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异彩纷呈的碳材料

发布日期:2015-07-06

摘要:碳材料是一种古老而又年轻的材料,与人类生活息息相关。小到日常生活中的铅笔芯,大到航天航空设备中的结构材料,碳都在其中扮演中重要的角色。有人预言,21世纪是“超碳时代”。金刚石的人工合成、石墨层间化合物的深入研究到富勒烯、石墨烯的发现都取得了令人瞩目的成就,给人们展现了无限的遐想空间。

碳材料的发展简史

 

从远古时期,我们的祖先就开始用炭作为能源材料来取暖和烧制食物。到公元四十世纪前后,人类开始用炭来冶炼铜和铁,后来又用石墨和粘土混合制成石墨坩埚冶炼其它金属。随着人文和科技的发展,炭的应用越来越广泛。人们用木炭作为彩陶的黑色颜料和黑陶的配料创作艺术品,将木炭用作吸潮剂、配制火药等,并将骨炭用作解毒内服药。

工业的进步催发了材料的飞速发展,历经一个世纪,科研工作者们从粗糙的炭材料研发出各种性能优异的新型碳材料。1895年,美国的艾奇逊在研制碳化硅时发现了人造石墨,制成了电解和冶炼用的石墨电极,拉开了现代碳材料生产的序幕。 二十世纪初,伴随着电热工业的发展,碳材料工业也蓬勃发展起来。1942年,美国的费米将高纯石墨用作核反应堆中子减速材料。随后又研制出用于电火花加工和航空用的高密石墨、再结晶石墨和热解石墨。二十世纪六十年代开始,世界上不断涌现出许多特种碳材料,如玻璃炭、炭纤维、各种炭纤维复合材料、膨胀石墨、氟化石墨等。

另外,随着对碳材料研究的深入,一些碳素新相,如C60富勒烯、碳纳米管、石墨烯的发现不仅促进了材料科学的发展,也推进了纳米技术的发展。1996年的诺贝尔奖授予了三位发现零维碳材料—C60富勒烯的科学家,2010年的诺贝尔奖授予了二位发现碳的二维新结构—石墨烯的科学家。

“炭”和“碳”的区别

在碳材料的表述中,“炭”和“碳”的使用常容易混淆。

炭是指材料,古则有之,是以碳为主要成分的固体物质,化学成分不纯,常含其它杂质,如煤炭、炭黑、焦炭等。

碳是指元素,新造字,与碳原子和碳元素有关的词语用之,如碳化物、碳平面网络、碳酸盐等。

我们所指的碳材料既包含与碳素相关的同素异形体,也包含含碳的复合材料。从这个意义上讲,“碳材料”用“碳”比“炭”更为准确。

碳材料的分类


碳材料历史悠久、种类繁多。本文将碳材料其分为三大类:传统碳材料(Classic Carbon)、特种碳材料(Special Carbon)和纳米碳材料(Nano Carbon),其中纳米碳材料和特种碳材料统称为新型碳材料,如下图所示。

 


碳材质的性质

碳材料的发展之所以能够经久不衰,是由于其具有众多优良的性质,能够满足各行各业的需求。

1.和金属一样具有导电性、导热性;

2.和陶瓷一样耐热、耐腐蚀;
3.和有机高分子一样质量轻,分子结构多样;
4.其比模量、比强度高,震动衰减率小,并且生物相容性好,具滑动性和减速中子等性能。这些都是三大固体材料金属、陶瓷和高分子材料所不具备的。

碳原子在电子结构上可形成sp、sp2、sp3杂化,能键合众多原子和分子,在纳米及微米尺度上以不同方式和取向进行堆叠和聚集,形成粒子、孔状、纤维状、薄膜状及块体材料。各种类型碳材料具有的性质几乎囊括了地球上所有的性质,有的甚至是完全对立,如:

最硬(金刚石)→ 最软(石墨);

绝缘体(金刚石)→ 半导体(石墨)→ 良导体(热解石墨)

绝热体(石墨层间)→ 良导热体(金刚石、石墨层内)

全吸光(石墨) → 全透光(金刚石);

石墨烯有可能将碳元素的独特性发挥到极致!

碳材料的应用

1.机械:轴承、活塞环、密封元件、制动元件等;

2.电子:电池电极、电波屏蔽、电子元件、触摸屏、超级电容器等;

3.电器:滑环和电刷、集电体、触点等;

4.航空航天:结构材料(固体燃料火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇宙航行设备的零部件)、绝热、耐烧蚀材料等;

5.核能:反射材料、屏蔽材料、原子反应堆减速材料等;

6.冶金:电极、发热元件、坩锅、模具、隔热板、内衬等;

7.化工:化工设备、过滤器、反应槽、铸模材料等;

8.医学:假体(修复或替代被破坏的器官)、传感器等。

碳材料的发展趋势

在科研工作者看来,碳材料中蕴含着无限的开发潜能,对其研发热情从未消退过。目前,国际上对此类材料的研发集中在以下几个领域——碳素新相;碳素系功能材料;碳/碳复合材料;碳基复合材料。

