高炭化学与碳材料工程基础
材料工程基础-第1章金属材料的制备--冶金
II、作业温度比其他火法冶金过程低； III、分离效率高，综合利用好。在高品位矿石资源逐 渐枯竭的情况下，对储量很大的低品位、成分复杂难 选的贫矿来说，氯化冶金将发挥它的作用。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法 ②氯化冶金 尚有三个问题待解决： I、氯化剂的利用效率和氯化剂的再生返回利用是关 键性问题； II、继续解决氯化冶金设备的防腐蚀； III、环境保护
A 形状控制：电磁铸造、金属薄膜的电磁成行，电磁 塑性成型，悬浮熔炼等
B 驱动金属液体：电磁搅拌，电磁泵 C 抑制流动：磁力制动，抑制波动 D 悬浮：非金属夹杂物的电磁分离 E 热量生成：感应熔炼，电磁加热、电弧熔炼、等离
子熔炼等 F 组织控制：晶粒细（粗）化，非晶金属制备
1.1 冶金工艺
三、电冶金 ㈠电热熔炼 ②电磁熔炼
的化合物析出或造
渣。
◆ 物理法 基于在两相平衡时杂质和主金属在两相
间分
配比的不同。
◇ 利用粗金属凝固或熔化过程中，粗金属中的杂质和主金
属在液–固两相间分配比的不同——熔析精炼、区域精
炼（区域熔炼）。
◇ 利用杂质和主金属蒸气压的不同，因而粗金属蒸发过程
中，其易蒸发的组份将主要进入气相，与难蒸发组分分
离——蒸馏精炼、升华精炼。
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
氧势图（Ellingham）的形成原理
为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同 元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序， 埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素 与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：
材料工程基础及参考答案
材料工程基础及参考答案材料工程基础习题1、从粉碎过程来看，制粉方法可归纳为三大类：机械制粉、（物理制粉）和（化学制粉）2衡量合金铸造性能的主要指标有流动性和。
3．高炉原料主要有（）A铁矿石、脉石、焦碳;B铁矿石、熔剂、燃料;C碳质还原剂、燃料、脉石;D铁矿石、还原剂、熔剂4．炼钢的基本任务（）A脱碳、脱氧、脱硫，氧化生铁;B使生铁中C、Si、Mn、P、S 等元素合乎标准要求；C氧化生铁中C、Si、Mn等元素；D去除生铁中的杂质元素5．铝土矿的浸出是拜耳法生产氧化铝的关键工序之一，浸出所用的循环母液中的主要成分为NaOH、NaAlO2、Na2CO3等，其中起主要作用的是（）ANaOH；BNaAlO2；CNa2CO3；DNaAlO2和NaOH7．下列哪种材料不适合挤压加工（）A铝及铝合金；B铜及铜合金；C中碳钢；D高合金纲8．保证冲压件质量的最重要因素是（A）A模具质量；B成形工序；C分离工序；D成形设备9．下列热处理工艺中，哪种处理工艺常用来改善金属材料的切削加工性（）A退火处理；B正火处理；C淬火处理；D时效处理10．要使某种金属材料获得高弹性、高屈服强度的力学性能，可以采用的热处理工艺为（）A退火处理;B淬火+中温回火；C淬火+低温回火；D淬火+高温回火11．表面淬火用钢的含碳量范围一般为（）A0.1—0.2%;B0.2—0.3%;C0.3—0.4%;D0.4—0.5%12．汽车齿轮表面受严重磨损并受较大的交变冲击载荷而破坏，为了提高其使用寿命，必须提高其表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时齿轮心部要保持良好的韧性及塑性，可以采用的技术方案为（）A低碳钢表面渗碳+淬火+高温回火；B低碳钢表面渗碳+淬火+低温回火C低碳钢表面渗氮+淬火+高温回火；D低碳钢表面渗氮+淬火+低温回火13．为了防止飞机、车辆、冷冻设施等的观察窗在寒冷气候条件下表面不结冰，可以对玻璃表面进行（）处理A化学抛光；B涂层导电薄膜；C涂层憎水涂层；D涂层光学薄膜14．（）两种元素具有较强的脱氧能力，一般认为在钢中是有益的元素。
