【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件

復(fù)習(xí)（一）復(fù)習(xí)1提綱第一章炭材料的多樣性及發(fā)展史（2學(xué)時(shí)）★基本結(jié)晶形式-金剛石、石墨、富勒烯、咔賓★碳的結(jié)構(gòu)★碳的特性提綱第一章炭材料的多樣性及發(fā)展史（2學(xué)時(shí)）2第二章碳化工學(xué)（6學(xué)時(shí)）★氣相碳化★液相碳化★固相碳化第三章高性能炭纖維及其復(fù)合材料（6學(xué)時(shí)）★PAN、瀝青基、粘膠基碳纖維★炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料第四章活性炭材料（2學(xué)時(shí)）課程內(nèi)容第二章碳化工學(xué)（6學(xué)時(shí)）課程內(nèi)容3第五章儲能炭材料(6學(xué)時(shí))★鋰離子二次電池電極材料★燃料電池用炭材料★超級電容器電極材料第六章功能性碳材料（4學(xué)時(shí)）★導(dǎo)熱導(dǎo)電碳材料★電磁屏蔽、雷達(dá)隱身碳材料第七章納米碳材料（2學(xué)時(shí)）機(jī)動：2學(xué)時(shí)第五章儲能炭材料(6學(xué)時(shí))4第一章緒論

炭材料的多樣性及發(fā)展史第一章緒論

炭材料的多樣性及發(fā)展史51.碳的分類（1）從分子結(jié)構(gòu)分石墨（包括人造的類石墨結(jié)構(gòu)炭）金剛石(天然金剛石、人造金剛石）炔碳富勒烯球和納米炭1.碳的分類6（2）從用途上分結(jié)構(gòu)碳材料以力學(xué)性能為主要特點(diǎn)的場合，其構(gòu)件主要用于承受力的作用。

PAN碳纖維、中間相瀝青基碳纖維（2）從用途上分7功能碳材料

以導(dǎo)電、導(dǎo)熱、高溫隔熱、吸附、耐高溫、耐摩擦、高強(qiáng)刀具等主要發(fā)揮力學(xué)性能以外的功能的場合。

（1）導(dǎo)電：石墨電極、導(dǎo)電炭黑、碳纖維地暖線……

（2）導(dǎo)熱：泡沫碳、導(dǎo)熱碳纖維（3）隔熱：碳?xì)?、泡沫碳?）吸附：活性炭、活性碳纖維（5）耐高溫：火箭喉襯（6）摩擦材料：剎車片（7）潤滑材料：石墨（8）刀具：金剛石刀具功能碳材料8木炭焦炭石墨人類起源木炭為熱能的來源銅器時(shí)代炭還原銅十八世紀(jì)初焦炭作還原劑。煉鋼工業(yè)十九世紀(jì)中電爐煉鋼炭電極工業(yè)化1895年電極，電刷和電極糊1907年活性炭用于環(huán)境20世紀(jì)40-50年代高純高密石墨20世紀(jì)50-60年代熱解石墨和熱解炭20世紀(jì)60-70年代C60碳納米管….金剛石薄膜中間相炭微球膨脹石墨炭纖維復(fù)合材料高性能炭纖維人類文明時(shí)代煙炱做染料和墨汁20世紀(jì)80年代2.碳的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展木焦炭石墨人類起源木炭為熱能的來源銅器時(shí)代93.炭材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（1）碳原子及其雜化軌道3.炭材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)10SP3（正四面體）、SP2（正三角型）、SP（直線型）【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件11（2）碳的同素異形體金剛石（diamond）（2）碳的同素異形體金剛石（diamond）12SP3雜化軌道，四個(gè)等同σ共價(jià)鍵，具飽和性和方向性面心立方晶體特征：硬而脆；碳中密度最大（3.52g/cm3）；1800℃以上轉(zhuǎn)換為石墨；電絕緣體和熱良導(dǎo)體；SP3雜化軌道，四個(gè)等同σ共價(jià)鍵，具飽和性和方向性13金剛石的工業(yè)生產(chǎn)方法高溫靜壓法CVD金剛石的工業(yè)生產(chǎn)方法14高溫高壓的平衡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；晶胞體積V=a0.sin60.a0.c0=0.03519(nm)3理論密度D=碳原子質(zhì)量x晶胞內(nèi)碳原子數(shù)/晶胞體積

=12.011x1.66x10-24x4/35.19x10-24=2.266g/cmA、六方晶系（Hexagonalunit,2H）石墨（graphite）高溫高壓的平衡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；A、六方晶系（Hexagonal15型石墨,ABCABC..序列；六方晶胞和菱面晶胞；良好結(jié)晶的石墨中，3R成分約占17%，研磨后可增加到22%；熱處理到2000℃，可恢復(fù)到ABAB…序列。B、菱形晶系（Rhombohedral）型石墨,ABCABC..序列；B、菱形晶系（Rhombo16石墨的特性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σ鍵，剩余的2Pz軌道與σ鍵所在的平面垂直形成π鍵；π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，類似金屬鍵結(jié)構(gòu)；π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。石墨的特性SP2雜化軌道，2S2Px2Py三個(gè)在同一平面內(nèi)互171968年于石墨片麻巖中發(fā)現(xiàn)，其后人工合成少許；

SP雜化軌道，2個(gè)σ鍵，2個(gè)π鍵；兩種類型：累積烯烴=C=C=C=

聚炔-C≡C-C≡C-

線狀，單元鏈長10-12C原子，六方晶體；樹脂狀組織，白色，白碳咔賓（carbyne）1968年于石墨片麻巖中發(fā)現(xiàn)，其后人工合成少許；咔賓（c18咔賓的性質(zhì)◆具有半導(dǎo)體及超導(dǎo)體性質(zhì)；◆生物相容性好；◆由累積烯烴出發(fā)易于轉(zhuǎn)化為金剛石。咔賓的性質(zhì)19富勒烯（fullerene）1985年發(fā)現(xiàn)的新碳相；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)；C6020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。富勒烯（fullerene）1985年發(fā)現(xiàn)的新碳相；當(dāng)SP220GraphiteCrystallineC60DiamondIn-plane(a)c-axesStructureHexagonal2HCubicfccubicDensity(g/cm3)2.261.723.52Bindingenergy(eV/carbonatom)7.47.47.2Thermalconductivity(Wm-1K-1)300060.4~2500Elasticmoduli(Gpa)106036.515.9107.6Resistivity(Ωcm)5x10-511x1014~1x1020Thermalexpansion(K-1)-1x10-62.9x10-56.1x10-5~1x10-6Principalphysicalpropertiesofthe3maincarbonallotropesGraphiteCrystallineDiamondIn-p21A：石墨催化轉(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T1:4100KP1:12GPaT2:4020±50KP2:12.25±1.47MPa3.碳的轉(zhuǎn)化A：石墨催化轉(zhuǎn)化為金剛石的區(qū)域3.碳的轉(zhuǎn)化223.碳纖維及制品3.碳纖維及制品23第二章碳化工學(xué)概述碳化——有機(jī)化合物向碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程氣相碳化：炭黑液相碳化：煉焦固相碳化：碳纖維第二章碳化工學(xué)概述24第一部分液相碳化一、有機(jī)化合物的熱裂解與縮聚1.脂肪烴的裂解C-H斷鍵能Kcal/molC—C—C—C—C—C—C—C—C—C—C—C93.688.886.986.185.885.785.785.886.186.988.893.6C-C斷鍵能Kcal/molC—C—C—C—C—C—C—C80777574757780

第一部分液相碳化一、有機(jī)化合物的熱裂解與縮聚C-H斷鍵能25【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件263.烯烴的芳構(gòu)化3.烯烴的芳構(gòu)化274.芳烴裂解與縮聚4.芳烴裂解與縮聚28二、稠環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)性質(zhì)丁蒽戊蒽己蒽丁菲戊菲己菲庚菲二、稠環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)性質(zhì)丁蒽戊蒽己蒽丁菲29三、從有機(jī)物到碳的中間產(chǎn)物——瀝青（一）石油瀝青石油瀝青的元素組成及相對分子量三、從有機(jī)物到碳的中間產(chǎn)物——瀝青石油瀝青的元素組成及相對分30

