碳材料基础课件

,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,1,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,-,1,第一章,碳 材 料 基 础,0,-,碳的存在方式及生成,碳的结构,碳的性质,主要内容,碳材料基础,2024/9/11,1,-,2024/9/11,2,-,2024/9/11,3,3,-,2024/9/11,4,-,2024/9/11,5,-,2024/9/11,6,-,一、碳的存在及生成,碳元素在整个宇宙中的丰度列第,6,位。,碳元素地球上丰度第,14,位，,90,以,CaCO,3,存在。,地球上天然碳单质存在于金刚石、石墨、无烟煤中，碳质优的少，多数的碳制品为人工合成。,碳纤维、石墨、金刚石、富勒烯、纳米碳管、焦炭、炭黑、活性碳等。,新型碳材料,2024/9/11,7,-,一、碳的存在,1,、煤炭,形成：,煤炭是远古植物残骸没入水中经过生物化学作用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成的有机生物岩。,按照含碳量的高低，可分为泥煤、褐煤及无烟煤。,分布：,全世界标准煤可开采量,5,万亿吨,，,七位储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰,中国煤炭资源分布面广，除上海市外，全国各个省、市、自治区都有不同数量的煤炭资源。山西、陕西、河南、东北，四川也有煤炭资源。,2024/9/11,8,-,一、碳的存在,1,、煤炭,应用：,直接做燃料,火力发电,干馏,焦化厂,气化,液化,2024/9/11,9,-,一、碳的存在,1,、煤炭,应用：,直接做燃料,火力发电,2024/9/11,10,-,一、碳的存在,1,、煤炭,应用：,干馏,是煤化工的重要过程之一，指煤在,隔绝空气,条件下加热、分解，生成,焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气,等产物的过程。按加热终温的不同,可分为三种：,900,1100,为高温干馏，即焦化；,700,900,为中温干馏；,500,600,为低温干馏。,2024/9/11,11,-,一、碳的存在,1,、煤炭,应用：,干馏,2024/9/11,12,-,一、碳的存在,1,、煤炭,应用：,气化,煤的气化过程是一个,热化学过程,，它是指在煤气发生炉内，以煤或焦炭为原料，以氧气,(,空气、富氧获纯氧,),、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应,将煤或焦炭中的可燃部分转化为气体燃料的过程,。气化时所得的可燃气体称为气化煤气，其有效成分主要包括,一氧化碳、氢气及甲烷,等。,2024/9/11,13,-,一、碳的存在,1,、煤炭,应用：,液化,煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。把煤与适当的溶剂混合后，在高温、高压下（有时还使用催化剂），,使煤与氢气作用生成液体燃料。,这是把煤直接液化的一种方法。煤还可以进行间接液化。就是先把煤气化成一氧化碳和氢气，然后再经过催化合成，得到液体燃料。例如，,煤气化后得到的一氧化碳和氢气,，可以用来合成甲醇。甲醇可以直接用作液体燃料。将甲醇掺到汽油中可以代替一部分汽油，作为内燃机的燃料。甲醇还可以进一步加工成高级汽油。,2024/9/11,14,-,一、碳的存在,1,、煤炭,应用：,液化,2004,年,9,月,13,日，在内蒙伊金霍洛旗建设的神华煤直接液化项目,2024/9/11,15,-,一、碳的存在,2,、焦炭,生产,电石,产生的矿渣（最初定义）,含碳物质高温裂解后产生的矿渣（广义的定义）,硬 炭,（原料为含异质元素的纤维素）,软 炭,（原料为有机芳香化合物或亚稳态沥青）,按原料分,2024/9/11,16,-,一、碳的存在,2,、焦炭,焦炭通常按用途分为,冶金焦,（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、,气化焦,和,电石用焦,等。