絢麗多彩的碳材料.doc

絢麗多彩的碳材料 碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是構(gòu)成地球上一切生命體最重要的元素。以碳元素為主要構(gòu)成的有機(jī)高分子材料，包括塑料、橡膠和纖維等，已發(fā)展成為材料學(xué)三個主要學(xué)科方向之一。而以碳元素本身，通過不同結(jié)構(gòu)、組合，也形成一個獨特的無機(jī)非金屬材料世界。碳原子間不僅能夠以sp3雜化軌道形成單鍵，還能以sp2及sp雜化軌道形成穩(wěn)定的雙鍵和叁鍵，因此，除了自然界存在多種同素異形體的碳材料外，科學(xué)家們通過實驗還合成了許許多多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)完全不同的碳材料，如人們熟悉的金剛石和石墨，以及近年來發(fā)現(xiàn)的卡賓（Carbyne）、C60為代表的富勒烯以及碳納米粉體、管材、線材等。這些新型碳材料的特性幾乎可涵蓋地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)甚至相對立的兩種性質(zhì)，如從最硬到極軟、全吸光全透光、絕緣體半導(dǎo)體高導(dǎo)體、絕熱良導(dǎo)熱、高鐵磁體、高臨界溫度的超導(dǎo)體等。一 石墨與金剛石一提到碳元素，人們最先想到的通常是石墨和金剛石。金剛石和石墨的化學(xué)成分都是碳(C)，但是它們的結(jié)構(gòu)和性能卻完全不同，科學(xué)家們稱這種同質(zhì)多像變體為“同素異形體”。金剛石是目前最硬的物質(zhì)，而石墨卻是最軟的物質(zhì)之一。大家都知道鉛筆芯就是用石墨粉和粘土配制而成的，石墨粉含量多筆芯就軟，用“B“表示，粘土摻多了則硬，用“H”表示。礦物學(xué)家用摩氏硬度來表示相對硬度，金剛石為10，而石墨的摩氏硬度只有1。它們的硬度差別之所以這么大，關(guān)鍵在于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在很大差異。石墨內(nèi)部的碳原子呈層狀排列，一個碳原子周圍只有3個碳原子與其相連，碳與碳組成了六邊形的環(huán)狀，無限多的六邊形組成了一層。層與層之間聯(lián)系力非常弱，而層內(nèi)三個碳原子聯(lián)系很牢，因此受力后層間就很容易滑動，這就是石墨很軟能寫字的原因。 圖1 石墨原子結(jié)構(gòu)圖石墨最常見于變質(zhì)巖中，是有機(jī)碳物質(zhì)變質(zhì)形成的，煤層經(jīng)熱變質(zhì)也可形成石墨。有些火成巖中也可出現(xiàn)少量石墨。石墨可用于制造電極、潤滑劑、鉛筆芯、原子反應(yīng)堆中的中子減速劑等，也可以用作坩堝以及合成金剛石的原料。圖2 石墨的應(yīng)用金剛石內(nèi)部的碳原子呈“骨架”狀三維空間排列，一個碳原子周圍有4個碳原子相連，因此在三維空間形成了一個骨架狀，這種結(jié)構(gòu)在各個方向聯(lián)系力均勻，聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，因此金剛石具有高硬度的特性。天然金剛石是一種珍稀礦物，是寶石之王，因為它是世界上最硬的天然材料。精心琢磨后的金剛石透明有光澤，能呈現(xiàn)出極艷麗的色彩，成為世界上最昂貴的珍寶，也是歷代統(tǒng)治者權(quán)勢和財富的象征。在英國，有一根象征皇權(quán)的英王權(quán)杖，杖上就鑲有一顆稱為“非洲之星”的世界最大的鉆石；而在國王的王冠上，則鑲嵌著象征至高無上皇位的世界第二大鉆石。這兩顆鉆石既是英國曾經(jīng)輝煌于世界的見證，也是工匠們勤勞和智慧的結(jié)晶。有趣的是，既然金剛石是由碳元素組成，而碳在自然界是如此的豐富和廉價，為什么不點石成金？長期以來，人工合成金剛石一直是人類的夢想。自從1954年美國GE公司研制成功了世界上第一顆人造金剛石以來，人造金剛石及其工業(yè)制品已經(jīng)發(fā)展成一個應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛的行業(yè)。目前，世界工業(yè)用金剛石產(chǎn)量約15億克拉，其應(yīng)用幾乎涉及國計民生的各個領(lǐng)域，小到家庭裝修，大到微電子及航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域。比如，金剛石在光學(xué)玻璃冷加工、地質(zhì)鉆探、陶瓷、汽車零件等機(jī)械加工、金屬拉絲等方面引起了革命性的工藝改革，使加工效率、加工精度幾十倍甚至上百倍的提高。圖3 金剛石晶體結(jié)構(gòu)圖圖4 金剛石的應(yīng)用二 碳纖維碳纖維是一種主要由碳元素組成的特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各項異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，有很高的比強(qiáng)度。碳纖維是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。圖5 碳纖維應(yīng)用增長趨勢碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。碳纖維復(fù)合材料在高溫條件下以及對材料強(qiáng)度、剛度、重量、疲勞度等有苛刻要求的應(yīng)用領(lǐng)域具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。碳纖維及其復(fù)合材料是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而發(fā)展起來的，在航空航天領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。