原油石油瀝青氫核磁振動譜1.瀝青的分子結(jié)構(gòu)分析原油31【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件32石油瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)推測樣品號石油瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)推測樣品號33根據(jù)核磁共振譜推測的石油瀝青結(jié)構(gòu)后續(xù)根據(jù)核磁共振譜推測的石油瀝青結(jié)構(gòu)后續(xù)34后續(xù)后續(xù)35根據(jù)核磁共振譜推測的石油瀝青結(jié)構(gòu)Ra:芳環(huán)Rn：飽和環(huán)烴根據(jù)核磁共振譜推測的石油瀝青結(jié)構(gòu)Ra:芳環(huán)36（二）煤瀝青1.煤瀝青的生成（二）煤瀝青1.煤瀝青的生成372.煤瀝青的族組成分析2.煤瀝青的族組成分析383.煤瀝青的分子結(jié)構(gòu)模型3.煤瀝青的分子結(jié)構(gòu)模型39三、中間相的生成（一）中間相生成的一般過程三、中間相的生成40中間相的形成與發(fā)展過程中間相的形成與發(fā)展過程41（二）中間相的結(jié)構(gòu)及影響因素（二）中間相的結(jié)構(gòu)及影響因素42（三）合成中間相（三）合成中間相43（四）中間相理論的應(yīng)用

1.針狀焦（四）中間相理論的應(yīng)用44【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件45針狀焦的結(jié)構(gòu)性質(zhì)參數(shù)針狀焦的結(jié)構(gòu)性質(zhì)參數(shù)462.中間相炭微球（MCMB）2.中間相炭微球（MCMB）47【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件48用途：鋰離子二次電池電極材料粒徑：5－100um用途：鋰離子二次電池電極材料49第二部分氣相碳化

第一節(jié)碳黑

第二部分氣相碳化

第一節(jié)碳黑

50二、碳黑的分類1.按生產(chǎn)方法分（1）接觸法：槽黑：天然氣，焦?fàn)t氣等， 特點(diǎn)：粒度細(xì)，幾納米到幾十納米表面官能團(tuán)多，分散好適合做燃料碳黑（2）非接觸法：爐法碳黑：氣液態(tài)烴類特點(diǎn)：中等粒度，耐磨性好，做填料裂解碳黑：天然氣、乙炔純度高，導(dǎo)電性好，做導(dǎo)電碳黑二、碳黑的分類512.按用途分（1）橡膠碳黑（2）色素碳黑（3）導(dǎo)電碳黑2.按用途分52四、碳黑的結(jié)構(gòu)碳黑的結(jié)構(gòu)——典型的亂層石墨結(jié)構(gòu)四、碳黑的結(jié)構(gòu)碳黑的結(jié)構(gòu)——典型的亂層石墨結(jié)構(gòu)53粒徑與比表面積粒徑與比表面積54第二節(jié)氣相生長碳纖維（VGCF）第二節(jié)氣相生長碳纖維（VGCF）55二、制備方法要素：金屬催化劑（Fe、Co、Ni）氣態(tài)碳源（甲烷、苯）高溫：600－1400攝氏度方法：1.基板法二、制備方法要素：金屬催化劑（Fe、Co、Ni）562.流動法2.流動法57三、VGCF原理與炭黑高溫裂解相區(qū)別的催化劑的加入，因此VGCF的生長機(jī)理與催化劑密不可分。三、VGCF原理58【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件59四、VGCF的性質(zhì)四、VGCF的性質(zhì)60第三節(jié)富勒烯與納米碳管第三節(jié)富勒烯與納米碳管61一.富勒烯的合成方法（1）電弧放電法

1990年,Kraschmer和Huffman等人（2）苯火焰燃燒法

1991年7月,麻省理工學(xué)院教授JackHoward及其實(shí)驗(yàn)伙伴，從1000g純碳中得到3g富勒烯。（3）高頻加熱蒸發(fā)石墨法

1992年，Peter和Jansen等人,2700℃，150KPa,氮?dú)夥罩泻铣闪烁焕障┣?。?富勒烯的合成方法62二.C60的物理化學(xué)性質(zhì)（1）物理性質(zhì)黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔點(diǎn)>700℃，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪烴中溶解度隨溶劑碳原子數(shù)的增加而增大。能在不裂解情況下升華。生成熱為ΔH°f(C)=2280KJ/mol，電離勢為2.61ev±0.02ev，電子親合勢2.6ev～2.8ev，可壓縮率為7.0×10-12cm3/dyn，抗沖擊能力強(qiáng)。具有非線性光學(xué)性能，室溫下是分子晶體，適當(dāng)?shù)慕饘贀诫s后的C60表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性。（2）化學(xué)性質(zhì)芳香性，傾向于得到電子，易于與親核試劑反應(yīng)。多種C60衍生物，其中金屬包含于C60籠內(nèi)部：M@C60；金屬和C60在球外表起反應(yīng)：MC60。C60和金屬的反應(yīng)

C60的氧化還原反應(yīng)

C60與自由基反應(yīng)C60的加成反應(yīng)

C60聚合反應(yīng)

二.C60的物理化學(xué)性質(zhì)（1）物理性質(zhì)63三、碳納米管的制備及應(yīng)用

（一）制備方法1.（1）電弧放電法（2）激光蒸發(fā)（燒蝕）法（3）等離子體法2.（1）催化裂解法(復(fù)合電極電弧催化法、碳?xì)浠衔锎呋纸夥–VD、)---化學(xué)氣相沉積法（2）增強(qiáng)等離子熱流體化學(xué)蒸氣分解沉積法PE-HF-CVD

（3）熱解聚合物法（化學(xué)熱解法）（4）離子（電子束）輻射法（5）催化裂解無基體法三、碳納米管的制備及應(yīng)用

（一）制備方法1.（1）電弧64第四節(jié)氣相滲透沉積碳碳復(fù)合材料一、碳碳復(fù)合材料主要應(yīng)用領(lǐng)域航天工業(yè)航天飛機(jī)頭錐火箭噴管航空工業(yè)剎車材料熱結(jié)構(gòu)件火箭喉襯

航天飛機(jī)機(jī)翼前緣第四節(jié)氣相滲透沉積碳碳復(fù)合材料一、碳碳復(fù)合材料主要應(yīng)用領(lǐng)域65碳/碳復(fù)合材料剎車片碳/碳復(fù)合材料質(zhì)量輕、耐高溫、耐摩擦、吸收能量大，可滿足瞬時(shí)制動剎車和苛刻的熱環(huán)境對材料的要求,是理想的摩擦材料。熱梯度CVI制備低成本的飛機(jī)剎車盤碳/碳復(fù)合材料剎車片熱梯度CVI制備低成本的飛機(jī)剎車盤66天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)碳/碳復(fù)合材料頭錐復(fù)雜零件成形研究

天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)碳/碳復(fù)合材料頭錐復(fù)雜零件成形研究67

化學(xué)氣相滲積(CVI)工藝TCVI工藝PCVI工藝FCVI工藝ICVI工藝LCVI工藝LV-CVI工藝二、碳碳復(fù)合材料CVI制備工藝關(guān)鍵要素：控制裂解，促進(jìn)擴(kuò)散化學(xué)氣相滲積(CVI)工藝TCVI工藝PCVI工藝FCVI68第三部分固相碳化一、定義

從有機(jī)物到類石墨結(jié)構(gòu)碳的形成過程中，能夠始終保持固相狀態(tài)，從而使有機(jī)物的結(jié)構(gòu)形態(tài)的主要特征得以保留，這一類的有機(jī)物叫碳的前驅(qū)體，也簡稱前驅(qū)體，從而擴(kuò)展到經(jīng)過結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化作用而可以經(jīng)受高溫碳化處理的物質(zhì)。第三部分固相碳化一、定義69三、固相碳化的特征從固態(tài)到固態(tài)從高分子到“高分子”起始溫度低，速度慢炭的結(jié)構(gòu)與前驅(qū)體結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，碳化工藝影響是輔助的三、固相碳化的特征從固態(tài)到固態(tài)70四、固相碳化對炭材料結(jié)構(gòu)性能的影響如何將前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)形態(tài)有效轉(zhuǎn)移到碳材料中去，避免微區(qū)結(jié)構(gòu)的破壞與缺陷的形成是固相碳化的核心。四、固相碳化對炭材料結(jié)構(gòu)性能的影響71三、固相碳的結(jié)構(gòu)性能表征1.孔結(jié)構(gòu)

