碳材料科學(xué)與技術(shù)思考題

《碳材料科學(xué)與技術(shù)》思考題匯總碳的同素異性體有哪些？結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有何差別？金剛石：SP3碳中密度最大，硬度最大，有良好的電絕緣性，熱良導(dǎo)體，正四面體結(jié)構(gòu)石墨：SP2層片結(jié)構(gòu)，分為六方晶系與菱形晶系，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，柔軟，有潤滑性，各向異性?？ㄙe：SP雜化軌道，聚烯烴或者累計(jì)烯烴結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體或超導(dǎo)性質(zhì)，生物相容性好，易轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?。富勒烯：SP2雜化軌道形成的六面體球狀結(jié)構(gòu)。石墨烯：是從石墨的片層上摘下一層或幾層六面體平面，硬度較大，卷起來可以做成碳納米管。什么是液相碳化？簡述其特點(diǎn)及應(yīng)用。碳化——有機(jī)化合物向碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程。液相碳化-有機(jī)物在液相狀態(tài)下經(jīng)過芳構(gòu)化形成稠環(huán)芳烴并進(jìn)一步脫除非碳元素的過程，比如從有機(jī)物到瀝青，從瀝青到中間相，從中間相到生焦。通過控制液相碳化過程可制備針狀焦、中間相瀝青、中間相碳微球等產(chǎn)品。是煉焦用，特點(diǎn)：（1）液相反應(yīng)（2）反應(yīng)溫度低（3）有加速現(xiàn)象（4）粘度逐漸增大，直到固體簡述煤瀝青與石油瀝青的共性與差別。兩者都是瀝青，都是經(jīng)過熱縮聚得到的產(chǎn)物。其中，石油瀝青是以石油為原料，經(jīng)過裂解碳化得到的，而煤瀝青是以煤為原料，先得到煤焦油，后得到瀝青。相比之下，煤瀝青有如下有點(diǎn)：（1）煤焦油含碳高，稠環(huán)芳烴為主，側(cè)鏈少，性脆（2）空氣吹掃時(shí)間增加，含氧量提高，軟化點(diǎn)提高（3）吹掃時(shí)間增加焦收率增加制備中間相紡絲瀝青與中間相碳微球，原料與工藝的差別何在？兩者都是從瀝青出發(fā)，通過液相碳化形成中間相。前者要求盡可能形成流變性能好的大融并體，后者希望生成球徑可控的小球體，相互不融并。因此前者要求原料純度高，生成的小球完全融并，后者要求生成的中間相小球不融并，往往要加入炭黑等納米級(jí)碳微粒阻止融并。反應(yīng)溫度前者較低、緩慢，后者溫度較高，快速增長。何謂針狀焦？與普通焦比有何優(yōu)良性質(zhì)？焦是指有機(jī)物經(jīng)過裂解得到的殘留的固體物質(zhì)，基本元素為碳。因原料的不同有煤焦、石油瀝青焦、煤瀝青焦等。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分為普通焦和針狀焦。延遲焦化與普通焦化相比進(jìn)行了兩項(xiàng)改革，一是先在低溫（500℃氣相碳化的特點(diǎn)是什么？炭黑與氣相生長碳纖維的制備有何區(qū)別與聯(lián)系？有機(jī)物在氣相的狀態(tài)下，向碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程。碳纖維：金屬催化劑（Fe、Co、Ni）、氣態(tài)碳源（甲烷、苯）、高溫：600－1400攝氏度炭黑：氣相碳源：天然氣、苯、焦油。高溫：1260－1420攝氏度，從制備工藝上，炭黑的分類是怎樣的？簡述工藝要點(diǎn)。爐法炭黑：原料氣（油）與空氣（風(fēng)）以一定比例混合通入反應(yīng)爐，反應(yīng)溫度靠部分燃燒而維持。風(fēng)油比越大，反應(yīng)溫度越高。要素：氣相碳源：天然氣、苯、焦油。高溫：1260－1420攝氏度，槽法炭黑：反應(yīng)氣在暴露在空氣中的槽鋼下不完全燃燒而沉積，溫度高而且過度氧化，適合于色素炭黑。裂解炭黑：裂解爐溫度通過燃燒尾氣的方式加熱，然后切換成純的反應(yīng)氣在無氧環(huán)境下裂解，官能團(tuán)少，導(dǎo)電性好。從用途上分，炭黑的分類是怎樣的？簡述性質(zhì)特點(diǎn)（粒徑、表面官能團(tuán)、導(dǎo)電性等）。