第一讲-碳材料剖析
碳材料PPT课件
C 的存在
碳的起源---“big bang”理论
宇宙巨大的能量块 150亿年前发生大爆炸
宇宙空间充满高能的光
膨胀 温度降低
光转化为物质，各种 粒子开始形成
温度降低 温度升高
粒子凝聚成氢
温度升高
Ne Na Mg O S Si P…
C 的演变
碳在宇宙进化中起着重要的作用，是宇宙中前期生物分子进 化的关键元素。
宇宙中：原子碳、分子碳、固态碳和碳化物 太阳系：H, He,O, C, Ne…… 地球中：第14位 （90% 的碳是以CaCO3的形式存在，为化石 燃料的1万倍） 碳是地球上一切生物有机体的骨架元素，没有碳就没有生命. 碳元素占人体 总重量的18 %左右 人类进化以来，很早就开始利用各种炭物质和炭材料。各种 炭材料在航天、航空等工业、医疗、能源和日用品中得以应用。 当今世界以碳为主要原子构成的有机化学为橡胶、塑料、合 成纤维三大 材料奠定了基础。
Richard E. Smalley 1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b. 1943 d. 2005
The Nobel Prize in Chemistry 2000 “for the discovery and development of conductive polymers”
1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b.1933
Sir Harold W. Kroto 1/3 of the prize United Kingdom University of Sussex Brighton, United Kingdom b. 1939
碳材料定义
碳材料定义
碳材料是指以碳为主要成分的材料，具有多种特殊性能和广泛的应用领域。
碳材料可以分为三大类：非晶态碳材料、晶态碳材料和纳米碳材料。
下面将分别介绍这三类碳材料的特点和应用。
非晶态碳材料是由非晶态碳原子组成的材料，其结构呈无序排列。
非晶态碳材料具有高硬度、高强度、高耐磨性、低摩擦系数和优良的耐高温性能。
由于这些特点，非晶态碳材料被广泛应用于机械工程、航空航天、汽车制造、刀具制造等领域。
例如，非晶态碳材料可以用于制造高速切削工具，提高切削效率和切削质量。
晶态碳材料是由有序排列的碳原子组成的材料，其结构呈晶体结构。
晶态碳材料具有高导热性、高导电性、高强度和低密度等特点。
由于这些特点，晶态碳材料被广泛应用于电子、光电子、能源储存等领域。
例如，晶态碳材料可以用于制造电子芯片、光电子器件和电池电极材料，提高设备的性能和稳定性。
纳米碳材料是由纳米尺寸的碳原子组成的材料，其结构呈纳米结构。
纳米碳材料具有巨大的比表面积、优良的吸附性能和催化性能。
由于这些特点，纳米碳材料被广泛应用于环境保护、催化剂、能源储存等领域。
例如，纳米碳材料可以用于制造吸附剂、催化剂和电池电极材料，提高环境净化、化学反应和能源储存的效率。
碳材料具有多种特殊性能和广泛的应用领域。
非晶态碳材料、晶态
碳材料和纳米碳材料分别具有不同的特点和应用，可以满足不同领域的需求。
随着科学技术的不断发展，碳材料的研究和应用将会取得更大的突破和进展，为人类的生活和产业发展带来更多的创新和改变。
【碳材料】第六章 功能碳材料
SE 10 Log (E0 / E)2＝20 Log (E0 / E)
30 db为差，30－60db为 中，60－90db为良好，
E0
90db以上为优。E0：入 射电场强度，E透射电场
强度。db：分贝
（声音用其声压与人能感
知的最小声压20微帕斯卡
E
比值取对数乘以10）
SE的三个组成部分 SE=A＋R＋B，A为吸收效能，R为表面
（Journal of Alloys and Compounds 434–435 (2007) 641–645）
CNTs–KUAS ：
non-purified CNTs made by arc discharged method
CNTs－Desunnano ： purified CNTs made by catalytically CVD