石墨單晶的理論密度為2.267g/cm3，除此而外的所有炭材料，都存在這樣那樣的孔結(jié)構(gòu)。體密度：真密度、堆密度比表面積與孔分布

BET氮吸附法:微孔<2nm

中孔2－50nm

大孔>50nm三、固相碳的結(jié)構(gòu)性能表征1.孔結(jié)構(gòu)722.形態(tài)結(jié)構(gòu)光學(xué)顯微鏡掃描電子顯微鏡（SEM）透射電子顯微鏡（TEM）掃描隧道顯微鏡（STM）原子力顯微鏡（AFM）2.形態(tài)結(jié)構(gòu)733.微晶結(jié)構(gòu)

X射線衍射3.微晶結(jié)構(gòu)74粉末衍射法計(jì)算面間距與微晶尺寸粉末衍射法計(jì)算面間距與微晶尺寸75子午線掃描測纖維取向角子午線掃描測纖維取向角7677第一講聚丙烯腈碳纖維第三章高性能碳纖維及復(fù)合材料77第一講聚丙烯腈碳纖維第三章高性能碳纖維77一、聚丙烯腈碳纖維的結(jié)構(gòu)strongweak一、聚丙烯腈碳纖維的結(jié)構(gòu)strongweak78碳纖維結(jié)構(gòu)模型碳纖維結(jié)構(gòu)模型79T400的透射電鏡照片橫斷面縱斷面T400的透射電鏡照片橫斷面縱斷面80T300和T800微晶結(jié)構(gòu)比較T300T800T300和T800微晶結(jié)構(gòu)比較T300T80081二、碳纖維的設(shè)計(jì)理念高取向：

石墨層片沿纖維軸向高度取向

孔隙結(jié)構(gòu)呈高長徑比沿纖維軸向高度取向多亂層：

石墨層片在纖維徑向呈犬牙交錯的亂層結(jié)構(gòu)或渦卷結(jié)構(gòu)低缺陷:

盡可能少的孔隙和微晶缺陷82二、碳纖維的設(shè)計(jì)理念高取向：8282三、聚丙烯腈碳纖維的制備工藝83單體純化過濾預(yù)氧化石墨化炭化表面處理上漿成品加工碳纖維脫單脫泡干濕法紡絲凝固成形水洗熱水拉伸蒸汽拉伸干燥致密化2石墨纖維預(yù)氧絲聚合原絲干燥致密化1原液上油劑1上油劑2三、聚丙烯腈碳纖維的制備工藝83單體純化過濾預(yù)氧化石墨化炭831.聚合

將丙烯腈小分子聚合成為聚丙烯腈高分子的過程1.1碳纖維原絲用聚丙烯腈指標(biāo)

分子量（重均）8－15萬

分子量分布Mw/Mn=2.0-3.0

共聚單體含量：小于等于6％841.聚合84841.2聚合方法

自由基聚合、活性自由基聚合、陽離子聚合

無機(jī)溶液體系：硝酸、硫氰酸鈉

有機(jī)溶液體系：DMSO、DMAC、AMF

分步法、兩步法

851.2聚合方法8585自由基溶液聚合：

丙烯腈＋共聚單體＋溶劑＋引發(fā)劑，單體含量14－25％，引發(fā)劑0.5－1.0％，在65－75℃下，聚合20小時(shí)左右，轉(zhuǎn)化率達(dá)到95％，然后進(jìn)行托單脫泡。86自由基溶液聚合：8686872.

紡絲2.1濕法紡絲:定義

紡絲溫度：50－60℃872.紡絲872.2PAN原絲形成空洞的原因2.2.1巴拉斯效應(yīng)

PAN紡絲液（PAN+二甲基亞砜）屬于良溶液，此時(shí)高分子鏈處于高舒展?fàn)顟B(tài).溶液在噴絲孔中被壓縮，在孔口突然膨脹。d0dtL2.2PAN原絲形成空洞的原因d0dtL8889孔洞Φ20～30nm，L=30～40nm.表面徑向破碎表面平行破碎溝槽89孔洞Φ20～30nm，L=30～40nm.表面徑向破碎8990當(dāng)沒有先整體凝膠化時(shí)分布不均勻并有很多孔洞的相當(dāng)先整體凝膠化時(shí)可以得到均勻分布且孔洞較小的凝固相2.2.2凝固對孔洞形成的影響當(dāng)PAN的溶膠進(jìn)入第一個(gè)凝固池遇到H2O/DMSO時(shí)有兩種情況★★細(xì)空洞大孔洞

90當(dāng)沒有先整體凝膠化時(shí)分布不均勻并有很多孔洞的相當(dāng)先整體凝9091919192

聚丙烯腈－DMSO－水三元平衡相圖路徑1：凝膠化之前產(chǎn)生相分離路徑2：凝膠化前不產(chǎn)生相分離SPNSFg12孔洞結(jié)構(gòu)無孔洞結(jié)構(gòu)92聚丙烯腈－DMSO－水三元平衡相圖SPNSFg129293a.當(dāng)凝固池DMSO濃度，H2O或T對整體凝膠化有利，膨脹體表面凝固層稀薄且均勻，有利于絲內(nèi)DMSO的向外擴(kuò)散（稱PAN高分子鏈濃縮凝固）與H2O向內(nèi)擴(kuò)散b.相反地當(dāng)DMSO濃度，H2O或T來不及整體凝膠化，所以在膨脹體表面上形成無規(guī)則的相分離，而粗的膨脹體表面形成大面積凝固層在繼續(xù)牽伸過程中不斷破碎，從而形成表面溝槽結(jié)構(gòu)及大量空洞.這一點(diǎn)不管是干法濕法都有不同程度的表現(xiàn)，但濕法極為嚴(yán)重.93a.當(dāng)凝固池DMSO濃度，H2O或T對整體凝膠化有93942.3干濕法紡絲：942.3干濕法紡絲：9495優(yōu)點(diǎn)：1.絲孔徑大（0.1～0.3mm）可紡高濃度（一般22％）、高粘度（50～100pa.s）的溶液。

2.紡絲速度快可達(dá)300m/min以上，比濕法高幾倍，有可能制得高纖度原絲。

3.紡絲溶液溫度較高可以較大限度地減少巴拉斯效應(yīng),先通過空氣層的擴(kuò)散及有效拉伸過程并在第一凝固池溫度盡可能低的條件下阻止H2O過分的滲透，絲表面形成均勻而薄的凝固層，這樣不僅可提高紡絲速度,而且易得到高強(qiáng)度、高取向的原絲,原絲的結(jié)構(gòu)均勻，孔洞少、直徑小、高致密、皮芯差異小，強(qiáng)度比濕法高50％以上，能生產(chǎn)出高于T700的原絲95優(yōu)點(diǎn)：1.絲孔徑大（0.1～0.3mm）可紡高濃度（一般95963.預(yù)氧化過程3.1預(yù)氧化的目的

盡一切努力先把每一根PAN鏈變成梯形高分子鏈，并在氧化作用下交聯(lián)，使分子鏈進(jìn)一步碳化時(shí)不致于高溫裂解。

963.預(yù)氧化過程3.1預(yù)氧化的目的盡一切努力先把每9697在上述構(gòu)型中全同立構(gòu)和無規(guī)立構(gòu)比較容易梯形環(huán)構(gòu)化，而間同立構(gòu)最不容易使高分子鏈梯形環(huán)構(gòu)化，從這個(gè)意義上建議適當(dāng)提高全同立構(gòu)CNHHHCNHHHCNHHHCNHHHCNHHHNNNHHHmmmr,rmrrNCNHHHHHNCNHHHCNHHHCNHHHCNHHH很難形成平面梯形環(huán)，鏈間鉸鏈的可能性很大CNHHHCNHHHCNHHCNHHHH3.2預(yù)氧化反應(yīng)（1）環(huán)化97在上述構(gòu)型中全同立構(gòu)和無規(guī)立構(gòu)比較容易梯形環(huán)構(gòu)化，而間同9798CNHHHCNHHHCNHHCNHHHH+O2HHHOHOHHHHCNHHCNHHHCNHHCNHHHH+O2HHHOHOHHHHH（2）氧化98CNHHHCNHHHCNHHCNHHHH+O2HHHOH98

