碳材料概述課件

1、碳的基礎(chǔ)知識碳的基礎(chǔ)知識1金剛石與石墨金剛石與石墨23新型碳材料新型碳材料4Contents其他傳統(tǒng)炭素材料其他傳統(tǒng)炭素材料v漢字“碳”由木炭的“炭”加石字旁構(gòu)成，從“炭”字音。碳是人類接觸到的最早的元素之一，也是人類利用得最早的元素之一。堯舜時代，炭黑作為涂料；商朝時，廣泛用木炭來冶煉金屬，在冶煉中木炭充當(dāng)燃料、還原劑。v碳元素是一種平凡而神奇的元素，以多種形式廣泛存在于大氣和地殼中，在地殼中的含量為0.027%，能形成多種單質(zhì)和千萬種化合物。碳地球上一切生物有機體的骨架元素。v碳12是國際單位制中定義摩爾的尺度，以12g碳12中含有的原子數(shù)為1 mol。碳14由于具有較長的半衰期，被廣泛用

2、來測定古物的年代。一、碳的基礎(chǔ)知識一、碳的基礎(chǔ)知識 佛羅倫薩科學(xué)院大事記：1649年金剛石消失之謎年金剛石消失之謎1772年，拉瓦錫做了燃燒金剛石和木炭的實驗 后，確定兩種物質(zhì)燃燒都產(chǎn)生CO2，因而金剛石和木炭具有相同的成分。 1776年（1787），拉瓦錫借鑒拉丁語的木炭“carbo”，將碳的英文名定為“Carbon”。并于1789年，碳作為元素被列入第一張元素表中。I I 欄欄：簡單物質(zhì)簡單物質(zhì) 光、熱質(zhì)、氧、氮、氫II II 欄欄：非金屬簡單物質(zhì)非金屬簡單物質(zhì) 硫、磷、碳、鹽酸基、氟酸基、硼酸基IIIIII欄欄：金屬簡單物質(zhì)金屬簡單物質(zhì) 銻、銀、砷、鉍、鈷、銅、錫、鐵、錳、汞、鉬、鎳、金

3、、鉑、鉛、鎢、鋅IV IV 欄欄：土類簡單物質(zhì)土類簡單物質(zhì) 石灰、鎂土、鋇土、鋁土、硅土一、碳的基礎(chǔ)知識關(guān)于“碳材料”與“炭素材料”“炭”與“碳”二字有聯(lián)系又有區(qū)別:碳碳：指碳元素、碳單質(zhì)總體、含碳化合物及其眾多的衍生物時用“碳”如碳水化合物、碳酸鹽、碳?xì)浠衔铩Ｌ刻浚褐赣商荚匦纬傻膯钨|(zhì)，指的是具體物質(zhì)。C/H比在10以上，主要由碳元素組成、多數(shù)為固體材料，如煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭電極、炭塊、炭纖維等?！疤克夭牧稀迸c“炭素制品”的區(qū)別與聯(lián)系炭素材料是個總稱，包括炭素原料和炭素制品，如炭素工業(yè)使用的石油焦、無煙煤、天然石墨屬炭素原料；炭素原料經(jīng)加工制成具有一定形狀及物化性質(zhì)的產(chǎn)品稱炭素制

4、品(如炭質(zhì)電極、石墨電極、炭纖維)。一、碳的基礎(chǔ)知識碳材料：碳材料：結(jié)構(gòu)多樣性結(jié)構(gòu)多樣性功能多樣性功能多樣性傳統(tǒng)碳材料（Classic carbons）木炭、竹炭（Charcoals）活性炭（Activated carbons）炭黑（Carbon blacks）焦炭（Coke）天然石墨（Natural graphite）天然金剛石（Natural diamond）新型碳材料（New carbons）金剛石功能材料（薄膜、納米）石墨層間化合物炭纖維（Carbons fibers）多孔炭（Porous carbons）玻璃炭（Glass-like carbons）柔性石墨（Flexible gra

