碳材料工艺学第六讲
炭素工艺学考点
炭素工艺学考点1、填空题沥青熔化的目的在于O,并使（）,减少（）。
正确答案：排除沥青中的水分；机械杂质沉淀；其膨胀性2、问答题如何评价炭材料生产用石油焦的质量？正确答案：炭材料生产用石油焦的质（江南博哥）量可用灰分、硫分、挥发分、锻后焦真密度、粉焦量和杂质元素含量来衡量。
灰分含量是石油焦的主要质量指标，硫分对于炭材料生产来说是一种有害元素。
石油焦的挥发分高低显示了焦炭的焦化程度，其对锻烧操作有较大的影响。
锻后焦的真密度大小标志着石油焦的石墨化难易程度，锻后焦真密度越大，石油焦越易石墨化，并且石典化产品电阻率较低。
为r更全面地分析炭材料用石油焦的使用性能，有时还需要检测石油焦的堆积密度、振实密度与锻后焦的电阻率、热膨胀系数和机械性能长可破碎性、脆性和磨损率。
3、判断题弹性后效通常是随着压力的增大而增加。
O正确答案：对4、填空题体密度可以表示材料或制品的宏观组织结构的（），制品的气孔率越大，则体密度（），宏观组织结构越O.正确答案：宏观组织结构；越低；疏松5、问答题影响浸渍效果的工艺因素有哪些？正确答案：对于采用煤沥青作为浸渍剂来说，影响浸涉质量和浸涉效果的工艺囚素有浸渍前焙烧炭坯的预热温度、浸渍剂沥青的熔化预热温度、浸泄系统的真空度及抽真空时间、浸渍罐的预热温度、浸渍时所加压力的大小及加压时间等。
此外，浸渍剂沥青的组分构成、哇琳不溶物含量和流变性能对浸渍效果也有明显的影响。
6、判断题适宜的糊料温度，使糊料具有一定的流动性，使成型种不出或少出裂纹废品。
O正确答案：对7、判断题混捏时间的长短，对混捏质量影响不大。
（）正确答案：错8、问答题挤压废品类型有哪些，其产生的原因是什么？正确答案：（1）裂纹。
裂纹是挤压成型最常见的废品类型，裂纹可分为横向裂纹、纵向裂纹和网状裂纹等。
（2）体积密度不合格。
产生生坯体积密度不合格的原因有：1）糊料中勃结剂用量过大，糊料中骨料颗粒内部颗粒的孔隙没有被勃结剂填满；2）压机压缩比太小，压型时糊料交流程度不够，压机吨位不够：3）预压压力低，预压时间短；4）型嘴温度较高，下料温度较低；5）压型速率较快；6）西甜中颗粒较大并且大颗粒所占比率较大，干料堆积密度低。
第六章 材料工艺学(参考答案)
1307
1308
1309
32．工程上规定将产生
残余变形的应力值作为钢的屈服强度。
3
A. 0.02% 1310
B. 0.05%
C. 0.2%
D. 0.5% 。
33．有色金属的疲劳极限的循环周数为 B. 106 C. 107 D. 108 A. 105 34.影响钢低温脆性转变温度的元素是 A. S B. P C. N D. O 35. 下列材料中，可锻性最好的是 A. 低碳钢 B. 中碳钢 。
5
1328
1329
1330 1331 1332 1333
1334
A.20Mn B.20Cr C.20g D.20R 57．关于碳素工具钢，不正确的叙述是 。 A.高碳钢 B. 分为普通、优质和高级优质钢 C.可生产工具或量具 D. 含碳量大于 0.6％ 58．碳素工具钢的热硬性较差，一般刀具刃部温度达 以上时，硬 度和耐磨性迅速下降。 A.100ºC B. 150ºC C. 250ºC D. 300ºC 59．合金钢中加入合金元素后，不仅可以提高钢的机械性能，而且可以改 善钢的 。 A.物理性能 B. 化学性能 C.工艺性能 D.表面性能 60．合金钢除有较高的强度、比强度、热硬性和特殊的物理性能外，还有 。 较高的 A. 淬硬性 B. 淬透性 C. 回火脆性 D. 变形抗力 61．合金渗碳钢零件表面渗碳后可使零件表面形成 A. F B. F+P C. P D. P+Fe3C 组织。
B. 摩擦系数大
C.耐磨性好
D.硬度高
22．下列金属材料中，焊接性最差的是 。 B. 中碳钢 C.高碳钢 A. 低碳钢
D.铸铁
1300
23．铸造性好的金属材料除具有流动性好，收缩小的特性外，还应具有 小的性能。 A. 气孔 B.残余应力 C.疏松 D.偏析 。 D.冷变形加工性 。
6.第六讲-正确选用类DLC涂层工艺
