碳材料科學(xué)-知識點(diǎn)總結(jié)

1、1、炭材料的多樣性？(廣義和狹義定義)廣義上看：金剛石、石墨、咔賓都屬于炭材料，這是一個(gè)廣義的定義，但由于金剛石和咔賓在自然界存在非常少，結(jié)構(gòu)也單一，不像石墨那樣具有眾多的過渡態(tài)中間結(jié)構(gòu)（如焦炭、CF、煤炭、炭黑、木炭等）。 狹義上看：炭材料一般是指類石墨材料，即以SP 雜化軌道為主構(gòu)成的炭材料，從無定形炭到石墨晶體的所有中間結(jié)構(gòu)物質(zhì)（過渡態(tài)碳），它是由有機(jī)化合物炭化制得的人造炭。補(bǔ)充：新型炭材料： 根據(jù)使用的目的，通過原料和工藝的改變，控制所得材料的功能，開發(fā)出新用途的炭及其復(fù)合材料。大谷杉郎認(rèn)為：新型炭材料可大致分為三類。一是強(qiáng)度在100MPa以上，模量在10GPa以上使用時(shí)不必后加工的方

2、法制得的新型炭成型物；二是以炭為主要構(gòu)成要素，與樹脂、陶瓷、金屬等組成的各種復(fù)合材料；三是基本上利用炭結(jié)構(gòu)的特征，由炭或炭化物形成的各種功能材料。2、炭材料的基本性質(zhì)？和金屬一樣具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性； 和陶瓷一樣耐熱、耐腐蝕； 和有機(jī)高分子一樣質(zhì)量輕，分子結(jié)構(gòu)多樣； 另外，還具有比模量、比強(qiáng)度高，震動(dòng)衰 減率小，以及生體適應(yīng)性好，具滑動(dòng)性和減速中子等性能。這些都是三大固體材料 金屬、陶瓷和高分子材料所不具備的。因 此，炭及其復(fù)合材料被認(rèn)為是人類必須的 第四類原材料。3、炭材料科學(xué)的主要研究內(nèi)容？研究自然界中（廣義）一切增炭化（富碳）物質(zhì)的形成過程機(jī)理，特別是著重于它（包括原料經(jīng)歷部分炭化的中間產(chǎn)

3、物）多層次的微觀結(jié)構(gòu)的形成，以及此結(jié)構(gòu)在外界條件 （如溫度、壓力）影響下的轉(zhuǎn)變。此外，炭科學(xué)還研究炭集合體的各種物理與化學(xué)性質(zhì)。 核心內(nèi)容：自有機(jī)物前驅(qū)體出發(fā)，通過熱處理使有機(jī)物轉(zhuǎn)化成具有可被控制的微晶排列的炭固體，這一知識乃是炭材料科學(xué)的最核心部分。有機(jī)原料中間狀態(tài)終炭材料 ：1、形成過程（機(jī)理） 2、各過程中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（化學(xué)、物理）3、外界條件與材料結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系；第一部分 碳的結(jié)構(gòu)與性能1、 碳的結(jié)晶形式有哪些，闡述其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系？結(jié)晶形式：金剛石、石墨、咔賓、 富勒烯金剛石：SP3雜化軌道，四個(gè)等同共價(jià)鍵，具飽和性和方向性面心立方晶體特征：1）硬而脆；2）碳中密度最大（3.5

4、2g/cm3）；3) 1800以上轉(zhuǎn)換為石墨；4）電絕緣體和熱良導(dǎo)體；5）具四個(gè)等同軌道，如果與氫、碳結(jié)合就形成典型的脂肪族化合物。石墨：SP2雜化軌道，2S2Px2Py三個(gè)在同一平面內(nèi)互為120角的三個(gè)等價(jià)的鍵，剩余的2Pz軌道與鍵所在的平面垂直形成鍵；電子屬非定域電子，在受到外電磁場作用時(shí)可在六元環(huán)網(wǎng)上自由運(yùn)動(dòng)，形成金屬鍵；鍵較弱，易發(fā)生斷裂；特性：1）不熔融和極高的化學(xué)穩(wěn)定性，a面內(nèi)抗拉強(qiáng)度極高；2）導(dǎo)電導(dǎo)熱性好；黑色；3）解離性和自潤滑性，易形成層間化合物；4）各向異性。咔賓：SP雜化軌道，2 個(gè)鍵，2個(gè)鍵；兩種類型： 累積烯烴 =C=C=C= 聚炔 -C=C-C=C-；線狀，單元鏈長

