碳材料概述資料

碳材料概述資料第1頁(yè)/共29頁(yè)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(shí)代，炭黑作為涂料；商朝時(shí)，廣泛用木炭來(lái)冶煉金屬，在冶煉中木炭充當(dāng)燃料、還原劑。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(wàn)種化合物。碳—地球上一切生物有機(jī)體的骨架元素。碳12是國(guó)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1mol。碳14由于具有較長(zhǎng)的半衰期，被廣泛用來(lái)測(cè)定古物的年代。一、碳的基礎(chǔ)知識(shí)第2頁(yè)/共29頁(yè)一、碳的基礎(chǔ)知識(shí)佛羅倫薩科學(xué)院大事記：1649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(shí)驗(yàn)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(yǔ)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?jiān)乇碇?。I欄：簡(jiǎn)單物質(zhì)光、熱質(zhì)、氧、氮、氫II欄：非金屬簡(jiǎn)單物質(zhì)硫、磷、碳、鹽酸基、氟酸基、硼酸基III欄：金屬簡(jiǎn)單物質(zhì)銻、銀、砷、鉍、鈷、銅、錫、鐵、錳、汞、鉬、鎳、金、鉑、鉛、鎢、鋅IV欄：土類簡(jiǎn)單物質(zhì)石灰、鎂土、鋇土、鋁土、硅土第3頁(yè)/共29頁(yè)一、碳的基礎(chǔ)知識(shí)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：指碳元素、碳單質(zhì)總體、含碳化合物及其眾多的衍生物時(shí)用“碳”如碳水化合物、碳酸鹽、碳?xì)浠衔?。炭：指由碳元素形成的單質(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(gè)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(wú)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)品稱炭素制品(如炭質(zhì)電極、石墨電極、炭纖維)。第4頁(yè)/共29頁(yè)一、碳的基礎(chǔ)知識(shí)碳材料：結(jié)構(gòu)多樣性功能多樣性傳統(tǒng)碳材料（Classiccarbons）木炭、竹炭（Charcoals）活性炭（Activatedcarbons）炭黑（Carbonblacks）焦炭（Coke）天然石墨（Naturalgraphite）天然金剛石（Naturaldiamond）新型碳材料（Newcarbons）金剛石功能材料（薄膜、納米）石墨層間化合物炭纖維（Carbonsfibers）多孔炭（Porouscarbons）玻璃炭（Glass-likecarbons）柔性石墨（Flexiblegraphite）核石墨（Nucleargraphite）Fullerene、CNTS、Graphene碳材料的分類第5頁(yè)/共29頁(yè)二、金剛石與石墨天然金剛石鉆石研磨金剛石結(jié)構(gòu)圖石墨：平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)第6頁(yè)/共29頁(yè)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(jī)顯像管的涂層等;3）用于原子能工業(yè)和國(guó)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(rùn)滑材料，耐燒蝕材料。利用了石墨具有導(dǎo)電性、潤(rùn)滑性和熔點(diǎn)高第7頁(yè)/共29頁(yè)二、金剛石與石墨金剛石合成已有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(dòng)態(tài)法）和氣相合成法1954年人造金剛石在美國(guó)通用電氣公司的誕生，揭開(kāi)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?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)金剛石膜的問(wèn)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(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)先后在低壓下實(shí)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(lái)主要有CVD和PVD兩類。第8頁(yè)/共29頁(yè)二、金剛石與石墨鉆頭金剛石主要用于精密機(jī)械制造、電子工業(yè)、光學(xué)工業(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。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。近年來(lái)，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。第9頁(yè)/共29頁(yè)三、其他傳統(tǒng)炭素材料木炭焦炭活性炭炭黑以石墨微晶為基礎(chǔ)構(gòu)成的，其共同點(diǎn)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。炭纖維、多孔碳材料，功能化金剛石薄膜、玻璃炭等。第10頁(yè)/共29頁(yè)我國(guó)古代字畫(huà)為什么能夠保存在現(xiàn)在？常溫下，碳的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，碳受日光照射或與空氣、水分接觸，都不容易起變化。第11頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料CNT：1991年日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室Sumio·Iijim用HRTEM觀察電弧放電后的石墨棒時(shí)發(fā)現(xiàn)。Graphene：2004年，物理學(xué)教授安德烈?海姆(AndreGeim)和康斯坦丁?諾沃肖洛夫（KostyaNovoselov）博士用一種簡(jiǎn)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Diamond：印度金剛石開(kāi)采的可考?xì)v史大約是1638～1668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(gè)六邊形+12個(gè)五邊形）2010獲獎(jiǎng)第12頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料C60的發(fā)現(xiàn)1985年，英國(guó)Sussex大學(xué)的H.W.Kroto和美國(guó)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(gè)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BuckminsterFuller設(shè)計(jì)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(lái)看，富勒烯具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景。美國(guó)建筑師富勒的設(shè)計(jì)之一