第六节正确选用DLC (类金刚石)涂层类金刚石diamond-like carbon，简称DLC薄膜，涂层的主要成分为碳，是以sp3、sp2键结合为主体，并混合有少量sp1键的远程无序立体网状非晶态结构，这种结构使得DLC薄膜具有一系列优良的物理化学性能，如红外波段透明、硬度高、摩擦系数小、化学性能稳定、热膨胀系数小等，从而使该薄膜在光学、电学、材料、机械、医学、航空航天等领域广泛应用。
由于制备技术和方法不同，DLC膜可能完全由碳元素组成，也可能含有大量的氢，因此一般来说，可将DLC薄膜分为含氢碳膜和不含氢碳膜。
根据薄膜中原子的键合方式(C-H、C-C、sp3、sp2等)及各种键比例不同，DLC膜又有不同的称谓：◎非晶碳(amorphous carbon，a-C)膜，膜中sp2键含量较高；◎含氢非晶碳(hydrogenated amor-phous carbon，a-C:H)膜；◎四面体非晶碳(tetra-hedral amorphous carbon，ta-C)膜，sp3键含量超过70%，也称非晶金刚石膜。
事实上，目前对DLC薄膜尚无明确的定义和统一的概念，但若以其宏观性质而论，国际上广为接受的标准为硬度达到天然金刚石硬度20%的绝缘无定形碳膜就称为DLC薄膜。
一、DLC膜的制备技术：DLC薄膜已经开发了许多种沉积方法，大体上可以分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。
PVD方法是在真空下加热或离化蒸发材料(石墨)，使蒸发粒子沉积在基片表面形成薄膜的一种方法。
按照加热方式不同，热蒸发有激光蒸发、电弧蒸发、电子束加热等方法。
溅射沉积是用高能离子轰击靶物质(石墨)，与靶表面原子发生弹性或非弹性碰撞，结果部分靶表面原子或原子团溅射出来，沉积在基板上形成薄膜。
CVD方法是在真空室内通入碳的氢化物、卤化物、氧化物，通过气体放电，在一定条件下促使它们发生分解、聚合、氧化、还原等化学反应过程，在基板上形成DLC薄膜的方法。
碳材料的制备与应用技术
碳材料的制备与应用技术碳材料是一种性质特殊的材料，它具有多种优异的性能，如高强度、高导电性、高吸附能力和高高温耐性等，因此在许多技术领域中得到了广泛应用。
本文将介绍碳材料的制备与应用技术。
一、碳材料的制备1.碳纤维制备技术碳纤维是一种高性能的纤维材料，制备工艺相对成熟。
其主要制备工艺为聚丙烯腈(PAN)纤维制备工艺、炭素母体纤维制备工艺和炭素母体预制块制备工艺等。
其中，采用PAN纤维制备工艺生产出的碳纤维质量稳定，性能优异；而采用炭素母体纤维制备工艺生产的碳纤维具有纤维直径均匀、晶体结构紧密等特点。
而炭素母体预制块制备工艺则是将炭素母体材料预制为块状，再通过高温烧结制备出碳纤维。
2.碳纳米管制备技术碳纳米管是一种纤维状材料，具有高强度、高导电性、高吸附能力等多种性能。
目前，碳纳米管制备技术主要有两种，即物理法和化学法。
物理法主要包括电弧放电法、激光热解法等技术，其中电弧放电法是目前最为成熟的技术之一；化学法主要包括化学气相沉积法、水热合成法等，化学气相沉积法是产量最大的制备技术之一。
3.石墨烯制备技术石墨烯是一种二维的材料，具有高导电性、高热导率、高机械强度等特点。
目前，主要的石墨烯制备技术为化学气相沉积法、化学还原法、机械剥离法等。
其中，化学气相沉积法是一种高效、成本低的制备方法，但需要高温高压环境。
而化学还原法可以在室温下制备出石墨烯，但制备过程中有大量有害废气产生，对环境污染较大。
二、碳材料的应用1.复合材料中的应用碳纤维作为一种高性能的纤维材料，被广泛应用于制备复合材料中。
碳纤维复合材料具有高强度、高刚度、低密度等特点，被广泛应用于高端汽车、航空器和船舶等领域。
石墨烯也可以被制备成复合材料，可以与其他材料相混合，形成高性能的材料，例如石墨烯增强的聚合物基复合材料、石墨烯增强金属基复合材料等。
2.电池材料中的应用碳材料在电池材料中的应用较为广泛，碳纳米管、石墨烯等材料都可以被应用于电池的正负极材料中。
碳碳的制造工艺