5、10-12C原子，六方晶體；樹脂狀組織，白色，白碳特性：具有半導(dǎo)體及超導(dǎo)體性質(zhì)；生物相容性好；由 聚炔出發(fā)易于轉(zhuǎn)化為金剛石。富勒烯：當(dāng)SP2雜化軌道形成的六圓環(huán)在一起形成某些五圓環(huán)時(shí)，它就不再呈平面狀而是呈現(xiàn)球狀籠形結(jié)構(gòu)；C60：20個(gè)六元環(huán)、12個(gè)五元環(huán)，當(dāng)六元環(huán)增加時(shí)，則可形成更大的球形分子；最大到C960。特性：C60為球形分子，可以在有機(jī)溶劑中溶解；相等的化學(xué)環(huán)境，芳香性； C60直徑7.1A，分子晶體，有機(jī)與無機(jī)的交叉點(diǎn)。2、 碳的相圖及其相互轉(zhuǎn)化？金剛石和石墨的形成及轉(zhuǎn)化條件：C(diamand)C(graphite) H=-2.1KJ/mol石墨低壓穩(wěn)定相、金剛石高壓穩(wěn)定相A：石

6、墨催化轉(zhuǎn)化為金剛石的區(qū)域B：石墨自發(fā)快速轉(zhuǎn)化為金剛石的區(qū)域C：金剛石自發(fā)快速轉(zhuǎn)化為石墨的區(qū)域D：石墨自發(fā)緩慢轉(zhuǎn)化為金剛石的區(qū)域T1: 4100K P1: 12GPaT2: 4020±50KP2: 12.25 ±1.47MPa 3、概念：炭化，石墨化，可石墨化炭，不可石墨化炭，石墨化性炭，非石墨化性炭1）Carbonization (炭化) is a process of formation of material with increasing carbon content from organic material, usually by pyrolysis, endin

7、g with an almost pure carbon residue at temp. up to 1600K. 2) Graphitization （石墨化） Is a solid state transformation of thermodynamically unstable non-graphitic carbon into graphite by thermal activation. The degree of graphitization depends upon the temp. of the heat treatment and the time allowed to

8、 anneal structure.3) Non-graphitizable Carbon（不可石墨化炭） are those which cannot be transformed into graphitic carbon solely by heat treatment up to 3300K under atmospheric or lower pressure. 4) Graphitizable Carbon (可石墨化炭) are those which can be transformed into graphitic carbon by heat treatment up to

9、 3300K under atmospheric or lower pressure. 5) Non-graphitic Carbon（非石墨質(zhì)炭） are all varieties of substance consisting mainly of the element carbon with two dimensional long range order of the carbon atoms in plannar hexagonal networks, but without any measurable crystallographitic order in the third

10、direction (c-direction) apart from more or less parallel stacking.Many non-graphitic carbon can be converted into graphitic carbons by heat treatment to about 2500K. Such conversion is called graphitization. 6) Graphitic Carbon（石墨質(zhì)炭） are all varieties of substance consisting of the element carbon in

11、 the allotropic form of graphite irrespective of the presence of structural defects.4、 石墨化度的表征？石墨化程度的表征/石墨化度：XRD: d002 La LcMaire and Meringd002=3.354g+3.440(1-g) g=0-1 g=(3.440- d002)/(3.440-3.354)L(hkl)=k/cos5、 炭材料具有優(yōu)良抗熱震性能的原因？材料在高溫下使用并且經(jīng)受溫度劇變而不破壞的 性能，又稱耐急冷急熱性和熱穩(wěn)定性。 （1 ）溫度急變導(dǎo)致材料破壞的原因 ： 熱傳導(dǎo)的滯后性，表面和

12、內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度 （2 ）炭材料具有優(yōu)良抗熱震性能的原因A、熱導(dǎo)率值大和線膨脹系數(shù)l值?。?B、模量E值小，緩解熱應(yīng)力的效果好； C、提高材料的抗拉或抗切強(qiáng)度有利于改善抗熱震性。6、 炭材料熱膨脹的特點(diǎn)？A、比金屬材料小得多；B、易石墨化炭材料的線膨脹系數(shù)隨石墨化度提高而減小，難石墨化炭材料則相反度提高而減小，難石墨化炭材料則相反；C、炭材料的線膨脹系數(shù)具有各向異性 a方向：<400，變化很小，常溫達(dá)到極小，隨后增大，800 1x10-6/K c方向:為正值，（25-30）10-6/K。7、 炭材料導(dǎo)電的特點(diǎn)？A、電阻率具有明顯的各向異性；B、石墨化程度高則電阻率??； C、電阻溫度系數(shù)不