2. 电磁屏蔽 （1）被动屏蔽
利用吸收或反射电磁波的物质将被保护对象屏蔽 使其免收电磁波危害，如防晒霜、电器的壳体、防辐 射服、防辐射建筑材料等。
（2）主动屏蔽
利用电磁吸收或反射物质将电磁波的发射源屏蔽， 以免电磁波发射对外界造成危害，如电磁炉壳体、x 射线放射设备等。
（二）电磁屏蔽原理
通过材料表面的反射、材料内部的吸收和多次 反射使得电磁波强度衰减的过程。屏蔽效能为：
第六章 功能性碳材料
第一讲 电磁屏蔽与隐身材料
一、电磁屏蔽材料
（一）电磁辐射基本知识
1. 电磁辐射 • 自然辐射：太阳光（红外、紫外、可见光等）
地球的天然磁场 宇宙中的其他电磁波 雷电等自然静电产生的电磁波 • 人造辐射： 通讯电磁波：电台、电视、手机 医疗：x射线、放射性治疗 电磁设备：微波炉、电磁炉
根据经验公式计算的值为反射与吸收的和，小于实际实验值，表明多 重反射衰减的值不能忽略
讲稿
第一章碳材料基础绪论中我们简单地介绍了一个炭材料，在接下来详细介绍每种炭材料之前我们先讲一些碳材料相关的基础知识。
——————————————1.碳的结构根据原子轨道杂化理论，碳原子在与其他原子结合时，外层电子在不同条件下，会产生不同形式的杂化，最常见的杂化形式是SP1，SP2，SP3。
从而有了三种同素异构体：卡宾碳金，石墨与刚石。
另外，最新的研究结果认为，碳还有其他的杂化方式。
富勒烯和纳米碳管中碳的杂化方式为sp2+s，s 的值大于0小于1。
晶体中原子排列具有周期性，也称长程有序。
非晶体则不具有长程的周期性。
举例说明：金刚石、石墨、富勒烯与碳纳米管、乱层结构结构（键长、键角、晶格参数、层间距）————性质引入故事：贝多芬头发变成一颗璀璨的蓝钻——单质碳的“七十二变”金刚石被人们看作宝石的“钻石”，其基本成分不过是碳而已。
有机物含有的碳在地下数百公里的地幔中，受到长期的热挤压，就会变成金刚石。
2007年，媒体爆出一则吸人眼球的消息：德国作曲家贝多芬的头发被制成一颗璀璨的蓝钻，这是第一颗用名人或者历史人物身上的碳制出的钻石。
数百年前，人们喜欢剪下几缕头发，放在盒子里作为永久保存。
美国康涅狄格档案大学校长因为收藏最有价值的名人物品和历史人物毛发最多而被载入《吉尼斯世界纪录大全》，其收藏的人物毛发中也有贝多芬的。
2007年他决定将这位著名作曲家的头发赠给英国“生命珍宝”公司进行慈善拍卖。
经鉴别后，该公司的专家们在无氧的情况下将头发进行焚烧，从10根头发中得到130毫克炭，然后分成3份，让每份炭在3000摄氏度的高温，约7万大气压力下放置2周，就可使其转化成钻石。
最后，所得这些钻石被切割成圆形，打磨后通过了鉴定；一颗钻石被送回档案大学收藏，另一颗钻石被放在生命珍宝公司的档案馆展出，第三颗钻石在“eBay（电子港湾）”网上进行慈善拍卖,接受世界各地买主的竞标。
据称该钻石有望以50万英镑售出，并决定将销售所得直接捐给为重病或者患病晚期儿童实现愿望的“梦想成真”慈善组织，使这颗历史人物的钻石有机会帮助很多需要救助的孩童。
碳材料背景介绍
碳材料背景介绍Carbon materials are a diverse group of substances that are all composed of carbon atoms. These materials can be found in various forms, such as coal, graphite, diamond, and carbon nanotubes. Carbon materials have been used by humans for thousands of years, with coal being one of the earliest forms to be utilized for heating and cooking. The unique properties of carbon make it an essential element in many industries, from electronics to construction.碳材料是一类由碳原子组成的多样性物质。