碳材料概述.完整资料PPT
一、碳的基础知识
关于“ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ材料”与“炭素材料”
“炭”与“碳”二字有联系又有区别: 碳：指碳元素、碳单质总体、含碳化合物及其众多的衍生物时用“碳”如碳水化合物、碳酸 盐、碳氢化合物。 炭：指由碳元素形成的单质，指的是具体物质。C/H比在10以上，主要由碳元素组成、多数为 固体材料，如煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭电极、炭块、炭纤维等。
钻头
三、其他传统炭素材料
木炭
活性炭
焦炭
炭黑
以石墨微晶为基础构成的，其共同点是：由石墨的微小晶体和少量杂质构成的混合 物。不同的炭素材料中，微晶的尺寸和微晶的三维排列的有序程度有相当大的差别。
炭纤维、多孔碳材料，功能化金刚石薄膜、玻璃炭等。
水质在我
分很现 国
接 触 ， 都
稳 定 ， 碳
在 ？
古 代 字
二、金刚石与石墨
金刚石结构图
石墨：平面网状结构
钻石
天然金刚石
二、金刚石与石墨
石墨可分为天然石墨和人造石墨，如等静压石墨、模压石墨、挤压石墨（作电极材料）。
1）作耐火材料，如石墨坩埚、石墨模具; 2）作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、石墨垫圈，，电视机
显像管的涂层等; 3）用于原子能工业和国防工业：作为中子减速剂用于原子反应堆; 4）作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料; 5）石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂; 6）作耐磨润滑材料，耐烧蚀材料。
Contents
1
碳的基础知识
2
金刚石与石墨
3
其他传统炭素材料
4
新型碳材料
一、碳的基础知识
❖汉字“碳”由木炭的“炭”加石字旁构成，从“炭”字音。碳是人类接触到的最早 的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。尧舜时代，炭黑作为涂料；商朝时， 广泛用木炭来冶炼金属，在冶炼中木炭充当燃料、还原剂。
【碳材料】第二章-碳化工学-气相碳化(一)
为什么裂解炭黑较 槽黑和炉黑粒径大？
4. 碳黑的比表面积
碳黑的比表面积是指单位质量碳黑的表面积，主要包括粒子的 外表面积和孔隙内表面积，一般表示为m2/g。
常用碘吸附法和BET氮吸附 法测定。外比表面积可用 粒子直径计算。
P
1 (C 1)P
V(P0 P) VmC VmCP0
1930年，世界碳黑产量达到17万吨 1975年，世界碳黑产量达到415万吨 2005年，世界碳黑产量达到859万吨
2005年世界炭黑生产能力和产量 万t/a
地区
生产量/万t 2005年末产能 2004年 2005年 增长率% 2005年开工率%
亚洲、大洋洲 490.8
327.0 373.3 14,1
要素：气相碳源：天然气、苯、焦油 高温： 1260－1420摄氏度，
炉法炭黑生产流程
2. 槽法炭黑 温度高而且过度氧化，适合于色素炭黑。
槽法炭黑生产流程
3.裂解炭黑
3. 裂热裂解炭温黑度：1300摄氏度左右
热裂碳黑生产流程
4. 碳黑的生成机理
•天然气首先生 成碳自由基， 然后芳构化； •石油基先脱氢、 碳链断裂形成 烯烃和炔烃， 然后芳构化； •芳烃则经过脱 氢、缩聚等 •晶核、微细液 滴生成、长大
1983年，日本NIKKISO实现了VGCF的工业化生产， 纤维直径0.3－1.0um，长度5－100um
1997年，日本NIKKISO发现了纳米碳纤维，1999年 实现连续化生产。
二、制备方法
要素：金属催化剂（Fe、Co、Ni） 气态碳源（甲烷、苯） 高温：600－1400摄氏度
方法：1. 基板法
6. 碳黑的其他物理性能 强度、耐磨性、硬度、回弹性等
高分子炭材料的合成及应用研究
高分子炭材料的合成及应用研究随着现代工业技术的发展，高分子炭材料作为一类新型的高性能材料，受到了越来越多的关注和研究。
一、高分子炭材料的概念高分子炭材料是指由高分子化合物或预聚体经过金属催化剂或热处理等方式进行炭化反应，形成具有石墨化学结构的碳化合物材料。