5、phite ）核石墨（Nuclear graphite ）Fullerene、CNTS、 Graphene碳材料的分類二、金剛石與石墨天然金剛石天然金剛石鉆石鉆石研磨研磨二、金剛石與石墨石墨可分為天然石墨和人造石墨，如等靜壓石墨、模壓石墨、擠壓石墨（作電極材料）。1）作耐火材料，如石墨坩堝、石墨模具;2）作導(dǎo)電材料：在電氣工業(yè)上用作制造電極、電刷、碳棒、碳管、石墨墊圈，電視機顯像管的涂層等;3）用于原子能工業(yè)和國防工業(yè)：作為中子減速劑用于原子反應(yīng)堆;4）作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料;5）石墨可作鉛筆芯、顏料、拋光劑;6）作耐磨潤滑材料，耐燒蝕材料。利用了石墨具有利用了石墨具有導(dǎo)電性、潤滑性

6、導(dǎo)電性、潤滑性和和熔點高熔點高二、金剛石與石墨u金剛石合成已有40多年的歷史。其合成方法大致可分為兩類：石墨轉(zhuǎn)化法（靜態(tài)超高壓高溫法+動態(tài)法）和氣相合成法u1954 年人造金剛石在美國通用電氣公司的誕生，揭開了人工合成金剛石發(fā)展的序幕，它是靜態(tài)高壓高溫技術(shù)發(fā)展的重大成果。u化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石膜的問世是人工合成金剛石技術(shù)發(fā)展的第二次大飛躍。20世紀(jì)50年代和60年代，美國、蘇聯(lián)等國先后在低壓下實現(xiàn)了金剛石多晶膜的化學(xué)氣相沉積。1987年“金剛石薄膜”的合成在世界上興起，但合成方法歸納起來主要有CVD 和 PVD兩類。二、金剛石與石墨鉆頭鉆頭p金剛石主要用于精密機械制造、電子工業(yè)、光學(xué)工

7、業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)及化學(xué)工業(yè)。如固定激光器件的散熱片、紅外激光器的窗口材料，各種鉆頭、磨料等。p天然金剛石稀少，只限于用作裝飾品，工業(yè)應(yīng)用以人工合成金剛石為主。p近年來，金剛石功能化薄膜、微晶金剛石、納米金剛石拓寬了傳統(tǒng)意義上的金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域。三、其他傳統(tǒng)炭素材料炭黑炭黑p以石墨微晶為基礎(chǔ)構(gòu)成的，其共同點是：由石墨的微小晶體和少量雜質(zhì)構(gòu)成的混合物。不同的炭素材料中，微晶的尺寸和微晶的三維排列的有序程度有相當(dāng)大的差別。p炭纖維、多孔碳材料，功能化金剛石薄膜、玻璃炭等。我國古代字畫為什么能夠保存在現(xiàn)在？-常常溫溫下，下，碳碳的化的化學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)很很穩(wěn)穩(wěn)定，定，碳碳受日光照射或受日光照射或與與空空氣氣

8、、水分接水分接觸觸，都不容易起，都不容易起變變化。化。四、新型碳材料CNT：1991年日本筑波NEC實驗室SumioIijim用HRTEM觀察電弧放電后的石墨棒時發(fā)現(xiàn)。Graphene：2004年，物理學(xué)教授安德烈海姆(Andre Geim)和康斯坦丁 諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov）博士用一種簡單易行的膠帶分離法從HOPG中成功制備出了石墨烯。完整的碳系家族完整的碳系家族Diamond：印度金剛石開采的可考?xì)v史大約是16381668 年；Graphite：1779年人們才知道石墨是碳元素的一種物質(zhì)形式；Fullerene：1985年發(fā)現(xiàn)，第三種碳元素的晶體形態(tài)（20個六邊形+1

9、2個五邊形）2010獲獎獲獎四、新型碳材料C60的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)v1985年，英國Sussex大學(xué)的H.W.Kroto和美國Rice大學(xué)的Smalley及Curl等人發(fā)表文章，宣布籠形分子C60的發(fā)現(xiàn)（一種由60個碳原子組成的穩(wěn)定原子簇）。此后又發(fā)現(xiàn)了C50、C70、C240乃至C540等，它們都具有空心的球形結(jié)構(gòu)，屬于籠形碳原子簇分子。由于C60的結(jié)構(gòu)類似建筑師Buckminster Fuller設(shè)計的圓頂建筑，因而稱為富勒烯(Fullerence)。從化學(xué)和材料科學(xué)的角度來看，富勒烯具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景。美美國國建筑建筑師師富勒的富勒的設(shè)計設(shè)計之一之一 C60是是20世紀(jì)的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)