碳碳的制造工艺简介碳碳（Carbon-Carbon，简称C/C）是一种由碳纤维和碳基质组成的复合材料，具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天、能源、汽车等领域有广泛的应用。
本文将介绍碳碳的制造工艺以及相关技术。
碳纤维的制备碳纤维是制造碳碳的关键材料，其制备过程主要包括聚合纤维、氧化、碳化等步骤。
首先，在聚合纤维阶段，聚丙烯或聚丙烯酸甲酯等聚合物通过纺丝成纤维，在高温、低氧环境下进行干燥和热处理，形成初步成型的聚合纤维。
然后，在氧化阶段，将聚合纤维在氧气或空气中进行热处理，使其氧化生成聚丙烯酸纤维。
最后，在碳化阶段，将聚丙烯酸纤维在高温下进行碳化处理，使其转变为碳纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度等优点，是制造碳碳材料的重要基础。
碳基质的制备碳基质是碳碳的主要组成部分，其作用是提供机械支撑和保护碳纤维。
碳基质的制备通常采用炭化树脂、炭化油等方法。
炭化树脂是一种含有碳元素较高的树脂，通常通过模压成型，在高温下进行炭化处理，形成高碳化度的碳基质。
炭化油是一种含有碳元素较高的石油产品，通过涂覆在碳纤维上，再进行热处理，也能制备碳基质。
碳基质的炭化度越高，其机械性能和耐高温性能也越好。
碳碳的制造工艺碳碳的制造工艺主要包括堆叠、热压、碳化、再热压等步骤。
堆叠堆叠是将碳纤维与碳基质按照一定的顺序和方式进行层叠组合，形成一个整体结构。
堆叠的方式有平行堆叠、绕线堆叠等。
平行堆叠是将碳纤维和碳基质平行地堆积起来，形成多层叠压结构。
绕线堆叠是将碳纤维绕在轴上，再进行层叠组合。
堆叠时需要注意碳纤维的方向和排列的均匀性，以保证碳碳的性能和质量。
热压热压是将堆叠好的碳碳放入高温高压的环境中，通过热压力将碳纤维和碳基质结合在一起。
热压时需要控制压力、温度和时间等参数，以确保材料的密实度和结合强度。
热压能够使碳碳材料形成致密的结构，提高其机械性能和耐高温性能。
碳化碳化是将热压得到的碳碳材料在高温下进行碳化处理，使其形成高度碳化的结构。
炭炭复合材料制备工艺详解概论
sp2
sp3
In a plane
In 3D
Bond: sp3
金刚石晶体结构
A
B
c
C
d Diamond
0
石墨晶体结构
A
石墨平面结构－SP2 B
A
c
Graphite
C60晶体
Fullerenes (C60)
无定形碳和过渡态碳
除了几种结晶形态外，碳的另一类同素异形体为无 定型碳。无定形碳一般多指炭黑、木炭、活性炭等。 实际上它们并非真正的无定形碳，而是属于微晶碳， 其成键轨道为sp2 + sp3。
气体流动方式对沉积区微气氛的影响
CVD 环节
反应气体
易于控制气体停留时间
扩散进入 孔隙内
热解、缩聚
吸附，脱H
不能控制气体停留时间
解吸 副产物扩散排出
CVI技术装备
炉膛
发热体 炭盘
径向温度
径向气体 压力
电极
进气口 逆定向流-径向热梯度CVI示意图
（发明专利：ZL00114790.0、 03105528.1）
炭纤维 基体炭 孔隙
10m
炭是难熔材料,石墨的熔点高达4177℃。
优异的高温力学性能
C/C材料应用－现代交通
C/C复合材料质轻、摩擦磨损性能优异，是飞机、高速列 车、磁悬浮列车、赛车等现代交通工具最新一代制动材料。
与金属基相比，C/C 使波音757
减重550Kg 刹车副寿命提高5〜6倍
飞机用制动盘
相对密度很难快速提高的重要原因。
炭纤 热解炭 树脂炭
复合增密C/C材料的偏光显微结构
3 C/C复合材料的结构与性能
碳的晶体结构
碳元素的原子序号为6，碳原子的6个基本电子 的轨道为1S22S22P2。由于在最多可容纳10个电子的 L壳层只有4个电子，因此，邻近碳原子间很容易通 过2S和2P轨道间的杂化形成σ和π两种强共价键。根 据电子杂化方式的不同， 碳原子可呈现SP3，SP2， SP等不同的杂化价态，并可形成不同的炭的同素异 型体－－如金刚石、石墨、富勒烯等。
第六章 材料工艺学(参考答案)
A. 十倍 1322
B. 百倍
C.千倍
D. 万倍 。