13、同炭材料的電阻率和電阻溫度系數(shù)不同，有的隨溫度升高而減小，有的則增大。 在一定溫度下的導(dǎo)電性是在此溫度下材料內(nèi)自由電子熱激發(fā)和晶格點(diǎn)陣熱振動(dòng)的綜合反映。8、 影響炭材料力學(xué)性能（強(qiáng)度和模量）的因素，如何提高CF的力學(xué)性能？基本結(jié)構(gòu)特征：1）多晶多層結(jié)構(gòu)；2）宏觀組織特征是含有氣孔。因此，炭材料的力學(xué)性能受到 氣孔率、孔徑分布、組織缺陷、晶粒大小、石墨化度等因素的影響。提高CF強(qiáng)度的主要措施: 細(xì)晶化和減少缺陷。9、 炭與過渡金屬的反應(yīng)類型？1）B、B（以Cu,Zn為代表，d ），不與碳反應(yīng)； 2）B族（ Fe,Co,Ni為代表，d層6-10電子），催化熔解碳，形成固溶體；3）B-B族（Ti,C

14、r,Mn為代表，d層2-5電子），與碳共價(jià)形成碳化物。第二部分 有機(jī)物成炭的途徑1、 炭化的概念及包含哪些類型？有機(jī)化合物的炭化途徑：1）氣相炭化；2）液相炭化中間相理論與應(yīng)用3）固相炭化與多相炭化。2、 炭化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)？3、 有機(jī)物熱解的一般規(guī)律？4、氣相炭化的定義及包含哪些內(nèi)容？定義：考察一切氣態(tài)原料轉(zhuǎn)化成固體碳的過程，即揮發(fā)先于熱解的化合物、碳原子數(shù)在20個(gè)以下的鏈烷烴、烯烴或芳烴化合物，通常具有200以下的沸點(diǎn)，在通常情況下于氣相中進(jìn)行炭化。主要包括：1）氣態(tài)烴高溫下在惰性固體表面的沉炭反應(yīng)；2）烴類在無氧和有氧熱解條件下氣相成核和多分散炭黑的形成；3）在活性金屬質(zhì)點(diǎn)存在下氣態(tài)烴類經(jīng)催

15、化分解而生成纖維狀炭。4、 低碳烴的熱解反應(yīng)規(guī)律及其化學(xué)反應(yīng)類型？低碳烴的熱解反應(yīng)規(guī)律：a鏈烷烴：CnH2n+2 CnH2n + H2；CnH2n+2 Cn-xH2n-2x+2 + CxH2xb烯烴：在中溫壓力（<500 ,50atm）下，烯烴的熱反應(yīng)以聚合為主，高分子量烯烴也發(fā)生解聚反應(yīng)。乙烯初期產(chǎn)物（甲烷、乙炔、丙烯、1-丁烯和丁二烯等）終產(chǎn)物（環(huán)烯烴和芳烴化合物）c環(huán)烷烴：主要發(fā)生脫氫反應(yīng)形成芳烴e無取代芳烴：主要導(dǎo)致生成聯(lián)芳基（聯(lián)苯、聯(lián)萘等）f取代芳烴：烷基取代芳烴在熱解時(shí)化學(xué)鍵的碎裂發(fā)生在側(cè)鏈上C-C、C-C、C芳-C鍵，生成二芳基甲烷、二芳基乙烷、烷基聯(lián)苯等，進(jìn)一步的熱縮聚導(dǎo)

16、致生成大尺寸多環(huán)芳烴或齊聚多核聯(lián)芳基。熱解中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：a脫氫反應(yīng)b D-A反應(yīng)c 自由基反應(yīng)d 重排反應(yīng)5、 熱解炭的類型及其形成機(jī)理？1）高溫?zé)峤馓?(High temperature pyrocarbons)：甲烷在高于2000、減壓（2KPa）下熱解制備的一種層狀織構(gòu)（Laminar Texture）炭材料。（熱解石墨(Pyrographite or HOPG):是一種高溫?zé)峤馓浚?）低溫?zé)峤馓浚↙ow temperature pyrocarbons）：氣體在1000左右熱解通過CVD、CVI（Chemical vapor infiltration）方法沉積固體表面或浸滲固體內(nèi)部，