这些材料可以以各种形式存在，如煤炭、石墨、金刚石和碳纳米管。
碳材料已经被人类使用了数千年，其中煤炭是最早被用于供暖和烹饪的形式之一。
碳的独特性能使其成为许多行业中不可缺少的元素，从电子到建筑。
One of the most well-known carbon materials is graphite, which is used in pencils for writing and in batteries as a conductor. Graphite has a layered structure that allows it to be easily separated, making it ideal for use in various applications. Another widely used carbon material is carbon fiber, which is known for its high strength andlightweight properties. Carbon fiber is commonly used in the aerospace and automotive industries for its durability and resilience.最著名的碳材料之一是石墨，它被用于铅笔书写和电池导体。
碳材料概述ppt课件
二、金刚石与石墨
金刚石结构图
石墨：平面网状结构
6
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。
石墨烯不仅具有非常高的导电性，而且拥有更高的强度和更好的韧性， 能够制成可以弯曲折叠的显示，被认为是替代ITO的合适材料。
未来石墨烯将制成可折叠的显示器
22
四、新型碳材料
从左到右：在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为3.1英寸的区 域； 组装好的石墨烯触摸屏面板； 接到电脑上使用的石墨烯触摸屏
23
利用了石墨具有导电性、润滑性和熔点高
7
二、金刚石与石墨
金刚石合成已有40多年的历史。其合成方法大致可分为两类： 石墨转化法（静态超高压高温法+动态法）和气相合成法
1954 年人造金刚石在美国通用电气公司的诞生，揭开了人工合 成金刚石发展的序幕，它是静态高压高温技术发展的重大成果。
化学气相沉积(CVD)金刚石膜的问世是人工合成金刚石技术发 展的第二次大飞跃。20世纪50年代和60年代，美国、苏联等国先 后在低压下实现了金刚石多晶膜的化学气相沉积。1987年“金刚 石薄膜”的合成在世界上兴起，但合成方法归纳起来主要有CVD 和 PVD两类。
20
收大约2.3%的可见光 。源自四、新型碳材料替代硅生产超级计算机、光子传感器、液晶显 示材料、新一代太阳能电池
6.1碳单质的多样性(第1课时)课件--九年级化学人教版(2024)上册
高铁的受电弓材料是一种既顺滑又耐磨的特制 石墨板，这是考虑到石墨就有良好的导电性， 还有较好的润滑性能。并且每一个石墨板都有 一定厚度，从而保证受电弓使用的时间更长。 即便是磨损到一定程度，仅仅只需要更换与高 压导线接触的石墨就可以了，而受电弓的磨损 非常小。并且这样设计，还可以防止在300km/h 的高速下，摩擦出电火花。
木炭
焦炭
活性炭
炭黑
这些物质的主要成分是碳单质，它们的结构与 石墨相似。
认识“碳”的混合物
实验步骤
实验现象
结论
在盛有半杯水的烧 杯中加入一滴红墨 水，头图少量木炭 （或活性炭），搅
红色褪去， 溶液变成 无色
木炭（或活性炭） 有 吸附 能力，此
变化属于 物理 变
化。
拌后，静置
【讨论】木炭、活性炭具有吸附性（即吸附能力）这是什么原因呢？
“ 纯净物
碳
” 的
金刚石
多
样
性 混合物
木炭
石墨
C60
焦炭
活性炭 炭黑
1.认识金刚石 从已有经验出发猜测它的结构、性质和应用
结构
性质
用途
金 刚 石
金刚石 薄膜
无色透明、有强折 光性的固体
硬度大 天然存在的 最硬的物质
透光性好、 硬度大
钻石饰品
玻璃刀 钻探机钻头 光学窗口和 透镜的涂层
导热好
集成电路基板