45．一般强度船体用钢的强度等级相当于 A. Q215 B. Q235 C. Q255 D. Q275 46．高强度船体用钢的强度等级分为 A. 2 级 B. 3 级 C.4 级 。 D. 5 级
1323
1324
1325
47．高强度船体用钢的韧性等级分为 。 A A、B、C、D 四级 B. A、D、E、F 四级 C. A、B、D、E 四级 D. A、C、E、F 四级 48．一般强度船体用钢的韧性等级分为 。 A．A、B、C、D 四级 B. A、D、E、F 四级 C．A、B、D、E 四级 D. A、C、E、F 四级 49 高强度船体用钢 F36 的符号含义是 A、－60ºC 的韧性等级/屈服强度 360N/mm2 B、－40ºC 的韧性等级/屈服强度 360N/mm2 C、－60ºC 的韧性等级/断裂强度 360N/mm2 D、－40ºC 的韧性等级/断裂强度 360N/mm2 。
1304
1305
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1306
29．在其它条件相同时，金属材料的抗拉强度和屈服强度越高，其 越高。 A. 疲劳强度 B. 持久强度 C. 蠕变强度 D. 热硬度 30．金属材料的塑性常用 δ 表示，其中 δ5 表示 。 A．标距长度为其直径的 10 倍 B．标距长度为其直径的 5 倍 C．标距长度为其直径的 100 倍 D．标距长度为其直径的 50 倍 31.金属材料的刚度越大，则其变形量 A.越大 B．越小 C．不变 。 D．不一定
1287
10．塑性材料的延伸率一般为 A.>3％ B.>5%
1
1288
11.金属材料的塑性表示为
碳材料科学课件
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。
3、“炭”与“碳”的区别
Carbon as element Carbon as material
➢化学工业：化工设备，过滤器等；
➢体育器材：球杆，球拍，自行车等；
➢…………
学习交流PPT
28
五、炭材料的发展史
1、第一代（5千—1万年前） 2、第二代（十九世纪） 烧结型炭材料（人造石
墨） 3、第三代（第二次世界大战后） 4、二十世纪八十年代中叶以后
学习交流PPT
29
第一代 炭材料
天然物质加热，利用炭的化学性质，作燃料和还 原剂炼铜和炼铁
Philadelphia, PA, USA
Tokyo, Japan
b. 1936
b. 1学9习27交流PPT
b. 1936
20
Andre Geim
Konstantin Novoselov
The Novel Prize in physics 2010 honours two scientists. They have succeed in producing, isolating, identifying and characterizing graphene.
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜 二、富勒烯与纳米洋葱 三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：2学时
学习交流PPT
10
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）；
- 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)。
The 60 carbon atoms of C60 only give rise to four absorption lines in the infrared region, which confirms its high symmetry (IR lines at 1429, 1183, 577 and 528 cm-1). All carbon atoms are equivalent (13C NMR-signal at 143 ppm in benzene).