,按用途分,2024/9/11,17,-,一、碳的存在,2,、焦炭,冶金,气化,电石,人造石墨,用途,2024/9/11,18,-,一、碳的存在,2,、焦炭,冶金,用途,2024/9/11,19,-,一、碳的存在,2,、焦炭,人造石墨,用途,2024/9/11,20,-,21,-,2024/9/11,22,-,23,-,24,-,25,-,一、碳的存在,3,、炭黑,据记载,中国是世界上最早生产炭黑的国家之一。在古时候,人们焚烧动植物油、松树枝,收集火烟凝成的黑灰,用来调制墨和黑色颜料。这种被称之为“炱”的黑灰就是最早的炭黑。,1821,年人们在北美地区首次用天然气为原料生产炭黑,从此炭黑不再是“炱”那么简单,它是“,气态或液态的碳氢化合物在空气不足的条件下进行不完全燃烧或热裂分解所生成的无定形碳,为疏松、质轻而极细的黑色粉末,”。,2024/9/11,26,-,一、碳的存在,3,、炭黑,最好的黑色颜料、几乎是最廉价的颜料、,着色力及遮盖力最强的颜料、视觉感官上呈中性、,最稳定的颜料、耐热、耐化学腐蚀、耐光。,炭黑是仅次于钛白粉的重要颜料，全世界年消耗橡胶碳黑约六百万吨，着色和其他用途等特殊碳黑约为二十五万吨。,2024/9/11,27,-,一、碳的存在,4,、玻璃碳,玻璃碳是在惰性气氛中，将树脂、纤维素、纤维胶加热到,1200,以上碳化形成的一种新型碳，因其外形像玻璃一样光亮，故称玻璃碳,(glassy carbon),，简称玻碳。玻璃碳具有气密性和导电性好、热胀系数小、质地坚硬和易于抛光成镜面、化学惰性、具有较高的氢超电位等特点，因此适用于做电化学和电分析用的工作电极材料。玻璃碳一般内部存大量的封闭孔隙。,2500,3000,度，可消失。,无法机械加工，其形状须在加热固化前确定。,2024/9/11,28,-,5,、碳纤维,5,、碳纤维,29,-,一、碳的存在,5,、碳纤维,碳纤维是一种,纤维状碳材料,。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。,气相生长碳纤维、有机纤维法合成碳纤维,2024/9/11,30,-,31,-,一、碳的存在,6,、活性碳,活性炭是一种含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达，比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料，是一种常用的吸附剂、催化剂或催化剂载体。活性炭按原料来源可分为：木质活性炭、果壳活性炭、兽骨,/,血活性炭、矿物原料活性炭、合成树脂活性炭、橡胶,/,塑料活性炭、再生活性炭等；活性炭按外观形态可分为：粉状、颗粒状、不规则颗粒状、圆柱形、球形和纤维状等。活性炭的应用极其广泛，其用途几乎涉及所有的国民经济部门和人们日常生活，如水质净化、黄金提取、糖液脱色、药品针剂提炼、血液净化、空气净化、人体安全防护等。,下一页,2024/9/11,32,-,一、碳的存在,2024/9/11,33,-,2024/9/11,34,-,一、碳的存在,7,、金刚石和类金刚石,金刚石用途：,1,：当人服食下金刚石粉末后，金刚石粉末会粘在胃壁上，在长期的摩擦中，会让人得胃溃疡，不及时治疗会死于胃出血，是种难以让人提防的慢性毒剂。,2,：磨具,3:,割具,4,：饰品,2024/9/11,35,-,一、碳的存在,7,、金刚石和类金刚石,金刚石性质及鉴别：,1,、钻石的单折光性 钻石的单折光性，是由于钻石的本质特性决定的。而其它天然宝石或人造宝石大都是双折光性的。冒充的钻石在,10,倍放大镜观察下，从正面稍斜的角度看，很容易看出棱角线出现重叠影像，并同时呈现出两个底光。