碳材料概述课件.ppt
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1、碳的基础知识碳的基础知识1金刚石与石墨金刚石与石墨23新型碳材料新型碳材料4Contents其他传统炭素材料其他传统炭素材料v汉字“碳”由木炭的“炭”加石字旁构成,从“炭”字音。碳是人类接触到的最早的元素之一,也是人类利用得最早的元素之一。尧舜时代,炭黑作为涂料;商朝时,广泛用木炭来冶炼金属,在冶炼中木炭充当燃料、还原剂。v碳元素是一种平凡而神奇的元素,以多种形式广泛存在于大气和地壳中,在地壳中的含量为0.027%,能形成多种单质和千万种化合物。碳地球上一切生物有机体的骨架元素。v碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度,以12g碳12中含有的原子数为1 mol。碳14由于具有较长的半衰期,被广泛用
2、來测定古物的年代。一、碳的基础知识一、碳的基础知识 佛罗伦萨科学院大事记:1649年金刚石消失之谜年金刚石消失之谜1772年,拉瓦锡做了燃烧金刚石和木炭的实验 后,确定两种物质燃烧都产生CO2,因而金刚石和木炭具有相同的成分。 1776年(1787),拉瓦锡借鉴拉丁语的木炭“carbo”,将碳的英文名定为“Carbon”。并于1789年,碳作为元素被列入第一张元素表中。I I 栏栏:简单物质简单物质 光、热质、氧、氮、氢II II 栏栏:非金属简单物质非金属简单物质 硫、磷、碳、盐酸基、氟酸基、硼酸基IIIIII栏栏:金属简单物质金属简单物质 锑、银、砷、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金
3、、铂、铅、钨、锌IV IV 栏栏:土类简单物质土类简单物质 石灰、镁土、钡土、铝土、硅土一、碳的基础知识关于“碳材料”与“炭素材料”“炭”与“碳”二字有联系又有区别:碳碳:指碳元素、碳单质总体、含碳化合物及其众多的衍生物时用“碳”如碳水化合物、碳酸盐、碳氢化合物。炭炭:指由碳元素形成的单质,指的是具体物质。C/H比在10以上,主要由碳元素组成、多数为固体材料,如煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭电极、炭块、炭纤维等。“炭素材料”与“炭素制品”的区别与联系炭素材料是个总称,包括炭素原料和炭素制品,如炭素工业使用的石油焦、无烟煤、天然石墨属炭素原料;炭素原料经加工制成具有一定形状及物化性质的产品称炭素制
4、品(如炭质电极、石墨电极、炭纤维)。一、碳的基础知识碳材料:碳材料:结构多样性结构多样性功能多样性功能多样性传统碳材料(Classic carbons)木炭、竹炭(Charcoals)活性炭(Activated carbons)炭黑(Carbon blacks)焦炭(Coke)天然石墨(Natural graphite)天然金刚石(Natural diamond)新型碳材料(New carbons)金刚石功能材料(薄膜、纳米)石墨层间化合物炭纤维(Carbons fibers)多孔炭(Porous carbons)玻璃炭(Glass-like carbons)柔性石墨(Flexible gra
5、phite )核石墨(Nuclear graphite )Fullerene、CNTS、 Graphene碳材料的分类二、金刚石与石墨天然金刚石天然金刚石钻石钻石研磨研磨二、金刚石与石墨石墨可分为天然石墨和人造石墨,如等静压石墨、模压石墨、挤压石墨(作电极材料)。1)作耐火材料,如石墨坩埚、石墨模具;2)作导电材料:在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、石墨垫圈,电视机显像管的涂层等;3)用于原子能工业和国防工业:作为中子减速剂用于原子反应堆;4)作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料;5)石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂;6)作耐磨润滑材料,耐烧蚀材料。利用了石墨具有利用了石墨具有导电性、润滑性
