上碳、哈碳、东碳等为主的骨干企业,石墨电极生产能力达30万吨/年,位居世界前列,电碳制品也基本满足了国内经济建设的需要。
但是我国碳材料工业和先进国家相比,无论在规模、质量、工艺装备、管理、科研、应用开发等方面都存在很大差距,仅大体上相当于国际上80年代的水平。
具体表现在品种少、档次低(如我国石墨电极仍以普通电极和高功率电极为主,而国外己上升为超高功率电极);产品质量不稳定;工艺装备落后;产品更新缓慢等。
我国碳材料的科研水平从整体上来说落后于美国、前苏联、日本和欧共体等工业国家,但远远高于韩国、印度、巴西等国。
在某些重要领域我国紧随着美、日等发达国家之后,差距并不十分明显,如热解石墨、结构功能型碳/碳复合材料、活性碳纤维、柔性石墨等。
我国从事碳材料研究的科研机构主要有中科院金属所、中科院山西煤化所、中科院物理所、湖南大学、清华大学、北京大学、武汉大学、中国科大、西北工大、武汉钢铁学院、北京化工大学、天津大学、哈工大、航天总公司西安非金属材料工艺研究所、北京材料工艺研究所等。
力量虽然不弱,但综合实力较差,只有湖南大学、中科院金属所和中科院山西煤化所的碳材料研究具较好的综合实力。
主要研究领域涉及当今碳材料研究与开发所有的热点领域,如碳纤维、活性炭材料和微孔碳、金刚石膜、富勒烯族、柔性石墨、插层化合物、C/C复合材料、纳米碳管、生物碳材料、核石墨等。
总之,近年来我国新型碳材料的研究、开发和生产有了长足的进展,但研究力量薄弱,研究经费的投入也很有限,与先进国家相比还有很大差距。
我国现有两个与碳材料有关的全国性学术性组织—中国电工学会碳~石墨材料专业委员会和中国金属学会碳素材料学会,每年召开全国性学术会议,并定期出版《碳素》、《炭素技术》和《新型碳材料》三种专业学术期刊。
当前国际碳素研究与开发的几个热点领域及进展碳素系功能材料在周期表中由以碳元素为中心的元素如硼、氮、硅等元素组成的材料,我们可以称之为碳素系材料。
科学家们逐渐发现碳素系材料在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面比其他材料优异,具有广泛的用途。
此外碳素系材料还具有资源丰富、废弃后不污染环境等突出优点,因而受到材料学界的极大重视。
例如随着金刚石、SIC等薄膜合成技术的飞速发展,作为电子器件材料正在被用于单晶硅或GaAs半导体不能胜任的应用领域。
根据计算机模拟,人们已预测到比金刚石还硬的卜C3N4的存在,并逐渐被实验结果所证实。
今后碳素系功能材料的研究与开发方向,主要是发现和应用已知材料所具有的尚未充分利用的功能,以及新物质的创制和新功能的发现与应用。
结构功能型C/C复合材料C/C复合材料是国内外新材料技术中重点研究与开发的一个重要领域,已有近30年的研究开发历史。
但随着应用的扩大,对其性能特别是多功能的要求也越来越苛刻。
例如为了满足全天候战略导弹烧蚀防热材料和核聚变反应堆面等离子体第一壁材料等的要求,C/C复合材料必须具有结构和功能两方面的多种优异特性。
C/C复合材料在70年代初主要考虑防热/结构双功能一体化问题;70年代中期作为战略导弹的防热材料,需要抗粒子云侵蚀,故必须三功能一体化;70年代末到80年代初又需要解决抗核爆和抗激光等问题;90年代作为核聚变炉第一壁材料,要求具有抗热冲击性、抗中子辐射损伤、耐等离子体侵蚀、高热传导率等结构功能多体化优异性能。
事实上通过各种改进,C/C复合材料可具有防热、耐烧蚀、抗粒子云侵蚀、抗核爆、抗射线辐射、抗等离子体侵蚀等多种功能。
改进C/C复合材料的多功能性能主要采用选择碳纤维和基质的种类、加入其他组分等方法。
总之,结构功能型C/C复合材料的研究与开发将随着应用领域的扩大和条件的苛刻而不断深入。
碳合金(CarbonAlloy)材料1992年日本碳素有关的学者在日本碳素材料学会中成立了“碳合金研究会”,经过他们的研究与讨论,1994年将碳合金定义为:所谓碳合金就是以碳原子的集合体为主体的、由多成分组成的、在构成单元之间存在物理和化学相互作用的材料。
并且具有不同杂化轨道的碳被认为是不同的成分单元。
也就是说,根据碳元素具有多种杂化轨道和晶体结构特征,把不同杂化轨道或结构特征的碳进行适当组合,或在以碳为主的集合体中导入其他异类元素而形成的材料称之为碳合金。
碳合金大致可分为两大类别:一类为碳元素不同轨道与结构之间合金化而得的材料,如轨道杂化型碳合金和空间、结构控制型碳合金;另一类为异类原子合金化而得的材料,如异类原子置换型碳合金和异类原子插入型碳合金等。