（3）擴(kuò)散Fig4.Theschematicdrawofpitchfiberthatdepartingisandthatconsumedis

（3）擴(kuò)散Fig4.Theschematicdraw99inwhichThus,theoxygencontentinr()issimilarlydescaribedasfollows:inwhichm=densityofpitchfiber,tisthereactiontimeandr/ω(r/)Fig5.Thecurvesforω(r/r0)varyingwithr/r0inwhichThus,theoxygenconten100原絲體密度(g/cm3)：（a）1.165;(b)1.170(c)1.182(d)1.186原絲體密度（擴(kuò)散系數(shù)）的影響原絲體密度(g/cm3)：（a）1.165;(b)1.101氧化纖維徑向氧的分布（EPMA）A：230℃，3℃/min；B:230℃，1℃/minAB預(yù)氧化溫度、升溫速度的影響氧化纖維徑向氧的分布（EPMA）AB預(yù)氧化溫度、升溫速度的影1021034.碳化過程（1）原理保護(hù)氣氛的選擇控制碳化溫度控制碳化時(shí)間控制施加的張力

在惰性氣氛中加熱升溫，使預(yù)氧絲內(nèi)PAN梯形環(huán)構(gòu)鏈通過相互作用逸出N2，HCN等，使碳原子之間重排，變成準(zhǔn)石墨化結(jié)構(gòu)目的是在適當(dāng)?shù)哪Ａ織l件下，獲得高強(qiáng)高形變的碳纖維。1034.碳化過程（1）原理保護(hù)氣氛的選擇在惰性氣103104（2）脫除氣體ⅠⅡⅢ聚丙烯腈裂解期間所釋放出的氣體掌握釋放出哪些氣體104（2）脫除氣體ⅠⅡⅢ聚丙烯腈裂解期間所釋放出的氣體掌104從表中數(shù)據(jù)總結(jié)，碳纖維微晶結(jié)構(gòu)如何影響其性能從表中數(shù)據(jù)總結(jié)，碳纖維微晶結(jié)構(gòu)如何影響其性能105日本東麗公司部分碳纖維性質(zhì)碳纖維T300T700T800T1000抗拉強(qiáng)度/GPa3.544.905.507.01抗拉模量/GPa230230290290直徑/μm7.17.15.15.1表面形貌表中數(shù)據(jù)需要牢記！日本東麗公司部分碳纖維性質(zhì)碳纖維T300T700T800T1106107第二講粘膠碳纖維及瀝青基碳纖維107第二講粘膠碳纖維及瀝青基碳纖維107第一部分粘膠基碳纖維一、從粘膠纖維向碳纖維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化1.粘膠纖維的結(jié)構(gòu)性能每個(gè)晶包內(nèi)有兩條分子鏈和4個(gè)葡萄糖結(jié)構(gòu)單元密度（g/cm3）：晶區(qū)1.592，非晶區(qū)1.455，平均1.50纖維素Ⅰ纖維素Ⅱ第一部分粘膠基碳纖維一、從粘膠纖維向碳纖維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化每個(gè)1082.粘膠纖維的熱分解反應(yīng)

(C6H10O5)n6nC+5nH2O

理想的碳化反應(yīng)是脫水反應(yīng)，碳化收率可達(dá)44.4％，而事實(shí)上要小得多。實(shí)際的分解反應(yīng)總是從鍵能低的地方斷裂，同時(shí)放出焦油、CO2、CO、HCOOH、CH4等。所以制備粘膠碳纖維的關(guān)鍵是采用合適的催化劑，促進(jìn)脫水，從而抑制左旋葡聚糖的生成導(dǎo)致碳的流失。109109109二、粘膠碳纖維生產(chǎn)工藝110粘膠液于硫酸等凝固浴中濕法紡絲堿性纖維素

NaOHCS2纖維素磺酸鈉鹽

纖維素磺酸鈉溶于堿液

粘膠基人造絲纖維素粘膠纖維水洗催化浸漬預(yù)氧化碳纖維表面處理高溫碳化低溫碳化二、粘膠碳纖維生產(chǎn)工藝110粘膠液于硫酸等堿性纖維素Na110三、結(jié)構(gòu)性能影響因素

1.水份三、結(jié)構(gòu)性能影響因素1113.催化劑的作用及選擇硫酸尿素處理后粘膠纖維熱處理失重率3.催化劑的作用及選擇112113四、世界主要粘膠碳纖維牌號113四、世界主要粘膠碳纖維牌號113五、粘膠碳纖維的應(yīng)用

收率低，價(jià)格昂貴密度低，導(dǎo)熱率差，隔熱性好用于高溫隔熱材料和燒蝕材料，用在導(dǎo)彈和火箭的鼻錐部分。114五、粘膠碳纖維的應(yīng)用114114第二部分瀝青基碳纖維

瀝青是有機(jī)物在液相碳化中縮聚產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，可分為石油瀝青、煤焦油瀝青和合成瀝青。軟化點(diǎn)合適的瀝青（250℃以上）可以通過熔融紡絲制備成瀝青纖維，經(jīng)氧化、碳化可制備成瀝青碳纖維。第二部分瀝青基碳纖維瀝青是有機(jī)物在液相碳115

根據(jù)瀝青原料的性質(zhì)可分為各向同性瀝青碳纖維和中間相瀝青基碳纖維。由于中間相瀝青性制備的碳纖維性能高，因此又稱作通用級瀝青纖維和高性能瀝青纖維。116根據(jù)瀝青原料的性質(zhì)可分為各向同性瀝青碳纖維116117一、瀝青碳纖維工藝制備流程117一、瀝青碳纖維工藝制備流程117二、紡絲瀝青的調(diào)制1.各向同性瀝青

由普通瀝青制備。從成本考慮，一般只采用石油渣油和煤焦油瀝青為原料。為了提高收率、阻止中間相的產(chǎn)生，往往要通過空氣液相氧化法迅速提高分子量，使軟化點(diǎn)提高到270℃以上。118二、紡絲瀝青的調(diào)制1181181191.1精制

目的：脫除固體雜質(zhì)和雜原子（1）靜置沉降加熱降低粘度加溶劑油稀釋，然后通過蒸餾除去溶劑油（2）離心沉降加熱降低粘度加溶劑油稀釋，然后通過蒸餾除去溶劑油1191.1精制119（3）預(yù)縮聚后沉降

除去化學(xué)性質(zhì)活潑的S、N元素（4）熱過濾（5）超臨界溶劑萃?。?）預(yù)縮聚后沉降1201.2縮聚

目的：提高分子量及軟化點(diǎn)（1）空氣吹掃氧化交聯(lián)

200－400℃

（2）硫化1.2縮聚121各向同性紡絲瀝青的性質(zhì)：a.軟化點(diǎn)：230～280℃。b.H/C：0.55～0.70。c.Q1:小于5%。d.MW/MN:1.13～1.35。e.非觸變性黏-溫特性（即隨著溫度變化黏度變化很?。└飨蛲约徑z瀝青的性質(zhì)：a.軟化點(diǎn)：230～280℃。1222.中間相瀝青的制備采用低軟化點(diǎn)的煤瀝青、石油瀝青或純的芳烴化合物為原料，經(jīng)過催化、低溫惰性氣體保護(hù)下熱縮聚，瀝青分子經(jīng)熱縮聚長大形成中間相流線型結(jié)構(gòu)。煤焦油或石油渣油需要經(jīng)過過濾、蒸餾等手段獲得不含固體雜質(zhì)的低溫瀝青（150℃左右），然后通過350－400℃熱縮聚。合成瀝青首先要用催化劑將芳烴催化成齊聚物。1232.中間相瀝青的制備123123124（1）熱縮聚法常壓，380－420℃124（1）熱縮聚法124125（2）離心沉降法125（2）離心沉降法125（3）溶致改性