10、之一，極大地拓展了人類對碳材料的認(rèn)識！世紀(jì)的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，極大地拓展了人類對碳材料的認(rèn)識！四、新型碳材料C60的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn) C60的主要合成法：石墨氣化法（激光、電弧）、純碳燃燒法應(yīng)用前景：應(yīng)用前景：超導(dǎo)材料：金屬摻雜（K, Rb)的C60插層合物（18K，29K）最早令人關(guān)注的。（室溫下富勒烯是分子晶體，C60的能隙為1.5eV（半導(dǎo)體）。但經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕饘贀诫s后能變成超導(dǎo)體。 ）磁性材料： Dy組裝在C80的籠內(nèi)；太陽能電池材料：PCBM， C60的有機衍生物，由于它的很好的溶解性，很高的電子遷移率等常用于有機太陽能電池的電子受體標(biāo)準(zhǔn)物 ； 催化劑材料：有機官能團改性，此外還有醫(yī)學(xué)、光學(xué)

11、領(lǐng)域。富勒烯的合成成本很高，其潛在的應(yīng)用還在不斷的探索中！四、新型碳材料Carbon Nanotubes的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)Nature 354, 56 - 58 (1991) MWNTSWNT四、新型碳材料Carbon Nanotubes的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)碳納米管的大量制備：碳納米管的大量制備：電弧放電法（已用于工業(yè)化生產(chǎn)）、激光蒸發(fā)法、CVD法、高溫分解C-H化合物法。qArc Discharge Methods:電弧室充惰性氣體保護，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧，再拉開，以保持電弧穩(wěn)定。放電過程中陽極溫度相對陰極較高，所以陽極石墨棒不斷被消耗，同時在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。q電弧法多采用直流

12、電弧，電弧放電條件一般為：電極電壓2030V；電流50150A；氣體壓力1080kPa。Materials Today, Oct 2004, pages 22-49.四、新型碳材料p納米碳管儲氫 原理：吸附氫氣的吸附和脫附可在常溫進行，只要改變壓力即可；儲氫量大，純凈單壁碳納米管達5.010%(一般7.4%)，符合美國能源部的標(biāo)準(zhǔn)（6.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）p納米碳管在化學(xué)傳感器中的應(yīng)用 由于碳納米管暴露在NO2和NH3時，電導(dǎo)發(fā)生明顯的增加或減小，奠定了在氣體化學(xué)傳感器應(yīng)用的基礎(chǔ)。Kong. J等人測定了SWNT在NO2 和NH3通過時，碳納米管電導(dǎo)隨電壓的變化情況。Science，2000, 28

13、7：622-625 電導(dǎo) NO2 3個數(shù)量級；電導(dǎo) NH3 2個數(shù)量級應(yīng)用：環(huán)境中NO2 和NH3的監(jiān)測。 IBM 研制的碳納米管芯片 (2012.11)右圖中非常黯淡的黑線是跨越兩個電觸點間隙的碳納米管。 IBM的技術(shù)可以在每一個溝槽中放置一根碳納米管。http:/ Materials 6, 183 - 191 (2007)Graphene石墨烯是由碳原子以sp2雜化連接的單原子層構(gòu)成的，其理論厚度僅為0.35 nm，是目前所發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料，石墨烯是構(gòu)建其它維數(shù)碳材料（如零維富勒烯、一維CNTs、三維石墨）的基本單元。Graphene can be 0D: fullerenes (wr

14、apped up)1D: nanotubes (rolled into)3D: graphite (stacked into)四、新型碳材料微機械剝離法微機械剝離法碳納米管橫向切割法碳納米管橫向切割法微波法微波法電弧放電法電弧放電法光照還原法光照還原法石墨氧化還原法石墨氧化還原法電化學(xué)還原法電化學(xué)還原法熱膨脹法熱膨脹法液相液相/氣相剝離石墨法氣相剝離石墨法碳化硅裂解法碳化硅裂解法外延生長法外延生長法化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法石石墨墨烯烯的的制制備備方方法法 大面積石墨烯薄膜的制備大面積石墨烯薄膜的制備四、新型碳材料SiO2SiHOPG透明膠帶透明膠帶高定向裂解石墨高定向裂解石墨v 力學(xué)性能：