,2,、钻石的吸附性 钻石对油脂及污垢有一定的亲和力，即油污很容易被钻石吸附。因此，用手指抚摸钻石会感到胶粘性，手指似乎有粘糊的感觉。这是任何宝石所没有的。这种方法需要加以训练方能掌握其中微妙的区别。,2024/9/11,36,-,一、碳的存在,7,、金刚石和类金刚石,金刚石性质及鉴别：,3,、一线直落的特征,钻石表面抛光很光滑。用一支钢笔蘸上墨水在钻石上划过，若是真钻石，表面留下的是一条光滑连续的线条，特征是一线直落。仿冒品留下的是一个个小圆点组成的线条。用此法观察应借助放大镜。,4,、特有的金刚光泽 大致在,100,度的白炽灯光下，切磨很好的钻石与仿冒品相互比较，很容易看出哪个具有金刚光泽。此方法不宜在过暗或过强的灯光下是进行。,2024/9/11,37,-,类金刚石：,类金刚石,(diamondlikecarbon,，简称为,DIC),薄膜是一种含有一定量金刚石键,(sp3),的非晶碳的亚稳类型的薄膜，它是一类性质近似于金刚石，具有高硬度,.,高电阻率,.,良好光学性能等，同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。,制备：物理气相沉积、,化学气相沉积,以及,液相法,都是制备,DLC,薄膜的新方法和新技术。,2024/9/11,38,-,2024/9/11,39,-,40,-,一、碳的存在,8,、富勒烯和纳米碳管,富勒烯（,Fullerene),是一种,碳,的,同素异形体,。任何由碳一种元素组成，以球状，,椭圆,状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。富勒烯与,石墨,结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。,2024/9/11,41,-,二、碳的结构,2,、石墨,1,、金刚石,3,、富勒烯和纳米碳管,4,、其他结构,2024/9/11,42,-,2, 碳的结构,碳位于化学元素周期表的第,6,位，电子轨道结构为,1s,2,2s,2,2p,2,。,外层电子,2s,2,2p,2,在不同条件下，会产生不同形式的杂化。,最常见的杂化形式是,SP,1,，,SP,2,，,SP,3,。,43,-,2024/9/11,44,-,2024/9/11,45,-,2024/9/11,46,-,根据原子的轨道杂化理论，有了三种同素异构体：,金刚石，石墨与卡宾碳,，它们的结构见下图。,2, 碳的结构,47,-,其它杂化方式还有：富勒烯和纳米碳管中碳的杂化方式为,sp,2+s,，,s,的值大于,0,小于,1,。,2, 碳的结构,48,-,碳的结构,规则,不规则,晶体结构,乱层结构,金刚石结构,石墨结构,炔炭结构,富勒烯结构,易石墨化,难石墨化,2, 碳的结构,49,-,2, 碳的结构：金刚石,2024/9/11,50,-,例：,金刚石,晶胞为面心立方,晶格参数如下：,N,8,a=0.357,nm,理论密度,3.5362g/cm,3,键长,0.1554nm,键角为,10928,2, 碳的结构：金刚石,51,-,2024/9/11,52,-,根据其结构，可推断出其具有以下性质：,密度最大，理论密度为,3.541g/cm,3,；,硬度最高，莫氏硬度为,10,；,熔点高；,折射率高；,电绝缘体；,结构决定性质,2, 碳的结构：金刚石,53,-,2024/9/11,54,-,2, 碳的结构：石墨,2024/9/11,55,-,例：,石墨,键长,0.142nm,2, 碳的结构：石墨,56,-,晶体通常可以分为七个不同的晶系，即等轴（立方）晶系、六角（六方）晶系、四方（正方）晶系、三角（三方、菱方）晶系、斜方（正交）晶系、,单斜晶系,、,三斜晶系,。,2024/9/11,57,-,2024/9/11,58,-,2024/9/11,59,-,2024/9/11,60,-,2, 碳的结构：石墨,2024/9/11,61,-,2024/9/11,62,-,导不导电取决于有没有能够在整个分子中自由运动的电子。