（1）橡膠碳黑：粒徑小，耐磨性能好，（2）色素碳黑：粒子越小，黑度越高（3）導(dǎo)電碳黑：導(dǎo)電性能好。炭黑熱導(dǎo)率很小，但是有很強(qiáng)的硬度以及耐磨性、回彈性。為什么用碳納米管紡制碳繩不像碳納米管的理論拉伸強(qiáng)度那么高？制約因素有哪些？碳納米管只是一層或幾層的石墨片層經(jīng)過卷曲后形成的，而紡制的碳繩，其中會(huì)有加捻，纏結(jié)，拉伸時(shí)候會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，使其中的六面體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，還會(huì)產(chǎn)生混亂結(jié)構(gòu)，不利于力學(xué)性能的增強(qiáng)。擴(kuò)散是制約氣相沉積制備碳碳復(fù)合材料均勻性的關(guān)鍵因素。如何消除這些不利的因素。在限域加熱段，隨致密化的進(jìn)行，通過限域加熱控制，使預(yù)制體內(nèi)不同位置的受熱環(huán)控制，使預(yù)制體內(nèi)不同位置的受熱環(huán)境發(fā)生改變，可對(duì)指定區(qū)域加熱，有境發(fā)生改變，可對(duì)指定區(qū)域加熱，有效控制沉積區(qū)域的溫度，達(dá)到對(duì)整個(gè)有效控制沉積區(qū)域的溫度，達(dá)到對(duì)整個(gè)致密化進(jìn)程控制的目的，有利于在整個(gè)致密化進(jìn)程控制的目的，有利于在整個(gè)預(yù)制體內(nèi)獲得較為徹底的致密化效個(gè)預(yù)制體內(nèi)獲得較為徹底的致密化效果。固相碳化的特點(diǎn)是什么？試舉例分析前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)對(duì)碳材料結(jié)構(gòu)性能的影響。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。前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)如果規(guī)整，則制得的碳材料的結(jié)構(gòu)也會(huì)規(guī)整，從而力學(xué)等性能能夠得到很大提高，反之，如果前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)就很混亂，則碳材料的結(jié)構(gòu)也很混亂，不利于性能的提高。碳纖維結(jié)構(gòu)與天然石墨的結(jié)構(gòu)有何區(qū)別又有何聯(lián)系？兩者都是由六面體組成的平面，堆疊的結(jié)構(gòu)。區(qū)別是：石墨是一層一層之間層間距相等，并且每個(gè)六面體都是規(guī)則的。而碳纖維結(jié)構(gòu)是堆砌很亂，亂層結(jié)構(gòu)，因而它是脆性材料，但是和石墨一樣，具有導(dǎo)電性。碳纖維力學(xué)性能的決定因素有哪些？碳纖維的形成主要是受其結(jié)構(gòu)控制的，主要包括三點(diǎn)。。。。。。，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)與前驅(qū)體、工藝條件是相關(guān)的、、、、、、結(jié)構(gòu)規(guī)整度，取向度，預(yù)氧化、碳化、石墨化的過程對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響，還有拉伸時(shí)的速率，碳纖維本身的損傷等。在碳纖維制備工藝中“不熔化”是如何實(shí)現(xiàn)的？不熔化就是將前驅(qū)體結(jié)構(gòu)在適當(dāng)條件下生成不溶不熔的結(jié)構(gòu)。具體分瀝青纖維、丙烯腈纖維、粘膠纖維來論述。盡一切努力將每一個(gè)PAN鏈變成梯形結(jié)構(gòu)，在氧化作用下交聯(lián)，使分子鏈碳化時(shí)有最高的碳得率，保持高度擇優(yōu)取向。試比較PAN、瀝青和粘膠碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能。PAN：主要是PAN經(jīng)過氧化環(huán)化后經(jīng)過碳化和石墨化得到的，力學(xué)拉伸性能較強(qiáng)。