高分子炭材料不仅具有石墨纤维和类石墨材料的高导电性和导热性，而且还具有与通常过渡金属炭化物材料相似的高温稳定性、低密度和低热膨胀系数等优良特性，在航空、航天、电子、化工、环保等领域具有广泛的应用前景。
二、高分子炭材料的合成方法高分子炭材料的合成方法主要有两种，即催化剂法和热处理法。
1. 催化剂法催化剂法是指将高分子化合物或预聚体在一定催化剂的作用下进行炭化反应，也称为铁催化剂生长法。
实验表明，过渡金属催化剂可以有效促进高分子化合物和预聚体的炭化反应，使其形成高分子炭材料，而铁催化剂具有优良的水热稳定性和高催化活性。
2. 热处理法热处理法是指将高分子化合物或预聚体置于高温条件下进行炭化反应，也称为热解法。
实验表明，热解温度和热解时间对高分子炭材料的结构和性能具有重要的影响，需要进行精确的控制。
三、高分子炭材料的应用研究高分子炭材料具有广泛的应用前景，主要分为以下几个方面：1. 电子材料高分子炭材料可以作为电极材料、导电粉体、静电屏蔽材料等广泛应用于电子工业，具有优异的导电和导热性能，能够有效提高电子元器件的性能和功能。
2. 能源材料高分子炭材料可以作为电池材料、储能材料、催化剂等广泛应用于能源产业，具有优异的电化学性能，能够提高能源转换效率和储存密度。
3. 环保材料高分子炭材料可以作为吸附剂、催化剂、膜材料等广泛应用于环保产业，具有优异的吸附能力和催化性能，能够有效地去除有害气体和污染物。
4. 复合材料高分子炭材料可以与陶瓷、金属、聚合物等不同材料进行复合，形成新型的复合材料，具有优异的力学性能和耐高温性能，能够应用于航空、航天、汽车等高端领域。
第一讲-碳材料
•
金刚石的外观无色透明，通常因所含杂质元素的不同而 呈淡黄色、天兰色、兰色或红色，有强烈的光泽。它的 晶体外观十分规整。 金刚石在所有物质中是最硬的，可用于制造钻头等。金 刚石的炭原子所有的价电子彼此互相共享完全形成共价 键而无自由电子，所以它几乎不导电，导热性能也很差， 但他的析光率很高，经琢磨可制成钻石。现在金刚石已 能人工制造，但多为0.1～1毫米的小颗粒级。
25 东北，四川也有煤炭资源。
2014-1-14
一、碳的存在
1、煤炭
种类：中国的煤种分类，其中炼焦煤类占27.56％， 非炼焦煤类占72.35％。 前者包括气煤（占13.75％），肥煤（占3．53％）， 主焦煤（占5.81％），瘦煤（占4．01％），其它为未分 牌号的煤（占 0．55％）； 后者包括无烟煤（占10．93％），贫煤（占5．55 ％）， 弱粘煤（占1．74％），不粘煤（占13.8％），长 焰煤（占 12．52％），褐煤（占12．76％），天然焦 （占0．19％），未分牌号的煤（占13．80％）和牌号不 清的煤（占1．06％）。
2014-1-14
32
一、碳的存在
1、煤炭
应用：液化 煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。把煤与适当 的溶剂混合后，在高温、高压下（有时还使用催化剂）， 使煤与氢气作用生成液体燃料。这是把煤直接液化的一种 方法。煤还可以进行间接液化。就是先把煤气化成一氧化 碳和氢气，然后再经过催化合成，得到液体燃料。例如， 煤气化后得到的一氧化碳和氢气，可以用来合成甲醇。甲 醇可以直接用作液体燃料。将甲醇掺到汽油中可以代替一 部分汽油，作为内燃机的燃料。甲醇还可以进一步加工成 高级汽油。
——全吸光、绝热和超导炭素材料
•
美国赖斯大学的科学家制 造出了世界上最黑的材料。 他们用碳纳米管织出了一 片毯子，仅反射0.045%的 光线，这大约是以前纪录 的四分之一。该材料比漆 成黑色的雪佛兰Corvette 跑车要黑100倍。此前最黑 的材料是伦敦科学家制造 的一种镍磷合金，大约反 射0.16%的光线。
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100MPa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σ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℃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。