一般在未指明具体单质时，习惯上用碳，如“炽热的碳”、 “当碳燃烧时”。
碳单质的进展研究
碳 纳 米 管
碳材料的性质
碳材料的性质碳材料是一类具有特殊性质和广泛应用前景的材料，其性质主要包括结构性质、电学性质、热学性质和力学性质等方面。
本文将对碳材料的性质进行详细介绍，以便更好地了解和应用这一类材料。
首先，碳材料的结构性质是其最基本的性质之一。
碳材料的结构可以分为晶体结构和非晶结构两种。
晶体结构的碳材料包括金刚石、石墨等，其晶格结构具有高度有序性，因此具有优异的硬度和导热性。
非晶结构的碳材料如活性炭、炭黑等，其结构较为松散，具有较大的比表面积，因此具有良好的吸附性能。
此外，碳材料的结构还包括纳米碳材料，如碳纳米管和石墨烯，其特殊的结构使其具有优异的力学性能和电学性能。
其次，碳材料的电学性质也是其重要的性质之一。
碳材料具有良好的导电性和导热性，是一种重要的电极材料。
碳材料还具有较高的化学稳定性和耐腐蚀性，因此在电化学领域有着广泛的应用，如电池、超级电容器等。
此外，碳材料还具有较高的光学透过性和光学吸收性，因此在光学材料领域也有着重要的应用价值。
再次，碳材料的热学性质也是其重要的性质之一。
碳材料具有较高的热导率和热稳定性，因此在高温材料领域有着广泛的应用，如高温结构材料、热导材料等。
此外，碳材料还具有较低的热膨胀系数和较高的热传导率，因此在热管理领域也有着重要的应用价值。
最后，碳材料的力学性质也是其重要的性质之一。
碳材料具有较高的强度和硬度，是一种重要的结构材料。
碳材料还具有较高的弹性模量和断裂韧性，因此在材料加工和结构设计领域有着广泛的应用，如碳纤维复合材料、碳纳米管增强材料等。
综上所述，碳材料具有多种特殊的性质，包括结构性质、电学性质、热学性质和力学性质等，这些性质使得碳材料在能源、材料、环境等领域有着广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，相信碳材料的性质将会得到进一步的理解和应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
- 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
碳材料基础 石墨及其衍生物
1
2020/10/8
概述
炭素材料学 相关概念
碳与炭的 区别
炭素（原）材 料物化性质
炭素制品的 特征及分类
炭素材料学 定义
自然界中的碳
物理性质
炭素制品的 主要特征
炭素材料学 发展简史
炭的生成过程
化学性质
炭素制品的 分类
何谓炭素材料
炭的存在形式
炭素材料的基 础晶型态物质
1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念
• 1）炭素材料学定义：
研究炭素原料和炭素制品的组织结构、 性质、生产工艺和使用能效，以及它们之间 的关系的学科。
原因：①导电材料和 耐腐蚀的结构材料； ②炭素材料的特殊性 能（首先被选中作为 炼铁炉的内衬及电冶
炼的导电材料）
有机物的混合体
石油、煤一般认为是在亿万年以前被埋入地层下的动物和植物，在隔绝空气、受 地球热和地层高压等条件下转化的结果。这类物质，仍然为碳氢化合物，但已经 有所炭化。而无烟煤可以看作是近乎炭化后期的产物。同理，天然石墨可以认为 已完全炭化，并且已经达到了石墨的程度。
1.2.2 炭的生成过程（续）
• 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。
石墨稀 石墨
碳纳米管
富勒稀
金刚石
——碳元素构成材料的特点
• 几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全 透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。
为 什 么 ？
• 独特的电子结构原因。碳元素是六号元素，其原子最外层有四个价电子，C原子除 了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁 键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。