❖ 很早天体物理学家就发现富碳恒星的大气层及慧星 尾中有碳原子簇存在
❖1942年，O. Hahn等用MS证实了原子簇Cn（<15）的存在
❖ 1984年，Exxon Research & Engineering Co.的E. A. Rohlfing等用激光气化/氦气脉冲膨胀法从石墨产生碳原子簇。 1《n《30，奇数和偶数的碳原子簇均能形成；n》40时，仅偶 数n的Cn原子簇能形成，并且C60的质谱峰明显高于其它原子簇 峰
的富勒烯
吡啶
2
C60:C70=2:1 和少量 C100 以下的 4%
富勒烯
1，2，3，5-四甲基苯 3
主要是<C200 的富勒烯，C60 和 14%
C70 含量<1%
萃取剂系列 2
萃取次序
乙烷
1
主要是 C60 和 C70，少量 C76 和 21%
C78
庚烷
2
C60:C70:C78:C84=2:1.4:0.5:1 8%
• 萃取法:用苯或甲苯放到索式抽提器中提取，随C60和为红棕色，溶液蒸干
后得到黑色粉末
• 升华法:将碳烟在真空中加热到400℃，富勒烯类化合物将 逐渐升华析出，含量约为5% —10%。
不同萃取剂的萃取效果
萃取剂系列 1
萃取次序 产物
收率
苯
1
C60:C70=3:1 和少量质量数 1200 26%
➢ HW Kroto, RE Smalley,RF Curl因在 这一领域的突出贡献而荣获了1996年的 诺贝尔化学奖。
➢ C60的三维笼形结构的发现必将奠定富 勒烯化学基础，同时为炭科学、材料科 学、物理学、晶体学及其他相关学科的 发展开辟了一个新的领域。
C36
C60
C70
C180
C60分子结构的存在
来自于美国建筑大师
笼
Buckminster Fuller
状 结
的启示
构
命名为Buckyball 或 Fullerenes
C60 is like a tiny football of carbon. - it is round(ish) - it has 12 pentagons (5 sided faces) - it has 20 hexagons (6 sided faces)
➢六边形共边的键长0.1388nm,六边形与五边形共边的键长 0.1432nm，球心到每个碳原子的平均距离0.35nm，碳原子围成 平均直径为0.7 nm的球形骨架，有一直径约为0.36nm的空腔。
富勒烯的性质
一般性质 ✓C60为淡黄色固体，薄膜加厚时转成棕色，在有机 溶剂中呈洋红色。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。 ✓室温下C60的体积可压缩率为：
➢C60分子的结构鉴定及特征
MS、C13-NMR、FT-IR、UV、STM、AFM、HREM、ED、 PD和XRD。
➢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，能量差为3.7KJ/mol，晶胞参数：
立方堆积：a=1.420nm
六方堆积：a=1.002nm,c=1.639nm
提纯
• C60/C70=3:1，重结晶后比例提高到85/15 ,需 进一步分离纯制。
• 液相色谱法：普通柱色谱，Al2O3作固定相
•
HPLC，硅胶或极性硅胶作固定相
•
活性炭作固定相
• 化学反应法：利用不同富勒烯与路易斯酸形成络 合物的差异提出化学络合分离提纯法。
富勒烯的结构表征
* C60结构最早于1970年由日本学者E. Osawa提出； * 1985—1990年，从C60分子假设到常量制备； 1）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: 由12个五元环和20个六元环组成的类似足球的 空心球状结构，由于它是由60个碳原子组成的， 所以称它为C60
富勒烯: 同时将具有相似结构的这一类物质（如C36、 C70，C180等）命名为富勒烯。
➢ 1990年,W Kratschmer等采用石墨棒 电极在直流电作用下发生电弧放电的方 法，得到了大量灰状产物，其中包含了 大量的C60和C70混合物 ，通过苯处理 灰状产物得到大量高纯的C60，从而进 一步推动了富勒烯研究的深入开展
❖ 1985年，Kroto提出球碳假设，在Nature发表《C60:
Buckminsterfullerene》（1985, 318:162）
富勒烯的制备、分离和提纯
制备
• * 石墨蒸发法：激光法
•
电弧法
•
太阳能聚焦加热法
•
电阻加热法
• * 苯燃烧法
• * 有机合成法
• 合成富勒烯的原料：石墨、苯、中间相、煤、焦炭、 乙炔等
2004-2005秋季本科生课程
纳米碳材料
陈晓红
先进炭材料研究室 北京化工大学
主要内容
❖ 富勒烯 ❖ 碳纳米管 ❖ 炭包覆纳米金属晶
富勒烯
富勒烯的发现及其科学意义 富勒烯的制备、分离和提纯 富勒烯的结构表征 富勒烯的化学反应性 应用前景
一、富勒烯的发现及其科学意义
1985年
美国Rice的 Curl、 Smalley和英 国Sussex大学 的Kroto等化学 家采用激光蒸 发石墨电极粉 末，得到一种 由60个碳原子 组成的新型碳 分子。