材料工程基础总复习题及部分参考答案
材料⼯程基础总复习题及部分参考答案材料⼯程基础总复习题及部分参考答案⼀、解释名词1、淬透性：淬透性是指钢在淬⽕时获得马⽒体的能⼒。
2、淬硬性：淬硬性是指钢在正常淬⽕下获得的马⽒体组织所能达到的最⾼硬度。
3、球化退⽕：球化退⽕是将钢中渗碳体球状化的退⽕⼯艺。
4、调质处理：淬⽕加⾼温回⽕的热处理称作调质处理，简称调质。
5、氮化：向钢件表⾯渗⼊N原⼦以形成⾼氮硬化层的化学热处理⼯艺。
6、完全退⽕：将⼯件加热到Ac3+30~50℃保温后缓冷的退⽕⼯艺，主要⽤于亚共析钢。
7、冷处理：钢件淬⽕冷却到室温后，继续在0℃以下的介质中冷却的热处理⼯艺。
8、软氮化：低温⽓体氮碳共渗，以渗氮为主。
9、分级淬⽕：将加热的⼯件放⼊稍⾼于Ms的盐浴或碱浴中，保温适当时间，待内外温度均匀后再取出空冷。
10、等温淬⽕：将⼯件在稍⾼于Ms 的盐浴或碱浴中保温⾜够长时间，从⽽获得下贝⽒体组织的淬⽕⽅法。
11、珠光体：过冷奥⽒体在A1到550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体⽚层相间的机械混合物，根据⽚层厚薄不同,⼜细分为珠光体、索⽒体和托⽒体。
12、炉渣碱度：炉渣中碱性氧化物的质量分数总和与酸性氧化物的质量分数总和之⽐，常⽤炉渣中的氧化钙含量与⼆氧化硅含量之⽐表⽰，符号R=CaO/SiO213、偏析：钢锭内部出现化学成分的不均匀性称为偏析。
14、疏松：液态合⾦在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成⼀些细⼩的孔洞。
15、⽩点：当钢中含氢量⾼达了3ml/100g左右时，经锻轧后在钢材内部会产⽣⽩点。
在经侵蚀后的横向低倍断⼝上可见到发丝状的裂纹，在纵向断⼝上呈现圆形或椭圆形的银⽩⾊斑点。
⽩点是⼀种不允许出现的存在的缺陷。
16、镇静钢：钢液在浇注前经过充分脱氧的钢，当钢液注⼊锭模后不发⽣碳氧反应和析出⼀氧化碳⽓体，钢液可较平静地凝固成锭，故称为镇静钢。
17、沸腾钢：沸腾钢是脱氧不完全的钢，⼀般只⽤弱的脱氧剂锰铁脱氧。
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电碳工业
炭刷（carbon brush)
History
19世纪后期，电解工业（electrolytic industry)
阴极
电解槽的阳极和
铝用炭素（炭阳极、阳极糊和阴极炭块）
炭阳极（Carbon anode)
History
电热（electric heating) 炭电极（carbon electrode)、电
铜和铁的冶炼（smelting) (后来被冶金焦（metallurgical coke）取代）
现仅作为活性炭（activated carbon)和燃料使用 （以上主要利用炭材料的化学性质）
History
19 世纪初期，electricity(原电池 ) 电池电极（cell
electrode) ,1855年德国建立最早的炭素厂 生产电池炭棒 发电机（electric generator) 炭电刷（carbon brush)
1963年，中间相小球体（mesophase sphere)
针状焦（needle coke)、沥青基炭纤维（pitch-based carbon fiber) 20世纪80年代，炭纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced composites),沥青基炭纤维 航天航空应用 民用 （以上主要利用炭材料功能性质）
industry)
橡胶工业（rubber
History
天然石墨 （natural graphite)
+ 黏土（clay)
铅笔（pencil)
坩埚(crucible) (耐火材料 refractory material)
碳质耐火材料（含碳耐火材料）
History
木炭（ charcoal） 还原剂（reductant)
树脂（resin) 玻璃炭（glassy carbon)