• 热解石墨材料：具有高 度的各向异性，它沿层 面的导热率与铜相似， 垂直于层面的绝热性与 陶瓷相似，同时有较强 的抗氧化、抗侵蚀、耐 磨等性能。可以应用在 提炼高纯金属，电子工 业及现代科学上的特殊 材料。
富勒碳化物 是用于电容 器、装甲附 甲和武器系 统中的一种 超导材料。
1.2.2 炭的生成过程
• 有机物（不管是气体、液体还是固体）只要在隔绝氧的条件下，在有热的作用下，就可以 从烃类化合物中生成炭。
• 炭化将使碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它元素通过受热分解被排除逸出。表1-l列 出了各种有机物炭化生成的炭。
1.2.3 炭的存在形式
• 物质世界是由一百多种元素，以不同形态和不同化合物、混合物或单质组成。 • 在自然界里，单质碳有三种常见的变体：金刚石、石墨及无定形炭。
• 自然界中碳的资源以两种类型存在，
一种是循环性资源，即由植物和动物 所代表的生物和CO2；另一种是循环 速度很慢，但数量极大的堆积物，如 碳酸盐矿物和有机质堆积物。
——碳在自然界中存在的形式
在水和大气中主要以CO2、碳酸和碳酸盐的形式存在
——碳在自然界中存在的形式
碳酸盐
煤
——碳在自然界中存在的形式
天然石墨矿
天然金刚石矿
——碳在自然界中存在的形式
石油
（碳氢化合物）
天然气
（碳氢化合物）
——碳在自然界中存在的形式
动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素
——碳元素的特点
• 碳元素的最大特点之一：存在着众多同素异形体。如人们熟悉的金刚石和石墨，前些年发现的卡宾（碳 宾、碳烯 ），以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等以及最新发现的石墨烯(Graphene)。
• 三种碳的同素异构体结构和性质
1.2.3 炭的存在形式——金刚石
• 结构：碳原子之间以sp3方式键合，每一个碳 原子与相邻的4个碳原子相连，即碳原子的配 位数为4。每一个碳原子处于一个四面体的中 心，与之相邻的碳原子则处于四面体的是个 顶点之上。金刚石有天然和人造两类，从晶 体结构看，有四方晶和六方晶之分。
——人造金刚石的制备
1、千巴：压力单位，1千巴等于987大气压。 2、金属触媒：石墨转化为金刚石的触媒可分为平制触媒和全金触媒两种。 目前所用的单质触媒是元素周期表中第Ⅷ族元素和Mn、Ta、CY合金触媒； Ni—CY；Ni—Fe；Ni—Mn；Fe一Ai；Ni—Co；Ni—CY—Fe； Ni—CY—Mn；Co一Cu—Mn等。
• 自然界中的炭，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经热解反应的生成物。
（热解的概念泛指有机化合物在受热时所发生的分解或分解的重合而生成最终 产物的过程 ）
• 炭素原料的来源非常广泛。（如：煤、石油、植物等）
煤含碳为60～90％，
木材含碳约50％，
石油含碳为80～90％，
天然石墨含碳近100％
含C、H、O、N、S等
就是以碳元素为主体构成的材料。
• 4）炭素材料的三大常用基础晶 型态物质：
过渡态炭 （无定型炭）
（焦煤）炭、 炭黑、玻璃炭
金刚石
炭素材料 常用晶型
石墨
1.2 关于碳与炭
1.2.1 自然界中的碳
自然界分布很广 ，是 地球上形成化合物最 多的元素
原子量为12.01， 原子序数为6， 元素符号为C， 电子分布状态为： 1S22S22P2。源自• 2）炭素材料学发展简史：
19世纪：伴随着炭素制品的大规模生产的需要而逐步形成。
20世纪：各种炭素新材料不断涌现，用途越来越广泛，品种越来越多，炭素制 品的工业规模也相应扩大，逐渐形成一个独立的工业部门。
1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念
• 3）炭素材料定义：
——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。