17、達(dá)到增加基體材料密度的目的。（主要用來增密纖維預(yù)成型體、孔狀石墨和炭顆粒制品）6、 制備高密度熱解炭的工藝要求？1）低溫和極低的壓力（7x102Pa）；2）等溫；3）低原料氣體濃度，以惰性氣體稀釋以降低原料濃度；4）添加氫氣以抑制熱解反應(yīng)。7、 炭黑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及形成機(jī)理？結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：依制備方法各異，炭層平行于球的表面排列，屬于無定型結(jié)構(gòu)炭，石墨片層大小、缺陷、雜原子含量、表面官能團(tuán)、鍵彎曲程度等均不同。形成機(jī)理：a)無氧熱解體系中炭黑的形成：通過氣相中液滴的形成和進(jìn)一步的炭化。初始烴高溫?zé)峤庑纬芍饕啥喹h(huán)芳烴構(gòu)成的大分子，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，大分子的蒸氣分壓逐漸提高，直至達(dá)到飽和蒸氣壓，此時(shí)凝結(jié)

18、成液滴。多環(huán)芳烴大分子繼續(xù)生成，冷凝到初生成的液滴上，使之長大。液滴繼續(xù)發(fā)生高溫炭化反應(yīng)，轉(zhuǎn)成固態(tài)。b)火焰中炭黑的形成：反應(yīng)機(jī)制十分復(fù)雜，在很高溫度下進(jìn)行，反應(yīng)速率快，炭黑生成的理論尚處于發(fā)展和完善中。第一擴(kuò)散火焰Tmax=1300：燃料和氧的接觸是借助于環(huán)境中的氧經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入火焰，燃料熱解、聚合導(dǎo)致由多環(huán)芳烴構(gòu)成的液滴，液滴經(jīng)進(jìn)一步長大、炭化得到炭黑。第二予混合火焰Tmax=1400-1800：最高溫度可達(dá)1800，反應(yīng)速度快，瞬間就生成大量不穩(wěn)定的自由基，存在壽命僅百分之幾到千分之幾秒，極難檢測。予混合火焰中炭黑的形成機(jī)理，目前僅處于研究和繼續(xù)闡明之中。9、炭黑結(jié)構(gòu)與富勒洋蔥結(jié)構(gòu)的差異？1

19、0、 氣相生成炭纖維的結(jié)構(gòu)及性能？與納米炭管的不同之處？氣相生長炭纖維（ Vapor-grown carbon fibers, VGCF）是通過碳?xì)浠衔铮ㄈ缫胰病⒈?、天然氣等）在超微金屬催化劑（如：鐵、鈷、鎳或它們的合金）的作用下高溫裂解而生成的纖維（常為空心纖維）；直徑一般為幾納米至十幾微米，長度為幾微米至幾十厘米。直線型VGCF、分枝型VGCF、彎曲型VGCF VGCF、螺旋型VGCF、竹節(jié)型和串珠型VGCFVGCF性能特點(diǎn)：1）長徑比大，1000-10000；2）視密度低，0.01-0.04g/cm3，在基體中具有很好的分散性；3）力學(xué)性能高（拉伸強(qiáng)度為4-6Gpa，楊氏模量為600-

20、800GPa ），具有很好的柔韌性；4）良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性（耐溫500-700）；5）高度可石墨化性，導(dǎo)致其在電和熱的傳導(dǎo)以及抗氧化等方面具有獨(dú)特性能。11、 液相炭化的概念？熱解先于揮發(fā)的液體或高溫下熔融的固體烴類有機(jī)物在惰性氣氛中熱解時(shí)，一般經(jīng)歷液相炭化成炭，其溫度范圍一般在350-550，主要對象為重質(zhì)稠環(huán)芳烴，如瀝青、渣油、蒽、萘等的熱解。12、 液相炭化中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)？A）氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)：由電子遷移引起的離子化反應(yīng)即芳烴間相互作用所誘發(fā)的氫轉(zhuǎn)移，氫陰離子向電子遷移后具有正電荷的芳核轉(zhuǎn)移所需要的能量更低。B）自由基反應(yīng)：是液相炭化中最主要的反應(yīng)。分兩階段進(jìn)行：通過化學(xué)電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生一自由