石墨层间（嵌层）化合物（GICs,graphite intercalation compounds) 柔性石墨（flexible graphite)/膨胀石墨 （expanded graphite)
炭纤维（Carbon fiber)
History
针状焦（Needle coke)
富勒烯（Fullerene）
1996年，美国和英国3位科学家获诺贝尔化学奖“发现 富勒烯” 富勒烯（fullerene)
富勒烯（Fullerene）
富勒烯（Fullerene）是完全由碳组成的中空的球型
、椭球型、柱型或管状分子的总称,很像足球的球型富 勒烯C60也叫做巴基球，因为此球状全碳分子与建筑 学家Buckminster Fullerene的建筑作品很相似，为 了表达对他的敬意，将其命名为”富勒烯”；管状的叫
History
20世纪50年代，热解炭（pyrolytic carbon)和热解石墨 （pyrolytic graphite) 化学气相沉积CVD（chemical vapor deposition)
航天航空材料、核燃料颗粒被膜、生理材料
高定向热解石墨HOPG（highly oriented pyrolytic graphite)
石墨（Graphite)
金刚石（Diamond)
History
在煤（以前，木炭（charcoal)作为主要 的燃料（fuel) 植物（plants)类有机物 combustion 木炭（charcoal)、
烟黑（smoke black)
墨（ ink）、黑色颜料（paint ）
炭黑工业（Carbon black ）
做碳纳米管或巴基管。
碳纳米管（Carbon nanotubes)
石墨烯（Graphene)
2010年，英国两位科学家（俄罗斯藉）获诺贝尔物理学 奖“在二维石墨烯材料的开创性实验”
Carbon material engineering (technology)
炭材料、炭素材料
参考书籍
钱湛芬主编：炭素工艺学，冶金工业出版社，1996
许斌、王金铎编著：炭材料生产技术600问，2006
Introduction
Organic feedstock(petroleum、coal系等有机物料）
heat treatment(室温至2000℃以上，g、l、s三相）
Inorganic nonmetallic carbon material 无机非金属炭材料
（几乎全部由C组成）
Introduction
（1）graphite(石墨） （2）diamond(金刚石） （3）new carbon material(新 型炭材料）
（以上主要利用炭材料的物理性质）
石墨电极（Graphite electrode)
History
20世纪以来，炭块（carbon block) lining) (结构炭材料） 高炉内衬（blast furnace
高炉炭砖
不透性石墨
1907年 酚醛树脂（phenolic resin) （impermeable/impervious graphite)
化工用石墨
机械用炭石墨制品（密封材料和耐磨材料）
History
20世纪40年代，核石墨（nuclear graphite) 高密（high density)、高强(high strength)、高纯(high purity)
划时代，炭材料科学形成 利用石墨的核物理性质 高纯石墨（high purity graphite) 半导体工业
极糊（electrode paste)、天然石墨电极（natural graphite electrode) 1895年美国 E G Acheson 石墨电极( graphite electrode) furnace)炼钢 人造石墨（artificial graphite) 电弧炉（electric arc
单晶石墨（single crystal graphite)
热解炭（ pyrolytic carbon）
History
20世纪60～70年代，炭纤维（carbon fiber)(主要是聚丙烯腈 （PAN,polyacrylonitrile) 基炭纤维） 脆性炭材料（brittle carbon material) 柔性炭材料（flexible carbon material) CF 比强度（强度/质量）