你應(yīng)該知道的碳材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、想必都知道碳材料各種優(yōu)異的性能，但為什么碳元素能組成世界上最硬的物 質(zhì)金剛石，也能組成非常軟的物質(zhì)石墨？石墨為什么能導(dǎo)電而金剛石不能？碳纖 維為什么強(qiáng)度高？炭化與石墨化你是不是傻傻分不清楚？本篇試圖給大家普及 一點(diǎn)碳材料科學(xué)基礎(chǔ)，如果你之前沒上過材料學(xué)的專業(yè)課， 這篇文章可能會幫助 你從更專業(yè)的眼光思考碳材料的各種問題。我盡可能不用專業(yè)詞匯，而用最淺顯 的語言來解釋這一切，如果是專業(yè)人員，這篇文章或許能幫助你重新架構(gòu)碳材料 知識體系。不管怎么樣，漫談碳纖維系列文章將來所談到任何問題都是以此為基 礎(chǔ)的。想要隨時復(fù)習(xí)這篇文章，趕緊點(diǎn)右上角分享或者收藏吧。本文會從原子級別、晶體級別、微觀級別三個尺度

2、來了解碳材料。首先是原子級別。物質(zhì)是由原子組成的，這個不用多說，原子又是由原子核和核外電子組成，核外電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，就像地球圍繞太陽轉(zhuǎn)一樣。原 子核是由質(zhì)子和中子組成，這個不需要太了解，你只需要知道根據(jù)質(zhì)子的數(shù)量不 一樣，分成不同的元素。比如質(zhì)子數(shù)為 1的是氫、質(zhì)子數(shù)為2的是氨，那么碳 元素在元素周期表上排第6位，它的原子核內(nèi)就有6個質(zhì)子，而核外電子數(shù)量 又是和質(zhì)子數(shù)相同的，那么碳原子就有6個核外電子。原子全部重量就集中在原 子核內(nèi)，而電子重量幾乎忽略不計(jì)，但可別小看了核外電子，它可是決定著原子 如何組成物質(zhì)的關(guān)鍵，不同的物理化學(xué)性質(zhì)都起源于它。核外電子在原子核周圍旋轉(zhuǎn)可是有一定規(guī)律的，它

3、是按照距離原子核不 同距離的軌道上運(yùn)動的。就像太陽有八大行星（冥王星已經(jīng)被開除了），各個行 星根據(jù)距離太陽遠(yuǎn)近分處不同的軌道。 但原子核外電子軌道與太陽系行星軌道不 同的是，距離原子核最近軌道可以放兩個電子，再遠(yuǎn)一點(diǎn)的軌道可以放8個電子，更遠(yuǎn)的軌道我們就不說了，因?yàn)槲覀冎魂P(guān)心碳元素。這樣就知道了碳原子是由碳原子核和6個核外電子組成，而且碳原子最內(nèi)層有兩個電子，次外層有4個電子，看圖示1?？墒遣皇钦f可以放8個電子嗎？放不滿怎么辦？放不滿的話，那 就不穩(wěn)定，不穩(wěn)定怎么辦？那就想辦法穩(wěn)定，什么辦法？跟周圍原子分享電子， 這樣就穩(wěn)定了，兩個電子就被綁在一塊了，這就叫共價鍵，想要把兩個電子分開， 就需要

4、費(fèi)很大能量打斷這個共價鍵。一個碳原子跟周圍四個碳原子分別形成一個 共價鍵，四個共價鍵相互排斥，在空間上形成最大的角度，每兩個共價鍵夾角 109。于是就形成了我們常看到的金剛石的原子結(jié)構(gòu)如圖示 2,大家可以把碳原 子看成小球，共價鍵是連接小球的剛性桿，如果要移動任何一個小球，都會牽扯 周圍的小球移動，所以除非把連接小球的剛性桿扯斷，否則你是不容易移動小球 的，這就是為什么金剛石非常硬了。明白了吧，材料學(xué)中任何材料表現(xiàn)的各種性 能都有其內(nèi)在關(guān)聯(lián)的。另外碳原子核外電子與周圍碳原子形成共價鍵了，電子被固定在兩個碳原子核之間，不能自由移動，即使外加電壓也不行，那么就形不成 電流，也就是金剛石不導(dǎo)電。這位