21、基離子自由基。它極不穩(wěn)定，反應(yīng)性強(qiáng)，壽命短；穩(wěn)定的自由基縮聚物在反應(yīng)的第二階段形成，由于離域性，被共振穩(wěn)定化，可由ESR測定。C）增環(huán)反應(yīng)1）自正丁基轉(zhuǎn)變?yōu)榉疲ǚ肿觾?nèi)縮合）2）Elbs反應(yīng)（分子內(nèi)縮合）3）-CH2-CH2-（分子內(nèi)縮合）4）D-A反應(yīng)（分子間縮合）5）芳核脫氫縮聚（分子間通過芳核縮合）6）重排反應(yīng)13、 共振能、自由價(jià)和電離勢的物理意義及在表征芳烴反應(yīng)性方面的特點(diǎn)？共振能：共振論法和分子軌道法是對有機(jī)體系中共軛分子和芳香分子中的電子的本性作出的質(zhì)和量的處理。當(dāng)芳香環(huán)數(shù)一定時(shí)，環(huán)的配置能夠產(chǎn)生出最多共軛苯型環(huán)單元者最為穩(wěn)定。一般地說、隨著芳香環(huán)數(shù)的增多，芳香體系的共振能增加，其

22、穩(wěn)定性增加。缺點(diǎn)：共振能從離域的角度表征分子的能量特征或熱力學(xué)性能，其值與分子體積的關(guān)系比較直接，掩蓋了分子中各個(gè)點(diǎn)位的化學(xué)活性差別；電離勢：Huckel關(guān)系式ip=4.39+0.857p；熱活性芳烴（ip<7.10ev）、熱惰性芳烴(ip>7.10ev)限制性：電離勢則適用于化學(xué)鍵的異裂即離子化反應(yīng)的情況。自由價(jià)（Fr）：是對碳原子的剩余的未使用的鍵合能力的一個(gè)量度。Fr=Nmax-Nr（ Nmax是與原子r的化學(xué)性質(zhì)和雜化狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)，Nr是將原子r與分子中其余原子相聯(lián)的所有化學(xué)鍵的鍵序之和。Fr(max):自由價(jià)最大值，F(xiàn)r(max)>0.53 活性質(zhì)點(diǎn)Fr(max)

23、<0.53 惰性質(zhì)點(diǎn)。限制性：自由價(jià)最大值由于能夠表征和區(qū)分分子中各個(gè)點(diǎn)位的化學(xué)活性，因此常被用于同多環(huán)芳烴的熱反應(yīng)性相關(guān)聯(lián)。14、 中間相的形成過程？A）瀝青類有機(jī)化合物在中溫（350-550）惰性氣氛中進(jìn)行熱處理時(shí)，經(jīng)過熱解，脫氫和縮聚等一系列化學(xué)反應(yīng)逐步形成分子量大，平面度較高，熱力學(xué)穩(wěn)定的縮合稠環(huán)芳烴；B)當(dāng)縮合稠環(huán)芳烴平面大分子形成的足夠大時(shí)，它們之間的相互作用力增強(qiáng)，在表面張力(或分子間作用力)的作用下定向排列，為使表面能最小，自組裝生成直徑為1100m的光學(xué)各向異性球狀聚集體（它是瀝青類有機(jī)化合物由液態(tài)向固體炭（焦炭）過渡轉(zhuǎn)化時(shí)的中間液晶狀態(tài)，故被稱作碳質(zhì)中間相（Carbo

24、naceous Mesophase）或碳質(zhì)液晶 (Carbonaceous Liquid Crystal)。C) 微球在進(jìn)一步熱處理時(shí)逐漸長大融并成為瀝青整體中間相，它作為高性能中間相瀝青基炭纖維和高級粘接劑的原料已獲得廣泛研究和應(yīng)用。15、 中間相的結(jié)構(gòu)模型（物理和化學(xué)模型）？物理模型：地球儀模型（Brooks-Taylor模型）、同心球殼型（洋蔥型、K J Huttinger）、扁圓片型（Lewis, Kovac和今村鍵）16、液晶的類型及中間相液晶的特點(diǎn)？液晶類型：近晶型(Semectic)、向列型(Nematic)、膽甾型(Cholesteric)中間相向列液晶的類型：1) 化學(xué)變型液

25、晶 (Chemotropic)；2）熱變型液晶(Thermotropic)；3）溶變型液晶(Lyotropic)；4）Discotic結(jié)構(gòu)(同質(zhì)多晶相)17、中間相的光學(xué)顯微形態(tài)？1）光學(xué)各向異性；2）多色性：石膏色檢板中的光振動(dòng)方向與晶體中異常光振動(dòng)方向一致發(fā)生疊加現(xiàn)象,為蘭色;相交時(shí),發(fā)生相減現(xiàn)象,為黃色。18、中間相形成的主要條件？形成中間相的主要條件：a芳烴分子單元大?。籦分子的平面度；c分子內(nèi)碳原子排列的連續(xù)性或完善性。¸形成中間相的組份（mesogen）應(yīng)該具有：分子量高且分布狹窄、各向同性/各向異性轉(zhuǎn)變溫度稍高于軟化點(diǎn)，芳香度高等特點(diǎn)。19、原料芳烴結(jié)構(gòu)與形成的中間相性