此外，還廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤。同樣，飛機(jī)重量的減輕也可以減少油耗，提高航速。比如，有一種垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)，它所用的碳纖維復(fù)合材料已占全機(jī)重量的1/4，占機(jī)翼重量的1/3。據(jù)報道，美國航天飛機(jī)上3級火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵部件以及先進(jìn)的MX導(dǎo)彈發(fā)射管等，都是用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料制成的。三 富勒烯C60 1985年，美國化學(xué)家史莫利與英國化學(xué)家科爾托利用激光照射石墨，使其蒸發(fā)而成碳灰。質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，這些碳灰中含有兩種不明物質(zhì)，其分子量分別為碳的60倍與70倍，故將它們分別命名為 C60與C70。C60中20個正六邊形和12個正五邊形構(gòu)成圓球形結(jié)構(gòu)，共有60個頂點，分別由60個碳原子所占有，經(jīng)證實它們屬于碳的第三種同素異形體，命名為富勒烯(Fullerene）。圖6 C60結(jié)構(gòu)圖和內(nèi)藏一個金屬原子鋰(Li)的C60C60本身是不導(dǎo)電的絕緣體，但當(dāng)堿金屬原子嵌人C60分子的空隙后，C60與堿金屬形成的系列化合物就成為超導(dǎo)體，如K3C60。這種超導(dǎo)體具有很高的超導(dǎo)臨界溫度。與氧化物超導(dǎo)體比較，C60系列超導(dǎo)體具有完美的三維超導(dǎo)性，電流密度大，穩(wěn)定性高，易于展成線材等優(yōu)點，是一類極具價值的新型超導(dǎo)材料。與超導(dǎo)性一樣，鐵磁性是物質(zhì)世界的另一種奇特性質(zhì)。C60和有機(jī)分子作用可形成不含金屬的軟鐵磁性材料，其居里溫度為16.1K，高于迄今報道的其它有機(jī)分子鐵磁體的居里溫度。由于有機(jī)鐵磁體在磁性記憶材料中有重要應(yīng)用價值，因此研究和開發(fā)C60有機(jī)鐵磁體，特別是以廉價的碳材料制成磁鐵替代價格昂貴的金屬磁鐵具有非常重要的意義。此外，C60分子中存在的三維高度非定域電子共軛結(jié)構(gòu)使得它具有良好的光學(xué)性能。由于它具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)和高穩(wěn)定性等特點，C60作為新型非線性光學(xué)材料具有重要的研究價值，有望在光計算、光記憶、光信號處理及控制等方面有所應(yīng)用。將具有特殊籠形結(jié)構(gòu)及功能的C60作為新型功能團(tuán)引入高分子體系，將得到具有優(yōu)異導(dǎo)電、光學(xué)性質(zhì)的新型功能高分子材料。四 碳納米管就結(jié)構(gòu)而言，碳納米管可以看作是普通石墨的一個奇異變種。碳納米管的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把石墨的平面組織卷成管狀，于是黑色的丑小鴨馬上就化做美麗的白天鵝，石墨管搖身一變成為納米科技的新寵。純碳納米管每克售價1000元，價格為黃金的10倍。在科學(xué)家的手中，碳納米管就像是魔術(shù)棒，不斷變換出各種新花樣。碳納米管是目前人類制成的最細(xì)的管子，其粗細(xì)不超過頭發(fā)的萬分之一。碳納米管包括單層壁和多層壁兩種類型：單層壁碳納米管由一層石墨層構(gòu)成，而多層壁的碳納米管則可由二至數(shù)十層同心軸的石墨層構(gòu)成，其石墨層間距為0.34納米，與平面石墨層的間距一致。不管是單層壁還是多層壁碳納米管，碳管的前后端都與C60的半圓形碳結(jié)構(gòu)相似，使整個碳管成為一個封閉結(jié)構(gòu)，故碳納米管也是碳簇的成員之一。碳納米管一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就成為納米科技的主要研究方向。它的很多奇異性能令研究人員十分驚訝?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，碳納米管具有強(qiáng)度高、韌性好、重量輕、性能穩(wěn)定、柔軟靈活、導(dǎo)熱性好、表面積大等諸多優(yōu)點。如果沿碳納米管邊沿的六邊形是沿著長軸方向平行排列的，那么碳納米管就具有金屬特性，能夠?qū)щ?。但是，如果管壁的六邊形呈螺旋狀排列，那么該碳納米管就具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。碳納米管的這些奇異性能，預(yù)示著它在物理、化學(xué)以及材料科學(xué)領(lǐng)域都將有重大的發(fā)展前景和研究價值。比如在材料科學(xué)領(lǐng)域，碳納米管的長度是其直徑的幾千倍，被稱為“超級纖維”。它的強(qiáng)度比鋼高100倍，但密度只有鋼的六分之一。它們非常微小，5萬個并排起來才有人的一根頭發(fā)那么寬。利用碳納米管可以制成高強(qiáng)度碳纖維材料。最近，日本理化研究所的科學(xué)家們在直徑約1納米的筒狀碳納米管兩端配置電極，產(chǎn)生電壓，然后把電子逐個送入碳納米管中，并封閉在碳納米管內(nèi)，成功制造出所謂的“人工原子”，其直徑僅為以前利用半導(dǎo)體制造的“人工原子”的1/300，有望用于制作小型化和更節(jié)能的個人電腦。圖7 碳納米管結(jié)構(gòu)圖碳納米管還被認(rèn)為是新一代平面顯示材料。如果使用具有高度取向性的單壁碳納米管作為電子發(fā)送材料，不但可以使屏幕成像更