5、客官問了，那為什么還有石墨那種六角平面結(jié)構(gòu)呢？回答這個問題3.之前先端上石墨六角平面結(jié)構(gòu)的圖片吧，說的再好也不如圖片直觀?？磮D不是碳原子有4個核外電子嗎？不是形成8個電子才穩(wěn)定嗎？不是與周圍4個碳原子形成共價鍵才能解決問題嗎？這圖上碳原子只和3個碳原子形成共價鍵，你以為我不識數(shù)啊，這個騙子?？凸傧壬园参鹪?，我忘了給您介紹一個 原理了，這就是能量最低原理。山上石頭為什么會往下滾，桌上物體為什么會往 下掉？就是因?yàn)槿f物總會自發(fā)的從高能量向低能量轉(zhuǎn)換，然后將剩余的能量釋放出來，山上石頭河桌上物體能量高，于是自發(fā)向下掉，剩余能量就轉(zhuǎn)化成砸在地 面的坑，這個解釋可以理解吧。石墨結(jié)構(gòu)中兩個相鄰碳原子距離近

6、，所以能量低， 別問我為什么，你只需要記住石墨這種碳原子在一個平面與其他三個碳原子形成 共價鍵，每兩個共價鍵夾角都是120。，這樣的結(jié)構(gòu)能量最低。有人說了，那金 剛石結(jié)構(gòu)中碳原子也可以靠近距離啊，哎這個臣妾做不到啊，因兩個碳原子靠 近會受到其他原子的排斥力。是不是很糾結(jié)，那石墨結(jié)構(gòu)碳原子為什么能靠近啊，建議各位在紙上畫一畫兩種結(jié)構(gòu)圖，石墨碳原子共價鍵夾角120 0 ,有足夠的空間靠近，金剛石共價鍵夾角109 0 ,沒空間了。空間感差的孩子要撞墻了，別著 急，你只需要記住石墨這種結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。那又出現(xiàn)一個問題，這么說金 剛石能量高，可以自發(fā)的向石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變了，趕緊把家藏的鉆石賣了吧，萬一哪

7、 天拿出來成石墨了，多不劃算啊。這個擔(dān)心就多余了，我兜里硬幣怎么不往地上 掉？硬幣在我兜里也沒在地上能量低啊， 那是因?yàn)榈糜心芰渴褂矌艔亩档滋蕉?口才能掉出來，我如果大蹦大跳，給硬幣能量，說不定就掉出來了。同樣，金剛 石雖然不穩(wěn)定，但是它是長期存在的，這叫亞穩(wěn)態(tài)，只有賦予能量才能自發(fā)從金 剛石轉(zhuǎn)換成石墨結(jié)構(gòu)，你把金剛石放到高溫下，慢慢就會轉(zhuǎn)變成石墨了，不信可 以試一試，不過別叫我賠。再來看石墨這種結(jié)構(gòu)吧，一個碳原子與周圍三個碳原子形成共價鍵，那 剩余的一個電子就游離在這個平面的上面或下面，每個碳原子就有一個多余的游 離電子，這就是石墨烯結(jié)構(gòu)。碳原子穩(wěn)定了，對游離電子束縛小了，加上電壓游 離電

8、子就會非常迅速的定向移動， 這就是為什么石墨烯屬于超導(dǎo)材料，導(dǎo)電率非 常好，幾乎沒有電阻，這也是石墨材料為什么會導(dǎo)電的原理。 另外碳六角平面上 一層電子，能吸收可見光，這就可以解釋為什么石墨是黑色的了， 光線照射在石 墨上，被吸收了，就是黑色。說完原子尺度，再來看晶體尺度。什么是晶體？材料學(xué)中，原子按照一 定規(guī)律周期型排列就是晶體結(jié)構(gòu)。 看看金剛石結(jié)構(gòu)，都是一個碳原子與周圍四個 碳原子形成正立方體的結(jié)構(gòu)周期性的排列， 看看石墨結(jié)構(gòu)，都是碳原子與周圍三 個碳原子形成六角網(wǎng)格，然后周期性的重復(fù)，這就是石墨晶體。石墨材料呢又都 是有這樣的六元網(wǎng)平面一層一層疊起來的， 兩層六元網(wǎng)平面之間是靠游離電子相