26、能的關(guān)系？ 要形成可塑性好、球體發(fā)育完整且缺陷較少的中間相，需要芳烴原料具有以下特點(diǎn)：a 低固體雜質(zhì)及雜原子含量； b芳香度高、縮合度低；c適宜的分子大小即環(huán)數(shù)；d分子量分布狹窄，結(jié)構(gòu)均勻，質(zhì)量穩(wěn)定；e含有適量烷基側(cè)鏈和環(huán)烷結(jié)構(gòu)20、反應(yīng)條件對中間相形成的影響？21、如何進(jìn)行液相炭化反應(yīng)分子設(shè)計(jì)？22、制備高性能瀝青基炭纖維對原料中間相瀝青的要求？1）具有適當(dāng)?shù)娜廴跍囟群土己玫牡蜏乜杉徯裕?）一定的熱穩(wěn)定性；3）較低溫度下與氧的反應(yīng)性；4）高度發(fā)達(dá)的光學(xué)各向異性；5）炭化收率高；6）雜質(zhì)及雜原子含量低。23、加氫還原的目的，環(huán)烷結(jié)構(gòu)對形成優(yōu)質(zhì)中間相的影響？加氫還原的目的：氫化處理后形成部分環(huán)烷

27、結(jié)構(gòu)，提高了瀝青的流動(dòng)性和可紡性。3）環(huán)烷結(jié)構(gòu)；作用：氫轉(zhuǎn)移；寬的熔融溫間。24、固相炭化的定義及其特征？固態(tài)的炭化反應(yīng)物不經(jīng)氣相或液相而直接于固態(tài)發(fā)生分解和熱縮聚反應(yīng)，變成固態(tài)炭化生成物的過程，成為固相炭化。特征 :1）原始固態(tài)物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)基本確定了最終炭的形態(tài)和結(jié)構(gòu)； 2）由固相炭化一般得到無擇優(yōu)取向的難石墨化性炭前驅(qū)體，炭化條件難以改變原料炭的本性； 3）如果將炭化分子進(jìn)行預(yù)處理，使之具有高度的擇優(yōu)取向，雖然其石墨化性本質(zhì)不變，但反應(yīng)后的芳構(gòu)平面有時(shí)也會(huì)具有取向性，也可以經(jīng)過固相反應(yīng)得到易石墨化性炭。25、瀝青纖維和PAN原絲不熔化處理的差異，其反應(yīng)有哪些？PAN原絲不熔化處理（原絲的

28、預(yù)氧化）：目的在于使PAN原絲分子環(huán)化脫氫，轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，變?yōu)椴蝗懿蝗垠w，提高炭化收率。主要反應(yīng)：* 環(huán)化反應(yīng)、* 脫氫反應(yīng)、* 氧化還原反應(yīng)。主要因素有：溫度、時(shí)間、氣氛介質(zhì)和牽伸程度等。牽伸：使PAN分子鏈沿軸向排列，提高取向度，改善力學(xué)性能；瀝青纖維不熔化處理：在制備CF過程時(shí),預(yù)氧化過程中纖維收縮使分子鏈的取向度降低,對纖維施加張力可使CF的強(qiáng)度和模量都得到提高。纖維的摸量隨牽伸而增加，但纖維的強(qiáng)度卻受許多因素影響，過度牽伸反而造成纖維的裂紋和孔隙，導(dǎo)致CF強(qiáng)度的下降。26、由固相炭化制備高定向石墨薄膜的三個(gè)先決條件？1）聚合物原料中單體分子具有高的平面度；2）聚合物分子鏈沿膜

29、表面的預(yù)定向度要盡可能高；3）熱解時(shí)只能釋放出簡單分子的氣體，以不擾亂碳網(wǎng)層面的形成。27、CF有哪些類型，各自性質(zhì)如何？粘膠基CF：PAN基炭纖維：瀝青纖維：由人造絲制得的CF（粘膠基CF）的橫截面積形狀大多不規(guī)則，一般呈樹葉狀，表面溝槽十分清晰；粘膠基炭纖維的堿金屬含量低（<100ppm），而PAN-CF高達(dá)數(shù)千ppm，另外，前灰分低、密度小、導(dǎo)熱性差，更適合于作耐燒蝕材料，因?yàn)殁c等堿金屬不僅是碳氧化的催化劑，而且在相當(dāng)?shù)偷臏囟认掳l(fā)生離子化并使燒蝕體周圍空間的電子濃度急增，從而使追蹤耐燒體的雷達(dá)截面積擴(kuò)大并干擾微波通訊。因此，至今美國用于導(dǎo)彈等空間耐燒系統(tǒng)的CF都是粘膠基CF。例如，

