第一章 概述 《炭素材料》教学课件.ppt

《炭素材料》 冶金学院轻金属及工业电化学研究所 肖 劲 （教授、博导） 《炭素材料》课程简介 课程名称：炭素材料 课程编号英文名称：Carbon Material 学时与学分：48学时，3学分 课程简介： （1）炭素材料的概念和基本特性以及炭素材料的主要用途； （2）炭素材料制备的主要原料及其特性； （3）炭石墨材料的制备工艺、主体设备工作原理； （4）特种炭材料。 参考书：有关炭和石墨材料的性能及制备方面的书籍 《炭素材料》课程学习步骤和内容 1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念 1）炭素材料学定义： 研究炭素原料和炭素制品的组织结构、 性质、生产工艺和使用能效，以及它们之间 的关系的学科。 2）炭素材料学发展简史： 19世纪：伴随着炭素制品的大规模生产的需要而逐步形成。 20世纪：各种炭素新材料不断涌现，用途越来越广泛，品种越来越多，炭素制品的工业规模也相应扩大，逐渐形成一个独立的工业部门。 1.1 炭素材料学（Science of Carbon Material）相关概念 3）炭素材料定义： 就是以碳元素为主体构成的材料。 4）炭素材料的三大常用基础晶型态物质： 1.2 关于碳与炭 ——碳元素的特点 碳元素的最大特点之一：存在着众多同素异形体。如人们熟悉的金刚石和石墨，前些年发现的卡宾（碳宾、碳烯 ），以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等以及必威体育精装版发现的石墨烯(Graphene)。 ——碳元素构成材料的特点 几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。 独特的电子结构原因。碳元素是六号元素，其原子最外层有四个价电子，C原子除了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。 ——全吸光、绝热和超导炭素材料 1.2.2 炭的生成过程 自然界中的炭，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经热解反应的生成物。 （热解的概念泛指有机化合物在受热时所发生的分解或分解的重合而生成最终产物的过程 ） 炭素原料的来源非常广泛。（如：煤、石油、植物等） 煤含碳为60～90％， 木材含碳约50％， 石油含碳为80～90％， 天然石墨含碳近100％ 石油、煤一般认为是在亿万年以前被埋入地层下的动物和植物，在隔绝空气、受地球热和地层高压等条件下转化的结果。这类物质，仍然为碳氢化合物，但已经有所炭化。而无烟煤可以看作是近乎炭化后期的产物。同理，天然石墨可以认为已完全炭化，并且已经达到了石墨的程度。 1.2.2 炭的生成过程（续） 有机物（不管是气体、液体还是固体）只要在隔绝氧的条件下，在有热的作用下，就可以从烃类化合物中生成炭。 炭化将使碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它元素通过受热分解被排除逸出。表1-l列出了各种有机物炭化生成的炭。 1.2.3 炭的存在形式 物质世界是由一百多种元素，以不同形态和不同化合物、混合物或单质组成。 在自然界里，单质碳有三种常见的变体：金刚石、石墨及无定形炭。 三种碳的同素异构体结构和性质 1.2.3 炭的存在形式——金刚石 ——人造金刚石的制备 1.2.3 炭的存在形式——石墨 1.2.3 炭的存在形式——无定型炭（煤炭和焦炭） 煤炭是泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤等的统称。 煤炭是几百万年以前的古代植物在地壳变动时被埋在地下，受到一定的温度压力炭化而形成的。 各种煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，无烟煤炭化程度较高。 ——煤炭和焦炭的性质差别 焦炭具有一些和一般煤炭不同的理化性质，如强度大、耐磨、含炭量高，多数焦炭在2000℃以上高温处理后都能转化为石墨。 各种不同品种的煤炭(或焦炭)其理化性质相差很大，这种差别与各种煤炭(或焦炭)的初始原料的种类炭化过程或热处理温度及杂物含量有直接关系。炭化程度越低(或热处理温度越低)或杂质含量越高，则煤炭(或焦炭)的导电性、导热性、化学稳定性就差。测定煤炭(或焦炭)中元素炭的含量及挥发物的含量可以间接了解各种煤炭(或焦炭)的炭化程度(或热处理温度)。 煤炭和焦炭的主要成份是元素碳。实际上它们是由碳、氢、氧三种元素为主体，并以芳香烃缩合