C60是20世紀(jì)的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，極大地拓展了人類對(duì)碳材料的認(rèn)識(shí)！第13頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料C60的發(fā)現(xiàn)★C60的主要合成法：石墨氣化法（激光、電?。?、純碳燃燒法★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(guò)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(yáng)能電池材料：PCBM，C60的有機(jī)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(jī)太陽(yáng)能電池的電子受體標(biāo)準(zhǔn)物；

催化劑材料：有機(jī)官能團(tuán)改性，此外還有醫(yī)學(xué)、光學(xué)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！第14頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料CarbonNanotubes的發(fā)現(xiàn)Nature

354,56-58(1991)MWNTSWNT第15頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料CarbonNanotubes的發(fā)現(xiàn)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。ArcDischargeMethods:電弧室充惰性氣體保護(hù)，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧，再拉開(kāi)，以保持電弧穩(wěn)定。放電過(guò)程中陽(yáng)極溫度相對(duì)陰極較高，所以陽(yáng)極石墨棒不斷被消耗，同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。電弧法多采用直流電弧，電弧放電條件一般為：電極電壓20～30V；電流50～150A；氣體壓力10～80kPa。MaterialsToday,Oct2004,pages22-49.第16頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料納米碳管儲(chǔ)氫原理：吸附氫氣的吸附和脫附可在常溫進(jìn)行，只要改變壓力即可；儲(chǔ)氫量大，純凈單壁碳納米管達(dá)5.0~10%(一般7.4%)，符合美國(guó)能源部的標(biāo)準(zhǔn)（6.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(shí)，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(cè)定了SWNT在NO2

和NH3通過(guò)時(shí)，碳納米管電導(dǎo)隨電壓的變化情況。Science，2000,287：622-625

電導(dǎo)NO23個(gè)數(shù)量級(jí)；電導(dǎo)NH32個(gè)數(shù)量級(jí)應(yīng)用：環(huán)境中NO2

和NH3的監(jiān)測(cè)。

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(gè)電觸點(diǎn)間隙的碳納米管。IBM的技術(shù)可以在每一個(gè)溝槽中放置一根碳納米管。/u/vw/27747616碳納米管觸摸屏第17頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料NatureMaterials6,183-191(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0.35nm，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。Graphenecanbe

0D:fullerenes(wrappedup)1D:nanotubes(rolledinto)3D:graphite(stackedinto)第18頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料微機(jī)械剝離法碳納米管橫向切割法微波法電弧放電法光照還原法石墨氧化還原法電化學(xué)還原法熱膨脹法液相/氣相剝離石墨法碳化硅裂解法外延生長(zhǎng)法化學(xué)氣相沉積法石墨烯的制備方法

大面積石墨烯薄膜的制備第19頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料SiO2SiHOPG透明膠帶高定向裂解石墨力學(xué)性能：斷裂強(qiáng)度可達(dá)130±10GPa，彈性模量達(dá)1±0.1TPa

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/(V·S)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(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子一個(gè)理想實(shí)物模型材料

載流子作有效質(zhì)量為零的運(yùn)動(dòng)，電子沒(méi)有質(zhì)量

室溫量子霍爾效應(yīng)載流子彈道運(yùn)輸比金剛石更大的硬度光學(xué)性能：對(duì)近紅外、可見(jiàn)光及紫外光均具有優(yōu)異的透過(guò)性，可吸收大約2.3%的可見(jiàn)光。第20頁(yè)/共29頁(yè)四、新型碳材料超級(jí)計(jì)算機(jī)芯片-目前世上電阻率最小的材料，電阻率僅為10-6Ω?cm在室溫下硅基處理器的運(yùn)行速度達(dá)到4-5GHz后就很難在繼續(xù)提高。替代硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)、光子傳感器、液晶顯示材料、新一代太陽(yáng)能電池石墨烯作為硅的替代品材料來(lái)制作晶體管器件是讓科學(xué)家們頗為期待的重要一項(xiàng)應(yīng)用，也是最受關(guān)注的領(lǐng)域之一。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(yùn)動(dòng)會(huì)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(dá)到1THz即1000GHz）。第21頁(yè)/共29頁(yè)石墨烯可制成能夠折疊的顯示器目前用于制作太陽(yáng)能電池窗口電極、顯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(shí)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。石墨烯不僅具有非常高的導(dǎo)電性，而且擁有更高的強(qiáng)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(lái)石墨烯將制成可折疊的顯示器四、新型碳材料第22頁(yè)/共29頁(yè)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、新型碳材料第23頁(yè)/共29頁(yè)氣體分子傳感器儲(chǔ)能材料藥物控制釋放離子篩作為電極材料復(fù)合材料四、新型碳材料