30、分導(dǎo)式多彈頭MK-12A洲際導(dǎo)彈的C/C鼻錐使用的CF就是Thornal-50。第三部分 炭的表面化學(xué)1、 炭的氣化反應(yīng)的本質(zhì)及其一般規(guī)律？表面反應(yīng)的實(shí)質(zhì) ：1含有雜原子,如:H、O、N、S、P等； 2化學(xué)缺陷和晶體缺陷，如空穴、位錯(cuò)、邊界、堆積缺陷等；3表面含有無機(jī)礦物質(zhì)，可起催化作用。炭氣化反應(yīng)的一般規(guī)律 ：* 隨炭的制備溫度的提高，其反應(yīng)活性降低； * 比表面積大的炭顯示出高的反應(yīng)性； * 同一炭中邊緣碳原子具有較高的反應(yīng)活性； * 含有礦物質(zhì)的炭表現(xiàn)出強(qiáng)的反應(yīng)活性。2、 降低氣-炭反應(yīng)的途徑？降低氣-炭反應(yīng)的途徑：降低開口氣孔率，阻止氣體向炭表面的擴(kuò)散；提高炭的晶體度，降低反應(yīng)可能發(fā)生

31、的活性點(diǎn)； 驅(qū)除可起催化作用的異物； 表面引入原子或基團(tuán)降低炭的反應(yīng)性（又叫負(fù)催化劑，磷、鹵素、硼等）； 表面涂以玻璃層，形成氣體向炭擴(kuò)散的阻擋層。3、 CF進(jìn)行表面處理的目的，與纖維的預(yù)氧化處理有何不同？目的： CF與基體樹脂之間的界面結(jié)合是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，兩相之間結(jié)合主要靠三種力：化學(xué)鍵、范德華力和機(jī)械嵌合力。表面處理的目的在于提高界面結(jié)合力，進(jìn)而提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度 （Interlaminar shear strength, ILSS）。 CF表面的活性官能團(tuán)及活性點(diǎn)與基體樹脂的活性基團(tuán)及其固化劑生成化學(xué)鍵，是兩相界面粘接的主要力； 兩相界面層的范德華力比化學(xué)鍵力小得多，屬

32、于次價(jià)鍵力；機(jī)械嵌合基于基體樹脂流入和填充CF表面存在的微 細(xì)孔隙和氧化刻蝕微斑，凸凹嵌合，固化后具有錨錠效應(yīng)。4、 孔有幾種類型，是如何定義的？按照IUPAC(1985)的定義，孔分三種：微孔 micropores 寬度<2nm ；中孔 mesopores 寬度在2-50nm之間 ；大孔 macropores >50nm的孔。按照孔的形狀，又可分為： o. Open pore； c. Closed pore； t. Transport pore； b. Blind pore5、 吸附的不同類型？物理吸附：吸附分子通過很弱的范德華力與表面結(jié)合，在吸附分子與表面之間無電荷轉(zhuǎn)移?；瘜W(xué)吸

33、附：吸附分子與表面足夠遠(yuǎn)時(shí)，二者能級互不干擾。I < ，吸附分子的價(jià)電子可轉(zhuǎn)移到表面；A > ，電子可從表面轉(zhuǎn)移到吸附分子；I > > A，不會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。兩者之間形成化學(xué)鍵！6、炭材料抗氧化處理的方法？各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？1）Active site poisoning :a )Halogen and halogen compounds ; b)Phosphorus compounds; c) Boron compounds.2) Matrix inhibition in C/C composites: 炭化之前在基體中加入Si、B或其化合物微粒子，炭化后時(shí)形成流動(dòng)的玻璃

34、相，利于填孔和缺陷，提高抗氧化能力。3）Barrier coatings Barrier coatings：基于高溫氧化反應(yīng)在表面進(jìn)行的特點(diǎn)，在炭材料表面涂覆各種抗氧化涂層的方法。對涂層材料的要求：(1) 熔點(diǎn)高；(2) 與炭基體的熱膨脹系數(shù)接近且化學(xué)相容性好；(3) 良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易揮發(fā)；(4) 對氧的擴(kuò)散系數(shù)低。第四部分和第五部分 GIC和炭科學(xué)最新進(jìn)展1、 什么是石墨層間化合物，其顯著特點(diǎn)有哪些？Graphite Intercalation Compounds, GIC 是一種分子水平的復(fù)合材料，是用人工合成的方法使異類原子、分子或離子進(jìn)入石墨層間而生成的新材料。形態(tài)發(fā)生改變的同時(shí)