與熱縮聚相結(jié)合，通過溶劑去掉部分固體雜質(zhì)和低分子量物質(zhì)，然后在溫和的條件下使分子進(jìn)行物理重排，產(chǎn)生的中間相軟化點(diǎn)低、純度高，適合制備高質(zhì)量的中間相瀝青。（3）溶致改性126三、瀝青纖維的紡制采用熔融紡絲方法，有牽伸法、離心法和噴吹法。127三、瀝青纖維的紡制1271271.紡絲條件對纖維結(jié)構(gòu)的影響128擠出剪切與拉伸剪切vr=vθ=0nr=cos(r)ne=sin(r)nt=01.紡絲條件對纖維結(jié)構(gòu)的影響128擠出剪切與拉伸剪切vr=128129(1)噴絲板的影響129(1)噴絲板的影響129Fig.10.Transversetexturesofmesophasepitch-basedcarbonfibers[56]Fig.10.Transversetexturesof130【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件131（2）紡絲溫度的影響

質(zhì)量平衡：(1)σm（2）紡絲溫度的影響質(zhì)量平衡：(1)σm132133第三講碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料133第三講碳纖維增強(qiáng)133第一節(jié)復(fù)合材料基本概念一、定義 由一種和幾種非連續(xù)相的材料增強(qiáng)連續(xù)相材料構(gòu)成，在材料間存在界面，界面間的作用力等。第一節(jié)復(fù)合材料基本概念一、定義134二、復(fù)合材料的三要素基體——連續(xù)相增強(qiáng)材料——非連續(xù)相界面——結(jié)合點(diǎn)二、復(fù)合材料的三要素135三、復(fù)合材料分類樹脂（高分子）金屬陶瓷碳三、復(fù)合材料分類樹脂（高分子）136復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)纖維增強(qiáng)連續(xù)纖維增強(qiáng)非連續(xù)纖維增強(qiáng)納米顆粒增強(qiáng)微米毫米級顆粒增強(qiáng)片狀顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)纖維增強(qiáng)連續(xù)纖維增強(qiáng)非連續(xù)纖維增強(qiáng)納米顆粒增137非連續(xù)纖維增強(qiáng)晶須增強(qiáng)（隨機(jī)/定向）短切纖維增強(qiáng)（隨機(jī)/定向）納米纖維增強(qiáng)（隨機(jī)/定向）連續(xù)纖維增強(qiáng)單向纖維增強(qiáng)非編織纖維層合三向及多向編織二向織物層合非連續(xù)纖維增強(qiáng)晶須增強(qiáng)（隨機(jī)/定向）連續(xù)纖維增強(qiáng)單向纖維增強(qiáng)138139基體

聚合物（環(huán)氧、聚酯、酚醛等）

無機(jī)物（碳、硅酸鹽、碳化硅、氮化硅等）

金屬（鋁、銅等）139基體1392.增強(qiáng)材料

玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、有機(jī)纖維、金屬纖維、陶瓷纖維等、也可以是織物、氈、短纖維、顆粒等。3.界面

以氫鍵、偶極力形成的非共價(jià)鍵結(jié)合力，起著傳遞應(yīng)力的作用【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件140復(fù)合材料是人類智慧的結(jié)晶。復(fù)合材料是人類對材料追求高強(qiáng)度、高模量和低重量的必然結(jié)果。復(fù)合材料是航空航天和國防領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料。復(fù)合材料是人類智慧的結(jié)晶。141四、復(fù)合材料特點(diǎn)1、各向異性和性能的可設(shè)計(jì)性四、復(fù)合材料特點(diǎn)142⑴纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)、物理性能除了由纖維、基體的種類和含量而定外，還與纖維的排列方向、鋪層序列等有關(guān)；⑵可根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使用條件的不同，選擇相應(yīng)的材料及鋪層設(shè)計(jì)來滿足既定的要求。【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件1431441441442.多樣性⑴耐高溫性、耐燒蝕性好－碳/碳、碳/陶⑵優(yōu)異的電絕緣性和高頻介電性能—玻纖/樹脂復(fù)合⑶良好的摩擦性能—碳/碳⑷優(yōu)良的耐腐蝕性－碳/樹脂⑸有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)特性—多相復(fù)合2.多樣性⑴耐高溫性、耐燒蝕性好－碳/碳、碳/陶1453.比強(qiáng)度、比模量高重量輕、強(qiáng)度高、模量大σ/ρ，E/ρ結(jié)構(gòu)材料的減重，用最輕重量獲得最大強(qiáng)度或模量3.比強(qiáng)度、比模量高1464.耐疲勞性能好，破損安全性高疲勞破壞有預(yù)兆；界面疲勞極限/靜極限強(qiáng)度的百分比高（S-N）大量獨(dú)立的纖維-靜不定體系4.耐疲勞性能好，破損安全性高1475.良好的加工工藝性⑴可根據(jù)制品的使用條件、性能要求選擇原材料（纖維、樹脂）⑵可根據(jù)制品的形狀、大小、數(shù)量選擇加工成型方法⑶材料、結(jié)構(gòu)的制備在同一工藝過程完成即可整體成型，減少裝配零件的數(shù)量，節(jié)省工時(shí)、節(jié)省材料、減輕重量5.良好的加工工藝性⑴可根據(jù)制品的使用條件、性能要求選擇原148第二節(jié)碳纖維的表面處理一、目的:（1）在碳纖維表面產(chǎn)生官能團(tuán)，增強(qiáng)與基體的復(fù)合作用（2）去除碳纖維表面浮碳，避免與基體虛假結(jié)合（3）適當(dāng)刻蝕纖維表面，使其在與基體復(fù)合時(shí)產(chǎn)生物理嵌合作用

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：層間剪切力（IL-SS）149第二節(jié)碳纖維的表面處理一、目的:149149二、表面處理的方法TreatmentImprovementinIL-SS(%)氣相氧化（空氣、臭氧、等離子體）10－15液相氧化（硝酸、硫酸、陽極氧化）100－200表面晶須化200－300裂解碳包覆60－100聚合物接枝80－100二、表面處理的方法TreatmentImprovement1501511.氣相氧化法 反應(yīng)介質(zhì)：空氣、氧氣、臭氧等 溫度：350-600℃

反應(yīng)時(shí)間：30s－2h

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，易和CF生產(chǎn)線相銜接。 缺點(diǎn)：（1）氧化反應(yīng)劇烈，難以控制，纖維的抗拉強(qiáng)度有一定程度的降低；（2）處理的效果往往難以重現(xiàn)。1511.氣相氧化法1512.液相氧化法（1）液相氧化介質(zhì)優(yōu)點(diǎn):（1)效果比氣相氧化法好,條件適當(dāng)時(shí)復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度可增加1.0倍以上,而纖維強(qiáng)度僅略有降低;

（2)只氧化纖維的表面.缺點(diǎn):（1)多為間歇式操作,處理時(shí)間長,處理過程中纖維的洗凈也很重要;

（2)操作復(fù)雜,難以和CF生產(chǎn)線相銜接.2.液相氧化法152（2）電化學(xué)氧化法

特點(diǎn)：處理?xiàng)l件緩和，反應(yīng)易于控制，操作簡便迅速，并可直接連接在生產(chǎn)線上，適于工業(yè)化生產(chǎn)。（2）電化學(xué)氧化法1533.表面涂層法（1）聚合物涂層（2）溶液還原法（3）表面接枝法（4）化學(xué)氣相沉積法*熱分解反應(yīng)CH4→C+2H2*氫還原反應(yīng)SiCl4+H2

→Si+4HCl*復(fù)合反應(yīng)

3SiCl4+4NH3

→Si3N4+12HCl*與基體的反應(yīng)