6、导电性、润滑性和和熔点高熔点高二、金刚石与石墨u金刚石合成已有40多年的历史。其合成方法大致可分为两类:石墨转化法(静态超高压高温法+动态法)和气相合成法u1954 年人造金刚石在美国通用电气公司的诞生,揭开了人工合成金刚石发展的序幕,它是静态高压高温技术发展的重大成果。u化学气相沉积(CVD)金刚石膜的问世是人工合成金刚石技术发展的第二次大飞跃。20世纪50年代和60年代,美国、苏联等国先后在低压下实现了金刚石多晶膜的化学气相沉积。1987年“金刚石薄膜”的合成在世界上兴起,但合成方法归纳起来主要有CVD 和 PVD两类。二、金刚石与石墨钻头钻头p金刚石主要用于精密机械制造、电子工业、光学工
7、业、半导体工业及化学工业。如固定激光器件的散热片、红外激光器的窗口材料,各种钻头、磨料等。p天然金刚石稀少,只限于用作装饰品,工业应用以人工合成金刚石为主。p近年来,金刚石功能化薄膜、微晶金刚石、纳米金刚石拓宽了传统意义上的金刚石的应用领域。三、其他传统炭素材料炭黑炭黑p以石墨微晶为基础构成的,其共同点是:由石墨的微小晶体和少量杂质构成的混合物。不同的炭素材料中,微晶的尺寸和微晶的三维排列的有序程度有相当大的差别。p炭纤维、多孔碳材料,功能化金刚石薄膜、玻璃炭等。我国古代字画为什么能够保存在现在?-常常温温下,下,碳碳的化的化学学性性质质很很稳稳定,定,碳碳受日光照射或受日光照射或与与空空气气
8、、水分接水分接触触,都不容易起,都不容易起变变化。化。四、新型碳材料CNT:1991年日本筑波NEC实验室SumioIijim用HRTEM观察电弧放电后的石墨棒时发现。Graphene:2004年,物理学教授安德烈海姆(Andre Geim)和康斯坦丁 诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)博士用一种简单易行的胶带分离法从HOPG中成功制备出了石墨烯。完整的碳系家族完整的碳系家族Diamond:印度金刚石开采的可考历史大约是16381668 年;Graphite:1779年人们才知道石墨是碳元素的一种物质形式;Fullerene:1985年发现,第三种碳元素的晶体形态(20个六边形+1
9、2个五边形)2010获奖获奖四、新型碳材料C60的发现的发现v1985年,英国Sussex大学的H.W.Kroto和美国Rice大学的Smalley及Curl等人发表文章,宣布笼形分子C60的发现(一种由60个碳原子组成的稳定原子簇)。此后又发现了C50、C70、C240乃至C540等,它们都具有空心的球形结构,属于笼形碳原子簇分子。由于C60的结构类似建筑师Buckminster Fuller设计的圆顶建筑,因而称为富勒烯(Fullerence)。从化学和材料科学的角度来看,富勒烯具有重要的学术意义和应用前景。美美国国建筑建筑师师富勒的富勒的设计设计之一之一 C60是是20世纪的重大科学发现
10、之一,极大地拓展了人类对碳材料的认识!世纪的重大科学发现之一,极大地拓展了人类对碳材料的认识!四、新型碳材料C60的发现的发现 C60的主要合成法:石墨气化法(激光、电弧)、纯碳燃烧法应用前景:应用前景:超导材料:金属掺杂(K, Rb)的C60插层合物(18K,29K)最早令人关注的。(室温下富勒烯是分子晶体,C60的能隙为1.5eV(半导体)。但经过适当的金属掺杂后能变成超导体。 )磁性材料: Dy组装在C80的笼内;太阳能电池材料:PCBM, C60的有机衍生物,由于它的很好的溶解性,很高的电子迁移率等常用于有机太阳能电池的电子受体标准物 ; 催化剂材料:有机官能团改性,此外还有医学、光学
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