1.碳素新相碳原子由于其独特的电子构型和较小的原子半径,成键与杂化方式灵活多样,因此具有多种结构和性能迥异的同素异形体。目前发现的包括以下几类:*石墨(Graphite,层内排列方式呈蜂巢式六边形,每层间有微弱的范德华引力)

*金刚石(Diamond,以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体)

*富勒烯(Fullerenes,C60,也被称为巴基球或足球烯)

*无定形碳(Amorphous,不是真的异形体,内部结构是石墨)

*碳纳米管(Carbon nanotubes,一维材料,由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管)

*蓝丝黛尔石(Lonsdaleite,与钻石有相同的键型,但原子以六边形排列,也被称为六角金刚石)

*赵石墨(Chaoite,石墨与陨石碰撞时产生,具有六边形图案的原子排列,比石墨稍硬,其反射颜色为灰色到白色)

*汞黝矿结构(Schwarzite,由于有七边形的出现,六边形层被扭曲到“负曲率”鞍形中的假想结构)

*纤维碳(Filamentous carbon,小片堆成长链而形成的纤维)

*碳气凝胶(Carbon aerogels,密度极小的多孔结构,类似于熟知的硅气凝胶)

*碳纳米泡沫(Carbon nanofoam,蛛网状,有分形结构,密度是碳气凝胶的百分之一,有铁磁性)

*石墨烯(Graphene,由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料)

所谓的碳素新相,是指碳元素还可能存在的其他新相形式,例如基于静态方程和量子力学计算等方法,在配位数Z为3和4的情况下可预测出几种新相:如石墨炔、碳苯、C2~C20碳分子等。

2.碳素系功能材料碳素系材料是指在周期表中由以碳元素为中心的元素,如硼、氮、硅等元素组成的材料, SiC、β-C3N4、BN等。碳素系材料在硬度、光学特性、电学特性、耐热性、耐腐蚀性、耐辐射特性,以及表面与界面特性等方面具有突出的优势,拥有广泛的应用前景。例如,金刚石、SiC 等薄膜作为电子器件材料,可以用于单晶硅或GaAs等半导体不能胜任领域。

3.碳/碳复合材料C/C复合材料是以炭纤维或其织物为增强相,以化学气相渗透的热解炭或液相浸渍-炭化的树脂炭、沥青炭为基体组成的一种纯炭多相结构。它源于1958年,美国Chance-Vought公司由于实验室事故,在炭纤维树脂基复合材料固化时超过温度,树脂炭化形成C/C复合材料。C/C复合材料是一种新型功能复合材料,具有高强度、高模量、高断裂韧性、高导热、和低密度等优异特性。在机械、电子、化工、冶金和核能等领域中得到广泛应用,并且在航天、航空和国防领域中的关键部件上大量应用。例如,C/C复合材料可以用作战略导弹烧蚀防热材料和核聚变反应堆面等离子体第一壁材料。

4.碳基复合材料。

(1) 碳包覆纳米金属颗粒碳包覆纳米金属颗粒是一种新型的碳/金属纳米复合材料,其中数层石墨片层紧密围绕纳米金属颗粒有序排列,形成类洋葱的结构,纳米金属粒子则处于洋葱的核心。通过这种包覆的核壳结构,一方面可避免环境对纳米金属材料的影响,防止金属本身性能的破坏;另一方面可以提高某些金属与生物体之间的相容性。此类复合材料已在磁记录材料、锂离子二次电池负极材料、电波屏蔽材料、氧化还原催化剂、核废料处理材料、精细陶瓷材料和抗菌材料等材料中广泛应用。

(2) 碳基复合材料碳基复合材料是指碳材料之间或碳材料与其它金属、金属氧化物、无机纳米粒子、高分子材料等复合形成的材料。此类材料一般兼具碳材料和其他材料的性质,并使其进一步优化。例如,石墨烯-碳纳米管复合形成的材料用于锂离子电池中能够显著提高其性能,不仅能提高电池的储存电容量,还能提高其循环性能。另外,石墨烯与贵金属铂纳米晶复合形成的材料应用到甲醇燃料电池中能显著提高其电催化性能。值得一提的是,石墨烯作为碳材料家族的新成员,为其发展带来的新的契机。石墨烯可谓是“材料之王”、“材料之最”。它是人类已知的强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性能最好的材料,可广泛应用于新能源、新一代信息技术、复合材料、生物医药和节能环保等多个领域,已然成为目前世界上最炙手可热的焦点。石墨烯的研究是我国位于世界前列的科技领域之一,与国际先进水平相比具有水平相当、发展快速、部分领先等特点。我国的相关研发机构和应用企业正面临难得的历史性机遇,需要踏踏实实将石墨烯从上游生产推向下游产业化应用,从而推进新型碳材料领域的发展。

文章来源:环球新碳





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