35、，性能也增加了許多。GIC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、可以合成范圍非常廣的階結(jié)構(gòu)不同的 GIC，其多樣性不但與插入物種類有關(guān)，而且與合成條件與原料石墨品質(zhì)有關(guān)。 2、階結(jié)構(gòu)不同，物理性能差別較大； 3、階結(jié)構(gòu)：疇結(jié)構(gòu)（Domain structure）、超晶格結(jié)構(gòu)(Superlattice) 石墨碳原子在層面形成了由六圓環(huán)組成的六 角碳網(wǎng)層面，客體插入后選擇一定位置滯留，形成更大范圍的規(guī)則排列。2、了解現(xiàn)代炭科學(xué)的最新進(jìn)展，對金剛石薄膜、富勒烯、碳納米管、碳納米蔥及炭包覆金屬晶體的制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用有初步了解。（1）金剛石薄膜制備：1）高溫高壓：>1500K,4x103MPa2）CVD和PVD法

36、：基本原理：將碳?xì)浠衔锖痛罅繗錃饣旌?，在一定條件下激活分解，如果分解過程中產(chǎn)生的氫原子浸蝕石墨的速度大于浸蝕金剛石的速度，則可在基板材料表面逐步析出，形成多晶金剛石薄膜?；跉怏w激活分解的方式，有以下兩種基本制備方法：1）高溫?zé)峒せ罘ǎ峒せ頒VD）包括熱絲法、激光加熱法、電弧放電法等。2）電或電磁激活氣體放電的方法（等離子激活CVD）微波、射頻放電、DC輝光放電等引發(fā)等離子體CVD。PVD法：物理氣相沉積法，如陰極濺射法、離子束濺射法、離子蒸氣鍍等。結(jié)構(gòu)：（111）晶面圍成的八面體性能：1）硬度和彈性模量高，耐磨性好，摩擦系數(shù)小；2）熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)低；3）優(yōu)良的透光和傳聲性能；4）電

37、絕緣體，但又可制成攙雜性半導(dǎo)體；5)化學(xué)穩(wěn)定性好。應(yīng)用：1）工具（刀具，鉆頭，磨具等）；2）散熱片；3）透鏡，透光膜，保護(hù)膜，防反射膜；4）磁盤，磁頭，軸承，傳感器等；5）音響設(shè)備；6）保護(hù)膜（2）富勒烯制備：1） 石墨蒸發(fā)法：激光法、電弧法、太陽能聚焦加熱法、電阻加熱法；2）苯燃燒法3）有機(jī)合成法結(jié)構(gòu)：富勒烯分子構(gòu)造原則：a.球面由五元環(huán)和六元環(huán)構(gòu)成；b.閉殼層電子結(jié)構(gòu)原則；c.芳香性原則；d.表面張力對稱分布原則；e.五元環(huán)盡可能不相鄰原則；f.歐拉網(wǎng)閉合條件原則，即最少含有12個(gè)五元環(huán)，六元環(huán)數(shù)目不受限制。C60晶體結(jié)構(gòu)可以是六方密堆積也可以是立方密堆積，但立方更穩(wěn)定。性能：1）一般性質(zhì)： C60為淡黃色固體，薄膜加厚時(shí)轉(zhuǎn)成棕色，在有機(jī)溶劑中呈洋紅。C70為紅棕色固體，厚膜時(shí)為灰黑色，溶劑中為紅葡萄酒色。C60密度1.65g/cm3，能在不裂解情況下升華。2）超導(dǎo)性：經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕饘贁v雜后的C60表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性；3）光學(xué)性質(zhì)：4）化學(xué)性質(zhì)：C60和金屬的反應(yīng)（金屬包含于C60籠內(nèi)部（LaC60,已發(fā)現(xiàn)一系列不同碳數(shù)的富勒烯可形成金屬內(nèi)包合物，如k,Na,Cs,La,Ca,Ba,Sr,U,Y,Ce等）；另一種為位于C60球外表（V, Fe, Co, Ni, Cu,Rh,La等）；和自由基的反應(yīng)；親核加成反應(yīng)；親電加成反應(yīng)；配位化學(xué)；氧化還原反應(yīng)5）熱穩(wěn)定性應(yīng)用：高溫