,石墨的晶体结构是层状的，包含很多层石墨分子片层。在每个片层中，碳原子呈,SP2,轨道杂化，与周围的三个碳原子形成三个互成,120,角的,键（电子云沿纵向轴相互重叠），这样的化学键中的电子是“束缚”的，只能在两个原子核周围活动。,但是碳原子拥有一个S孤电子和3个P孤电子，形成SP2杂化之后，还有一个P轨道没有参与杂化，P轨道是一个接近于哑铃型的电子轨道，它垂直于之前SP2杂化轨道构成的平面，而这个P轨道就可以和周围的碳原子的P轨道形成肩并肩形成键。,为什么金刚石不导电而石墨导电？,2024/9/11,63,-,2024/9/11,64,-,一般而言，,键的电子也是束缚的，但是由于所有的碳原子都和周围的碳原子形成了,键，这些,键彼此接近，就会出现一个,共轭效应,，也就是说电子可以不被拘束在一个,键里面，而是可以在整个互相共轭的,电子云系统当中活动（电子的离域），化学上把这种类型的,键叫做大,键（键），而整个石墨分子平面就构成了一个非常庞大的大,键系统，其中的电子可以自由穿梭，在电场作用下，电子可以在其中长距离定向移动，宏观上就表现为电阻很小。,2024/9/11,65,-,可以看出每个碳原子的电子轨道呈现出,SP3,杂化，也就是说碳原子的所有外层孤电子都参与形成了,键，没有多余的孤电子来形成,键，就更遑论大,键了，所有的电子都被束缚着，没有自由电子，电阻自然就很大了。,键长,0.1554nm,键角为,10928,2024/9/11,66,-,根据其结构，可推断出其具有以下性质：,各向异性；,层面间相对易滑动，可生成层间化合物；,不熔融性及化学稳定性；,导电性,结构决定性质,2, 碳的结构：石墨,67,-,例：富勒烯和纳米碳管,2, 碳的结构：石墨,68,-,笼状,32,面体，五边形环为单键，键长约为,0.145nm,，两个六边形 环的公共边则为双键，键长为,0.138nm,，共有,30,个双键；每个五边形与,6,个六边形共边，而六边形则将,5,个五边形彼此隔开。,2024/9/11,69,-,每个,C,原子参加形成,2,个六元环和,1,个五元环，,3,个西格玛键键角之和为,348,度，平均,CCC,角度为,116,度。,C,原子的杂化轨道介于,SP2,石墨和,SP3,金刚石之间，为,SP2.28,杂化，每个轨道中,S,成分为,30.5%,，,P,成分为,69.5%,。垂直于球面的派轨道,S,成分,8.5%,，,P,成分,91.5%,。,2024/9/11,70,-,2024/9/11,71,-,线型碳是元素碳的一种新的同素异形体，以,sp,杂化成键为特征，呈线型结构。研究表明，线型碳在高温低密度的液体碳中存在。,1968,年，在前西德的,Ries,火山口的石墨片麻岩中发现微量的线型碳。后来，又在陨石和宇宙粉尘中发现这种线型碳分子。前苏联学者将之命名为,Carbyne,。最初国内介绍这种物质时译名为,卡宾,。,2024/9/11,72,-,2024/9/11,73,-,线型碳有两种异构体：,-,型，为三键和单键交替的共轭三键型,(-CC-)n,；,型，为累积双键型,(=C=C=)n,。后者不稳定，加热时转化为,-,型。单晶线型碳薄膜的电子衍射研究表明其结构为六方晶格。由于未合成出足量的结晶线型碳供结构测定，其机构尚无详细的资料。这是学术界对线型碳尚有争议的原因之一。,2024/9/11,74,-,1, 碳的结构,例：乱层结构,六角平面不完整，近似平行堆砌,层间距大于石墨，,无宏观晶体，存在微晶,表征方法：,XRD,75,-,2, 碳的结构,乱层结构,可石墨化,难石墨化,比较整齐排列，,微晶交叉结晶少，,层间空隙少，,层间距在,0.344nm,左右,堆砌不规则，,微晶交叉结晶多，,层间空隙多，,层间距在,0.37nm,左右，,3000,也不易转化,无定型炭,76,-,乱层结构的判定：,石墨化度,G,理想石墨晶体的,G,100%,，,完全不可石墨化的,G,0,任何一种炭素材料,G,(0.344-d,002,)/(0.344-0.3354)*100%,2, 碳的结构,77,-,石墨的晶体结构可由X-射线衍射法加以测定，可测定出d002（相邻层面间距），C0（两个位置相对应的层面间距），Lc(在c轴方向上晶粒的平均厚度)。