9、 互吸引堆垛起來的。這個結(jié)合力是非常弱的，所以在外力作用下非常容易滑落， 這就是為什么石墨可以作為潤滑油的添加劑， 因?yàn)閮蓚€平面可以自由滑動，起到 潤滑作用，這也是為什么鉛筆要用到石墨，鉛筆在紙上劃的時候，一部分網(wǎng)平面 被摩擦下來，粘附在紙上。為什么碳材料可以耐腐蝕呢？你看看煤炭在地底下賣了幾億年，土壤 這么復(fù)雜的環(huán)境下都不受腐蝕。你看看舊時候木頭電線桿子表面都燒黑了埋在地 下，就是因?yàn)楸砻婺绢^燒成木炭，防止木頭電線桿子爛在土壤里。 這些都是因?yàn)?碳材料耐腐蝕。因?yàn)樘几渌亟Y(jié)合反應(yīng)活性很高，也就是說常溫下很難反應(yīng)， 所以能耐腐蝕。那為什么碳跟氧氣反應(yīng)這么劇烈，煤炭容易燃燒，石墨容易氧化。

10、這個要從燃燒的原理來講，碳原子跟氧原子結(jié)合，需要將原來碳原子與碳原子的 化合建打斷，然后再跟氧原子形成化合鍵。因?yàn)榇驍嗵荚优c碳原子之間的化合 鍵需要的能量比碳原子與氧原子形成化合鍵能量低。也就是說，碳原子與氧原子一結(jié)合，放出的能量會把周圍碳原子與碳原子之間的化合建打斷，這樣碳原子與氧原子就會不斷結(jié)合，碳原子與碳原子化合建不斷被打斷，這就是燃燒。說到晶體結(jié)構(gòu)，那肯定得有原子排列沒有規(guī)律的吧，這就是非晶體，像 無定形碳就是非晶體的。其實(shí)這都是相對的概念，世界上沒有完美的晶體，即使 單晶體里面也會有不按規(guī)律排列的原子。 無定形碳就是碳原子排列比較雜亂，幾 乎沒什么規(guī)律，還有的碳原子剩余不飽和的電子

11、，也就是說沒有形成穩(wěn)定化合建。 這樣無定形碳就很容易跟氧氣反應(yīng)，因?yàn)檠踉邮紫雀鷽]有形成化合建的碳原子 結(jié)合，然后下面的燃燒就自發(fā)進(jìn)行了。再來看微觀級別吧。上面說到單個晶體原子都是按規(guī)律排列的，如果整 個物體都是這樣有規(guī)律的排列，那就是單品。但這樣的物體很少見，大多數(shù)是由 原子組成單晶的小晶粒，小晶粒再結(jié)合成物體。晶粒與晶粒之間也不一定有明顯界限，可能是晶粒之間的晶界只是排列稍微雜亂了點(diǎn)，它們之間碳原子也是共價鍵連接。拿石墨組成來看，碳原子組成六元網(wǎng)格，然后六元網(wǎng)格疊加成為石墨小 晶粒，石墨晶粒與相鄰的石墨晶?？赡苠e層連接，或者網(wǎng)格方向錯位連接就形成石墨物體。如果要施加外力將六元網(wǎng)格扯斷， 是非常難的，因?yàn)樘荚雍吞荚?結(jié)合共價鍵非常強(qiáng)。但若有排列不規(guī)則或某個地方缺少碳原子，那么這些地方結(jié)合力就相對較弱，裂紋就會沿著這樣的地方擴(kuò)展，如果用顯微鏡觀察，石墨被拉 斷的端口基本上是沿著晶粒之間的晶界擴(kuò)展的。最后說說碳纖維，如果碳纖維是一個完美碳六角平面單晶的話，那