瀝青黏膠：每個(gè)晶胞內(nèi)有兩條分子鏈和4個(gè)葡萄糖結(jié)構(gòu)單元，孔隙率大，導(dǎo)熱性能差，但是隔熱性能好，強(qiáng)度大大不如PAN基碳纖維。試論如何根據(jù)復(fù)合材料基體及使用性能選擇碳纖維的表面處理工藝。表面處理工藝取決于基體的結(jié)構(gòu)，如果復(fù)合材料的基體中有極性強(qiáng)的集團(tuán)，則與碳纖維有強(qiáng)的分子間力，無需對(duì)碳纖維做很多的表面處理就有強(qiáng)的界面效應(yīng)。如果基體中沒有極性集團(tuán)，則需要對(duì)碳纖維的表面進(jìn)行一定的處理與刻蝕，來增強(qiáng)其與基體的界面效應(yīng)。更好地起到傳遞載荷的作用?；钚蕴康摹盎钚浴睆暮味鴣?？制備活性炭的方法有哪些？所制備活性炭的孔結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？活性是通過在單位面積上盡可能多地引進(jìn)孔，增強(qiáng)吸附性?；钚蕴烤褪且环N經(jīng)過活化、有活性的多孔炭。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℃（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。（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(jí)活性炭。（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。（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。（6）模板碳：以分子篩為模板，經(jīng)過浸漬、碳化、去除模板，制備成單一孔徑分布的活性炭作為催化劑載體的活性炭和作為甲烷等氣體吸附的活性炭在孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)如何考慮催化活性炭主要是起到催化作用，要求活化，并且比表面積要大，在單位面積的孔洞要盡可能多，而甲烷等氣體吸附的活性炭的比表面積的要求不是很高，孔徑也不必很大，只要提高吸附性即可。碳材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的儲(chǔ)能機(jī)理是什么？活性物質(zhì)：碳材料（天然石墨、人造石墨、MCMB）、鈦酸鋰、硅、錫氧化物由于鋰電池是搖椅電池，在充放電的過程中是通過鋰離子的正負(fù)極之間的移動(dòng)來達(dá)到的，負(fù)極材料的儲(chǔ)能主要是在儲(chǔ)存鋰離子，講鋰離子嵌入碳材料的結(jié)構(gòu)空隙中。以碳材料為鋰離子電池的負(fù)極材料，影響其可逆容量密度和功率密度的因素有哪些？如何根據(jù)此選擇碳材料？石墨化程度要高、粒度要小、純度要高、核殼結(jié)構(gòu)的高度石墨化從平板電容器電容的計(jì)算公式出發(fā)，分析影響電容量的因素有哪些，解釋活性炭作為電極為什么能實(shí)現(xiàn)“超級(jí)”電容量。與面積、平板間距離、電量等因素有關(guān)。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，平板間距離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。質(zhì)子膜燃料電池是由哪幾部分構(gòu)成的？分別用到何種（碳）材料？質(zhì)子膜：由無機(jī)參雜的聚合物構(gòu)成。擴(kuò)散層：碳紙或碳布電催化層：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)。雙極板：石墨：致密性好，導(dǎo)電性好，強(qiáng)度高試分析電磁屏蔽和雷達(dá)隱身對(duì)材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同。電磁屏蔽是在輻射源和保護(hù)對(duì)象之間設(shè)立屏障，反射、吸收均可，目的是讓保護(hù)對(duì)象免收輻射。雷達(dá)隱身目的是使探測(cè)對(duì)象不反射（散射）雷達(dá)波回到雷達(dá)，所以要減少反射。。。。。。（可以從表層、芯層材料的不同展開）類石墨材料的導(dǎo)熱性能與其結(jié)構(gòu)有何關(guān)系？舉例說明。