SiCl4+2H2+C(基體)→SiC+4HCl3.表面涂層法1545.復(fù)合工藝（1）鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料5.復(fù)合工藝155（2）壓力容器與管材一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸往復(fù)遞進(jìn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，處于一個(gè)平面上一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸往復(fù)遞進(jìn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，處于一個(gè)平面上156纏繞設(shè)備組成：樹脂槽、纖維束展開裝置、芯模、控制系統(tǒng)、固化和脫模設(shè)備等。適合制備的構(gòu)件：管、圓柱形壓力容器：火箭發(fā)射管、飛機(jī)副油箱、發(fā)動機(jī)短艙和帽罩、火箭發(fā)動機(jī)機(jī)匣等。纏繞設(shè)備組成：157（3）拉擠成型連續(xù)生產(chǎn)固定截面型材的成型方法。主要過程是將浸有樹脂的纖維連續(xù)通過一定型面的加熱口模，擠出多余樹脂，在牽引條件下進(jìn)行固化。拉擠成型機(jī)由紗架、集紗器、浸膠裝置、成型模腔、牽引機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)和操作控制系統(tǒng)組成。（3）拉擠成型連續(xù)生產(chǎn)固定截面型材的成型方法。主要過程是將浸158碳纖維拉擠成型應(yīng)用： 抽油桿 電纜加強(qiáng)芯 釣魚竿 橋梁索碳纖維拉擠成型應(yīng)用：159160第四章活性炭材料160第四章活性炭材料160 Activatedcarbon強(qiáng)調(diào)制法

Activecarbon強(qiáng)調(diào)特性

活性炭就是一種經(jīng)過活化、有活性的多孔炭。161 Activatedcarbon強(qiáng)調(diào)制法161161二、活性炭的孔結(jié)構(gòu)1.孔徑的劃分

根據(jù)杜比寧的劃分，直徑 小于2.0nm的叫微孔 大于100nm的叫大孔 中間的叫過渡孔，也叫中孔

162二、活性炭的孔結(jié)構(gòu)1.孔徑的劃分1621622.孔的形狀

雖然用了直徑這樣的詞來描述活性炭的孔，但其形狀是復(fù)雜的。大孔可以通過電鏡觀察到，為近圓形或裂口形的。但對于微孔，則根據(jù)容易吸附苯、奈等扁平的分子而認(rèn)為是狹縫形的 根據(jù)常識想象，孔的關(guān)系是少數(shù)大孔分支形成過渡孔，再從過度孔上分支形成無數(shù)的微孔，但這樣的結(jié)構(gòu)并不能解釋所有的現(xiàn)象。 孔的入口常常想象的比內(nèi)部小，即呈墨水瓶裝的孔，因?yàn)榇蟛糠值拿摳降葴鼐€都比吸附滯后。1632.孔的形狀1631633.比表面積

普遍接受的測試方法為BET氮?dú)馕椒?，即Brunauer－Emmertt－Teller法。主要是將根據(jù)多分子層吸附模型計(jì)算出單分子層吸附量。1643.比表面積164164如果將P/P0寫作x，則上式可變?yōu)椋? 根據(jù)直線的截距和斜率可計(jì)算出單分子層吸附量Vm，即每克活性炭吸附的單層吸附質(zhì)的量。根據(jù)吸附質(zhì)的分子半徑即可計(jì)算出活性炭比表面積。165如果將P/P0寫作x，則上式可變?yōu)椋?651654.孔的容積與孔徑分布

孔容可以通過飽和吸附壓力下的吸附量計(jì)算，此時(shí)可以認(rèn)為吸附質(zhì)為液相狀態(tài)。 最常用的方法還是用吸附等溫線根據(jù)毛細(xì)管凝結(jié)法計(jì)算。Kelving公式：1664.孔的容積與孔徑分布166166

測量范圍：在2nm到30nm之間的孔徑比較真實(shí)。167 測量范圍：在2nm到30nm之間的孔徑比較真實(shí)。167167三、活性炭的制備1.活化方法（1）化學(xué)藥品活化－化學(xué)活化

KOH、ZnCl、NaCl、NaCO3等等（2）氣相活化－物理活化水蒸氣、二氧化碳等氧化性氣體（3）模板法 以分子篩等多孔物質(zhì)為模板，將碳質(zhì)前驅(qū)體浸漬在孔隙中，經(jīng)碳化后將模板去除，得到具有反轉(zhuǎn)孔結(jié)構(gòu)的活性炭168三、活性炭的制備1.活化方法1681682.活化機(jī)理 無論何種活化，其本質(zhì)是部分炭被燒蝕而留下孔隙結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)活化中還有插層的因素，因此比表面積和收率較物理活化高。

C+H2O=H2+COC+2H2O=H2+CO21692.活化機(jī)理1691693.活化炭的分類（1）從形態(tài) 粒狀活性炭、球狀活性炭、活性炭纖維活性炭粉（2）從性能分 普通活性炭和超級活性炭（3）從原料分 生物質(zhì)活性炭、煤質(zhì)活性炭、樹脂活性炭、瀝青基活性炭1703.活化炭的分類1701704.制備方法（1）生物質(zhì)活性炭

首先將濃的化學(xué)藥品溶液，如氯化鋅，與生物質(zhì)充分混合干燥后在惰性氣體保護(hù)下在600－700℃下熱處理，洗滌去除殘余的鋅鹽得到活性炭，原料炭的固定率可達(dá)80％左右。1714.制備方法171171（2）煤炭類活性炭

煤質(zhì)的特點(diǎn)是比生物質(zhì)含碳量高，但由于從褐煤到無煙煤的差別比較大，適合采用的方法也不盡相同。用物理活化和化學(xué)活化均可，但一般要經(jīng)過粉碎、成型等工藝。172（2）煤炭類活性炭172172（3）瀝青焦 采用石油焦或煤瀝青焦為原料，通過洗滌、脫灰，采用化學(xué)活化方法，可制備超高比表面積活性炭，也稱超級活性炭。173（3）瀝青焦173173（4）碳纖維 以PAN、瀝青、酚醛樹脂及粘膠基碳纖維（氈）為原料，通常采用物理活化方法制得活性碳纖維（氈）。由于碳纖維很細(xì)，因此產(chǎn)品以微孔為主。（4）碳纖維174（5）樹脂基碳 除纖維外，樹脂可制備成球形或凝膠體，然后通過活化提高比表面積。凝膠本身為多孔結(jié)構(gòu)，直接碳化也可獲得一定比表面積的活性炭。（5）樹脂基碳175176第一講超級電容器電極材料第五章儲能碳材料176第一講超級電容器電極材料第五章儲能碳材料176一、電容器基礎(chǔ)知識電容器的儲電機(jī)理 對于任何一個(gè)不受外界影響的“孤立”導(dǎo)體而言，當(dāng)導(dǎo)體帶電時(shí)其所帶的電量Q與相應(yīng)的電位U之比，是一個(gè)和導(dǎo)體所帶的電量無關(guān)的量，稱為孤立導(dǎo)體的電容，即： 地球的電容：700uF一、電容器基礎(chǔ)知識電容器的儲電機(jī)理1772.

平板電容器2.平板電容器178平板電容器的容量 以離子結(jié)構(gòu)的介電質(zhì)的最高介電常數(shù)計(jì)算105計(jì)算，如果面積S為1.0m2，即10000cm2，平板間距d為0.2mm，即0.02cm，則容量為4420uF，即0.044F。平板電容器的容量179二、超級電容器因何而超級？

Super-capacitor，ultra-capacitor

如果面積S為1000m2，即107cm2，平板間距d為1.0nm，即10-4cm，則容量為885F，如果電壓為1.0V，以1.0A電流放電，放電時(shí)間可達(dá)885s，即885As，換算成電池的容量單位為245mAh。二、超級電容器因何而超級？180

超級之處在于容量大，而大容量可以通過增大平板容量、減小平板間距離得以實(shí)現(xiàn)，然而如何能達(dá)到1000m2的面積而不致使體積增加很多？ 采用活性炭和離子溶液作為電介質(zhì) 兩個(gè)轉(zhuǎn)變：平板→多孔材料，使比表面積增大 固體介電質(zhì)→離子型溶液，d大大減小作為電極的多孔材料中的電荷與吸附在孔壁上的離子構(gòu)成雙電層，因此也較雙電層電容器。

超級之處在于容量大，而大容量可以通過增大平181182182182超級電容器容量計(jì)算45332161.電源，2.電流表，3.集電體，4.陽極，5.陰極，6.電壓表t,sU恒電流I下的充電曲線m單電極的質(zhì)量U電壓超級電容器容量計(jì)算45332161.電源，2.電流表，183第二講燃料電池用碳材料第二講燃料電池用碳材料184H2一.基本結(jié)構(gòu)H2一.基本結(jié)構(gòu)185二.