根据测定可计算出石墨化度，用其来表示碳材料经热处理后晶体结构接近理想石墨晶格的程度。,此公式称为富兰克林公式，式中,3.44,为完全末石墨化的炭的晶格中层面的间距,2024/9/11,78,-,贝多芬头发变成一颗璀璨的蓝钻单质碳的“七十二变”,图,1,贝多芬画像,图,2,贝多芬头发所制蓝钻,79,-,1, 碳的结构,图,.,有机物转化成碳及各种同素异性（形）体的单质碳转化的示意图。,80,-,碳的物理性质 密度、气孔结构、气孔率,碳的化学性质 耐腐蚀、抗氧化,碳的机械性质 软、硬、塑性加工,碳的热学性质 热容、热膨胀系数、热导率,碳的电子性质 导体、绝缘体,碳的磁学性质 抗磁性、顺磁性,碳的光学性质 透明、不透明、半透明,碳的表面性质 润湿性、耐摩性,碳的核物理性质 中子减速,碳的生物相容性,3.,碳的性质,81,-,碳的物理性质,密度,分为：,真密度,-,不包括气孔和裂隙在内的单位容积实体碳的质量,.,体积密度,-,包括气孔和裂隙在内的单位容积碳的质量,.,堆积密度,-,一定粒级的颗粒料的单位体积堆体积的质量,3.,碳的性质,82,-,碳的物理性质,气孔结构,分为：,开气孔、闭气孔、贯通气孔；,微孔、过渡孔、大孔。,炭素材料的气孔结构应以多种参数综合描述，如气孔率、孔径及其分布、比表面积、形状因子等。,气孔率,-,试样中气孔体积占试样总体积的百分率,.,Pt=(V1+V2+V3)/V*100%,Pt=(D,t,-D,v,)/D,t,*100%,3.,碳的性质,83,-,碳的化学性质,炭素材料化学性质稳定，因此耐腐蚀。但在高温下与氧化性气体反应，或在强氧化性介质中发生氧化作用，在高温下熔解于金属并生成碳化物。,表征方法：,TG,、,XRD,、元素分析等,3.,碳的性质,84,-,3.,碳的性质,碳的机械性质,抗压强度,-,单向受压力作用破坏时，单位面积上所承受的荷载。,抗折强度,-,单位面积承受弯矩时的极限折断应力。,抗拉强度,-,拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。,弹性模量,-,材料所受应力与应变之间的关系。,蠕 变,-,在一定温度和较小的恒定外力下，材料形变随时间而逐渐增大的现象。,摩 擦 性,既耐磨又自润滑,85,-,3.,碳的性质,碳的机械性质,抗折强度,-,单位面积承受弯矩时的极限折断应力。,式中,Re,为试样抗折强度，,MPa,；,F,为试样折断时最大载荷，,N,；,L,为下刀口之间距离，,mm,；,b,为试样断面宽度，,mm,；,h,为试样断面高度，,mm,。,86,-,碳的机械性质,弹性模量,-,材料所受应力与应变之间的关系。,3.,碳的性质,87,-,2024/9/11,88,-,2024/9/11,89,-,碳的热学性质,比热容,不随炭材料的石墨化度和种类而变化,蒸气压,蒸气压低，可在高温真空条件下使用,热导率,石墨热导率呈各向异性，炭材料热导率与石墨化度成正比 ，与温度成反比。,热膨胀系数,固体材料的长度随温度升高而增大的现象称为线热膨胀。与石墨化度成反比。具有各向异性。,抗热震性,能经受温度的剧变而不受破坏的性能。,3.,碳的性质,90,-,碳的电磁性质,导电性,石墨在层面上导电性良好，在层间导电能力差。石墨化程度高的炭材料导电能力具有明显各向异性。,磁学性质,抗磁性，磁化率呈明显各向异性,3.,碳的性质,91,-,碳的光学性质,金刚石具有高的折射率的低的吸收系数。,拉曼光谱是分析碳结构最有效的手段。,3.,碳的性质,92,-,Thanks!,93,-,