15、斷裂強度可達13010GPa，彈性模量達10.1TPav 電學(xué)性能：電子的傳輸速度為光子的1/300，室溫下較高的電子遷 移率(15000cm2/(VS ) v 石墨烯是能隙為零的二維半導(dǎo)體，是凝聚態(tài)物理學(xué)中描述無質(zhì)量的狄拉克費米子一個理想實物模型材料v 載流子作有效質(zhì)量為零的運動，電子沒有質(zhì)量v 室溫量子霍爾效應(yīng) 載流子彈道運輸 比金剛石更大的硬度v 光學(xué)性能：對近紅外、可見光及紫外光均具有優(yōu)異的透過性，可吸收大約2.3%的可見光 。四、新型碳材料超超級計級計算機芯片算機芯片-目前世上目前世上電電阻率阻率最小的材料，最小的材料，電電阻率阻率僅為僅為10-6 cm在室在室溫溫下硅基下硅基處處理

16、器的理器的運運行速度行速度達達到到4-5GHz 后就很后就很難難在在繼續(xù)繼續(xù)提高。提高。 替代硅生產(chǎn)超級計算機、光子傳感器、液晶顯示材料、新一代太陽能電池p石墨烯作為硅的替代品材料來制作晶體管器件是讓科學(xué)家們頗為期待的重要一項應(yīng)用，也是最受關(guān)注的領(lǐng)域之一。p石墨烯擁有比硅更高的載流子石墨烯擁有比硅更高的載流子遷移率，而且電子在石墨烯中運遷移率，而且電子在石墨烯中運動會產(chǎn)生很少的熱量，使用石墨動會產(chǎn)生很少的熱量，使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)的處理器能夠達烯作為基質(zhì)生產(chǎn)的處理器能夠達到到1THz1THz即即1000GHz1000GHz） 。石墨烯可制成能夠折疊的顯示器p目前用于制作太陽能電池窗口電極、顯

17、示器和觸摸屏等器件的材料是銦錫氧化物半導(dǎo)體透明薄膜（ITO），但銦在地球上含量有限；同時ITO材料在近紅外光區(qū)的透光性比較差，不利于制造柔性器件。p石墨烯不僅具有非常高的導(dǎo)電性，而且擁有更高的強度和更好的韌性，能夠制成可以彎曲折疊的顯示，被認(rèn)為是替代ITO的合適材料。未來石墨烯將制成可折疊的顯示器未來石墨烯將制成可折疊的顯示器四、新型碳材料從左到右：在石墨烯上印好的銀電極把材料分成大小為3.1英寸的區(qū)域； 組裝好的石墨烯觸摸屏面板； 接到電腦上使用的石墨烯觸摸屏四、新型碳材料v 氣體分子傳感器氣體分子傳感器v 儲能材料儲能材料v 藥物控制釋放藥物控制釋放v 離子篩離子篩v 作為電極材料作為電極

18、材料v 復(fù)合材料復(fù)合材料四、新型碳材料謝謝大家！謝謝大家！請老師和各位同學(xué)指正！請老師和各位同學(xué)指正！其他應(yīng)用l超級電容器l藥物控制釋放l計算機芯片l作為電極材料1717世紀(jì)世紀(jì)4040年代，陽光明媚的夏日，意大利佛年代，陽光明媚的夏日，意大利佛羅倫薩科學(xué)院，幾位院士圍坐在花園中的一個羅倫薩科學(xué)院，幾位院士圍坐在花園中的一個石桌旁，用放大鏡觀察、研究一小顆珍貴的金石桌旁，用放大鏡觀察、研究一小顆珍貴的金剛石。當(dāng)金剛石所處的位置與凸透鏡的焦點吻剛石。當(dāng)金剛石所處的位置與凸透鏡的焦點吻合時，金剛石折射出耀眼的強光，院士們紛紛合時，金剛石折射出耀眼的強光，院士們紛紛調(diào)頭躲避。當(dāng)他們回過頭時，卻意外地發(fā)現(xiàn)閃調(diào)頭躲避。當(dāng)他們回過頭時，卻意外地發(fā)現(xiàn)閃閃發(fā)光的金剛石不見了。人們