材料及功能1.質(zhì)子膜： 傳到H＋質(zhì)子并阻止非質(zhì)子的通過，絕緣，耐高溫（200攝氏度以上），由無機(jī)參雜的聚合物構(gòu)成。二.材料及功能1862.擴(kuò)散層：碳紙或碳布因?yàn)橐ㄈ霘錃饧把鯕?，必須具有高透氣性的功能，在材料的選擇上必須采用多孔透氣材料。氣體擴(kuò)散層所處環(huán)境同時(shí)存在還原介質(zhì)與氣化介質(zhì)，所以必須具有抗腐蝕能力。因此選擇碳材料作為氣體擴(kuò)散層的主要材料。扮演電流的傳導(dǎo)器，因此氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電度必須有一定水準(zhǔn)以上。為了確保電池組的溫度均勻分布，氣體擴(kuò)散層必須是熱的良導(dǎo)體。氣體擴(kuò)散層必須具有足夠的抗彎曲強(qiáng)度來抵抗操作壓力及熱循環(huán)穩(wěn)定性。2.擴(kuò)散層：碳紙或碳布1873.電催化層

以碳黑、碳納米管、石墨、MCMB、石油焦作為Pt等催化劑的載體。催化活性主要取決于載體的結(jié)構(gòu)。3.電催化層1884.雙極板

石墨：致密性好，導(dǎo)電性好，強(qiáng)度高。4.雙極板189

第六章功能性碳材料

第一講電磁屏蔽與隱身材料

第六章功能性碳材料

第一講電磁屏蔽與隱身材料190一、電磁屏蔽材料

（一）電磁輻射基本知識1.電磁輻射自然輻射：太陽光（紅外、紫外、可見光等） 地球的天然磁場 宇宙中的其他電磁波雷電等自然靜電產(chǎn)生的電磁波人造輻射： 通訊電磁波：電臺、電視、手機(jī)醫(yī)療：x射線、放射性治療電磁設(shè)備：微波爐、電磁爐一、電磁屏蔽材料

（一）電磁輻射基本知識1.電磁輻射1912.電磁屏蔽（1）被動屏蔽 利用吸收或反射電磁波的物質(zhì)將被保護(hù)對象屏蔽使其免收電磁波危害，如防曬霜、電器的殼體、防輻射建筑材料等。（2）主動屏蔽 利用電磁吸收或反射物質(zhì)將電磁波的發(fā)射源屏蔽，以免電磁波發(fā)射對外界造成危害，如電磁爐殼體、x射線放射設(shè)備等。2.電磁屏蔽192（二）電磁屏蔽原理

通過材料表面的反射、材料內(nèi)部的吸收和多次反射使得電磁波強(qiáng)度衰減的過程。屏蔽效能為：E0E30db為差，30－60db為中，60－90db為良好，90db以上為優(yōu)，（二）電磁屏蔽原理 通過材料表面的反射、材料內(nèi)部的吸收和193SE的三個(gè)組成部分

SE=A＋R＋B，A為吸收效能，R為表面反射效能，B為多次反射損耗效能SE的三個(gè)組成部分194（1）吸收效率A：可以看出，頻率越高、材料越厚、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率越高（2）反射效率R：要求材料具有高的導(dǎo)電率和低的磁導(dǎo)率，如金、銀、銅。（3）多次反射效率B：對于A很大或厚度很厚的材料，多重反射可以忽略。 根據(jù)三種屏蔽效率系數(shù)的不同，屏蔽材料可以分為以（1）吸收為主；（2）以反射為主；（3）二者相結(jié)合三種。（1）吸收效率A：可以看出，頻率越高、材料越厚、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)195二、導(dǎo)熱碳材料材料熱導(dǎo)率WM/K材料熱導(dǎo)率WM/KAg417BeO219Al190MgO36Cu390Al2O330Mg103CaO15Fe69Dia~2000Gra~?3000Gra~┴60二、導(dǎo)熱碳材料材料熱導(dǎo)率材料熱導(dǎo)率Ag417BeO219Al1961.熱導(dǎo)率（Thermalconductivity,TC） 熱是能量存在的一種形式。當(dāng)物體內(nèi)部或兩種物體相互接觸時(shí)，熱量就由高溫向低溫傳遞，直到彼此溫度相同為止。熱傳遞與溫度差有關(guān)，用下式表示：

q=-λ*S

q-傳遞熱量

λ-熱導(dǎo)率-溫度梯度（一）基本知識1.熱導(dǎo)率（Thermalconductivity,TC197

2.碳材料的導(dǎo)熱機(jī)理

金屬材料的熱量傳遞主要是依靠材料的晶體振動波和自由電子的流動，而自由電子的傳熱效率比晶格振動波大得多，也就是說，金屬材料的傳熱主要依靠電子的流動。對于非金屬材料，主要依靠晶格振動波，碳材料等多晶屬于非金屬材料。格波的能量是量子化的，格波量子稱為聲子，熱導(dǎo)率與聲子的平均自由行程密切相關(guān)，可以Debey方程表示：

2.碳材料的導(dǎo)熱機(jī)理198

聲子的平均自由行程與石墨微晶層面大小La有關(guān)。La越大，熱導(dǎo)率越大。 聲子的平均自由行程與石墨微晶層面大小La有關(guān)。La越大，熱1993.導(dǎo)熱系數(shù)測定方法3.導(dǎo)熱系數(shù)測定方法200(二)導(dǎo)熱泡沫碳

(二)導(dǎo)熱泡沫碳201碳泡沫的分類

按基體：可以分為聚合物基、煤瀝青基、石油瀝青基、中間相瀝青基碳泡沫。按孔結(jié)構(gòu)：開孔型和閉孔型按熱導(dǎo)率：導(dǎo)熱型和隔熱型碳泡沫的分類202泡孔尺寸均一，形狀規(guī)則，孔隙率高韌帶取向，利于石墨化產(chǎn)生高導(dǎo)熱率泡孔結(jié)構(gòu)泡孔尺寸均一，形狀規(guī)則，孔隙率高韌帶取向，泡孔結(jié)構(gòu)2035.泡沫碳導(dǎo)熱性能及應(yīng)用MaterialsDensity(g/cm3)Thermalconductivity(W/m?k)Specificthermalconductivity(W/m?k)/(g/cm3)Ligaments(W/m?k)ORNLcarbonfoam0.57175307700～12002-DC/C1.88250133_copper8.938643_Aluminum2.8815052_Aluminumfoam0.51224_5.泡沫碳導(dǎo)熱性能及應(yīng)用MaterialsDensityT204第七章納米碳材料第七章納米碳材料205一、概述納米材料 納米＝10-9米納米材料（1）尺寸在1-100nm

（2）某些性能特異化2.納米技術(shù)納米材料的制備與檢測技術(shù)納米材料的意義 （1）利用聲、光、電、磁等特異性（2）在納米尺度上制備復(fù)合材料一、概述納米材料206二、納米制備技術(shù)物理法（1）氣相法－從氣體到固體 電弧法：碳60的發(fā)現(xiàn) 等離子體氣化（2）固相法－從固體到固體 球磨法：金屬氧化物、石墨 液體研磨分散法：石墨烯

二、納米制備技術(shù)物理法2072.化學(xué)法（1）化學(xué)氣相沉積碳納米管、納米陶瓷等（2）氣相熱解法： 碳黑（3）模版法（4）液相法液相沉積法：從溶液到沉淀的方法微乳法：使分散相固化，對于納米碳，首先可以得到碳的前驅(qū)體，再進(jìn)行碳化溶膠凝膠法

2.化學(xué)法208復(fù)習(xí)（一）復(fù)習(xí)209提綱第一章炭材料的多樣性及發(fā)展史（2學(xué)時(shí)）★基本結(jié)晶形式-金剛石、石墨、富勒烯、咔賓★碳的結(jié)構(gòu)★碳的特性提綱第一章炭材料的多樣性及發(fā)展史（2學(xué)時(shí)）210第二章碳化工學(xué)（6學(xué)時(shí)）★氣相碳化★液相碳化★固相碳化第三章高性能炭纖維及其復(fù)合材料（6學(xué)時(shí)）★PAN、瀝青基、粘膠基碳纖維★炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料第四章活性炭材料（2學(xué)時(shí)）課程內(nèi)容第二章碳化工學(xué)（6學(xué)時(shí)）課程內(nèi)容211第五章儲能炭材料(6學(xué)時(shí))★鋰離子二次電池電極材料★燃料電池用炭材料★超級電容器電極材料第六章功能性碳材料（4學(xué)時(shí)）★導(dǎo)熱導(dǎo)電碳材料★電磁屏蔽、雷達(dá)隱身碳材料第七章納米碳材料（2學(xué)時(shí)）機(jī)動：2學(xué)時(shí)第五章儲能炭材料(6學(xué)時(shí))212第一章緒論

炭材料的多樣性及發(fā)展史第一章緒論

炭材料的多樣性及發(fā)展史2131.碳的分類（1）從分子結(jié)構(gòu)分石墨（包括人造的類石墨結(jié)構(gòu)炭）金剛石(天然金剛石、人造金剛石）炔碳富勒烯球和納米炭1.碳的分類214（2）從用途上分結(jié)構(gòu)碳材料以力學(xué)性能為主要特點(diǎn)的場合，其構(gòu)件主要用于承受力的作用。

PAN碳纖維、中間相瀝青基碳纖維（2）從用途上分215功能碳材料

以導(dǎo)電、導(dǎo)熱、高溫隔熱、吸附、耐高溫、耐摩擦、高強(qiáng)刀具等主要發(fā)揮力學(xué)性能以外的功能的場合。

（1）導(dǎo)電：石墨電極、導(dǎo)電炭黑、碳纖維地暖線……

（2）導(dǎo)熱：泡沫碳、導(dǎo)熱碳纖維（3）隔熱：碳?xì)帧⑴菽迹?）吸附：活性炭、活性碳纖維（5）耐高溫：火箭喉襯（6）摩擦材料：剎車片（7）潤滑材料：石墨（8）刀具：金剛石刀具功能碳材料216木炭焦炭石墨人類起源木炭為熱能的來源銅器時(shí)代炭還原銅十八世紀(jì)初焦炭作還原劑。煉鋼工業(yè)十九世紀(jì)中電爐煉鋼炭電極工業(yè)化1895年電極，電刷和電極糊1907年活性炭用于環(huán)境20世紀(jì)40-50年代高純高密石墨20世紀(jì)50-60年代熱解石墨和熱解炭20世紀(jì)60-70年代C60碳納米管….金剛石薄膜中間相炭微球膨脹石墨炭纖維復(fù)合材料高性能炭纖維人類文明時(shí)代煙炱做染料和墨汁20世紀(jì)80年代2.碳的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展木焦炭石墨人類起源木炭為熱能的來源銅器時(shí)代2173.炭材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（1）碳原子及其雜化軌道3.炭材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)218SP3（正四面體）、SP2（正三角型）、SP（直線型）【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件219（2）碳的同素異形體金剛石（diamond）（2）碳的同素異形體金剛石（diamond）220SP3雜化軌道，四個(gè)等同σ共價(jià)鍵，具飽和性和方向性面心立方晶體特征：硬而脆；碳中密度最大（3.52g/cm3）；1800℃以上轉(zhuǎn)換為石墨；電絕緣體和熱良導(dǎo)體；SP3雜化軌道，四個(gè)等同σ共價(jià)鍵，具飽和性和方向性221金剛石的工業(yè)生產(chǎn)方法高溫靜壓法CVD金剛石的工業(yè)生產(chǎn)方法222高溫高壓的平衡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；晶胞體積V=a0.sin60.a0.c0=0.03519(nm)3理論密度D=碳原子質(zhì)量x晶胞內(nèi)碳原子數(shù)/晶胞體積

=12.011x1.66x10-24x4/35.19x10-24=2.266g/cmA、六方晶系（Hexagonalunit,2H）石墨（graphite）高溫高壓的平衡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；A、六方晶系（Hexagonal223型石墨,ABCABC..序列；六方晶胞和菱面晶胞；良好結(jié)晶的石墨中，3R成分約占17%，研磨后可增加到22%；熱處理到2000℃，可恢復(fù)到ABAB…序列。B、菱形晶系（Rhombohedral）型石墨,ABCABC..序列；B、菱形晶系（Rhombo224石墨的特性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σ鍵，剩余的2Pz軌道與σ鍵所在的平面垂直形成π鍵；π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，類似金屬鍵結(jié)構(gòu)；π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。石墨的特性SP2雜化軌道，2S2Px2Py三個(gè)在同一平面內(nèi)互2251968年于石墨片麻巖中發(fā)現(xiàn)，其后人工合成少許；

SP雜化軌道，2個(gè)σ鍵，2個(gè)π鍵；兩種類型：累積烯烴=C=C=C=

聚炔-C≡C-C≡C-

線狀，單元鏈長10-12C原子，六方晶體；樹脂狀組織，白色，白碳咔賓（carbyne）1968年于石墨片麻巖中發(fā)現(xiàn)，其后人工合成少許；咔賓（c226咔賓的性質(zhì)◆具有半導(dǎo)體及超導(dǎo)體性質(zhì)；◆生物相容性好；◆由累積烯烴出發(fā)易于轉(zhuǎn)化為金剛石。咔賓的性質(zhì)227富勒烯（fullerene）1985年發(fā)現(xiàn)的新碳相；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)；C6020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。富勒烯（fullerene）1985年發(fā)現(xiàn)的新碳相；當(dāng)SP2228GraphiteCrystallineC60DiamondIn-plane(a)c-axesStructureHexagonal2HCubicfccubicDensity(g/cm3)2.261.723.52Bindingenergy(eV/carbonatom)7.47.47.2Thermalconductivity(Wm-1K-1)300060.4~2500Elasticmoduli(Gpa)106036.515.9107.6Resistivity(Ωcm)5x10-511x1014~1x1020Thermalexpansion(K-1)-1x10-62.9x10-56.1x10-5~1x10-6Principalphysicalpropertiesofthe3maincarbonallotropesGraphiteCrystallineDiamondIn-p229A：石墨催化轉(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T1:4100KP1:12GPaT2:4020±50KP2:12.25±1.47MPa3.碳的轉(zhuǎn)化A：石墨催化轉(zhuǎn)化為金剛石的區(qū)域3.碳的轉(zhuǎn)化2303.碳纖維及制品3.碳纖維及制品231第二章碳化工學(xué)概述碳化——有機(jī)化合物向碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程氣相碳化：炭黑液相碳化：煉焦固相碳化：碳纖維第二章碳化工學(xué)概述232第一部分液相碳化一、有機(jī)化合物的熱裂解與縮聚1.脂肪烴的裂解C-H斷鍵能Kcal/molC—C—C—C—C—C—C—C—C—C—C—C93.688.886.986.185.885.785.785.886.186.988.893.6C-C斷鍵能Kcal/molC—C—C—C—C—C—C—C80777574757780

第一部分液相碳化一、有機(jī)化合物的熱裂解與縮聚C-H斷鍵能233【碳材料】復(fù)習(xí)-研課件2343.烯烴的芳構(gòu)化3.烯烴的芳構(gòu)化2354.芳烴裂解與縮聚4.芳烴裂解與縮聚236二、稠環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)性質(zhì)丁蒽戊蒽己蒽丁菲戊菲己菲庚菲二、稠環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)性質(zhì)丁蒽戊蒽己蒽丁菲237三、從有機(jī)物到碳的中間產(chǎn)物——瀝青（一）石油瀝青石油瀝青的元素組成