1、1、炭材料的多样性？(广义和狭义定义)广义上看：金刚石、石墨、咔宾都属于炭材料，这是一个广义的定义，但由于金刚石和咔宾在自然界存在非常少，结构也单一，不像石墨那样具有众多的过渡态中间结构（如焦炭、CF、煤炭、炭黑、木炭等） 。狭义上看：炭材料一般是指类石墨材料，即以 SP 杂化轨道为主构成的炭材料，从无定形炭到石墨晶体的所有中间结构物质（过渡态碳） ，它是由有机化合物炭化制得的人造炭。补充：新型炭材料： 根据使用的目的，通过原料和工艺的改变，控制所得材料的功能，开发出新用途的炭及其复合材料。大谷杉郎认为：新型炭材料可大致分为三类。一是强度在 100MPa 以上，模量在 10GPa 以上使用时不
2、必后加工的方法制得的新型炭成型物；二是以炭为主要构成要素，与树脂、陶瓷、金属等组成的各种复合材料；三是基本上利用炭结构的特征，由炭或炭化物形成的各种功能材料。2、炭材料的基本性质？和金属一样具有导电性、导热性； 和陶瓷一样耐热、耐腐蚀； 和有机高分子一样质量轻，分子结构多样； 另外，还具有比模量、比强度高，震动衰 减率小，以及生体适应性好，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。因 此，炭及其复合材料被认为是人类必须的 第四类原材料。3、炭材料科学的主要研究内容？研究自然界中（广义）一切增炭化（富碳）物质的形成过程机理，特别是着重于它（包括原料经历部分
3、炭化的中间产物）多层次的微观结构的形成，以及此结构在外界条件 （如温度、压力）影响下的转变。此外，炭科学还研究炭集合体的各种物理与化学性质。 核心内容：自有机物前驱体出发，通过热处理使有机物转化成具有可被控制的微晶排列的炭固体，这一知识乃是炭材料科学的最核心部分。有机原料中间状态 终炭材料 ：1、形成过程（机理） 2、各过程中物质的结构与性质（化学、物理）3、外界条件与材料结构性能的关系；第一部分 碳的结构与性能1、 碳的结晶形式有哪些，阐述其结构与性能的关系？结晶形式：金刚石、石墨、咔宾、 富勒烯金刚石：SP3 杂化轨道，四个等同 共价键，具饱和性和方向性面心立方晶体特征：1）硬而脆；2）碳
4、中密度最大（3.52g/cm3） ；3) 1800以上转换为石墨；4）电绝缘体和热良导体；5）具四个等同轨道，如果与氢、碳结合就形成典型的脂肪族化合物。石墨：SP2 杂化轨道，2S2Px2Py 三个在同一平面内互为 120角的三个等价的 键，剩余的 2Pz 轨道与 键所在的平面垂直形成 键； 电子属非定域电子，在受到外电磁场作用时可在六元环网上自由运动，形成金属键； 键较弱，易发生断裂；特性：1）不熔融和极高的化学稳定性，a 面内抗拉强度极高；2）导电导热性好；黑色；3）解离性和自润滑性，易形成层间化合物；4）各向异性。咔宾：SP 杂化轨道，2 个 键，2 个 键；两种类型： 累积烯烃 =C=
5、C=C= 聚炔 -C=C-C=C-；线状，单元链长 10-12C 原子，六方晶体；树脂状组织，白色，白碳特性：具有半导体及超导体性质；生物相容性好；由 聚炔出发易于转化为金刚石。富勒烯：当 SP2 杂化轨道形成的六圆环在一起形成某些五圆环时，它就不再呈平面状而是呈现球状笼形结构；C60：20 个六元环、12 个五元环，当六元环增加时，则可形成更大的球形分子；最大到 C960。特性：C60 为球形分子，可以在有机溶剂中溶解；相等的化学环境，芳香性； C60 直径 7.1A，分子晶体，有机与无机的交叉点。2、 碳的相图及其相互转化？金刚石和石墨的形成及转化条件：C(diamand) C(graph
6、ite) H=-2.1KJ/mol 石墨低压稳定相、金刚石高压稳定相3、概念：炭化，石墨化，可石墨化炭，不可石墨化炭，石墨化性炭，非石墨化性炭1）Carbonization (炭化) is a process of formation of material with increasing carbon content from organic material, usually by pyrolysis, ending with an almost pure carbon residue at temp. up to 1600K. 2) Graphitization （石墨化） A：石墨催化
7、转化为金刚石的区域B：石墨自发快速转化为金刚石的区域C：金刚石自发快速转化为石墨的区域D：石墨自发缓慢转化为金刚石的区域T1: 4100K P1: 12GPaT2: 402050KP2: 12.25 1.47MPaIs a solid state transformation of thermodynamically unstable non-graphitic carbon into graphite by thermal activation. The degree of graphitization depends upon the temp. of the heat treatment
8、 and the time allowed to anneal structure.3) Non-graphitizable Carbon（不可石墨化炭） are those which cannot be transformed into graphitic carbon solely by heat treatment up to 3300K under atmospheric or lower pressure. 4) Graphitizable Carbon (可石墨化炭) are those which can be transformed into graphitic carbon
9、 by heat treatment up to 3300K under atmospheric or lower pressure. 5) Non-graphitic Carbon（非石墨质炭） are all varieties of substance consisting mainly of the element carbon with two dimensional long range order of the carbon atoms in plannar hexagonal networks, but without any measurable crystallograph
10、itic order in the third direction (c-direction) apart from more or less parallel stacking.Many non-graphitic carbon can be converted into graphitic carbons by heat treatment to about 2500K. Such conversion is called graphitization. 6) Graphitic Carbon（石墨质炭） are all varieties of substance consisting
11、of the element carbon in the allotropic form of graphite irrespective of the presence of structural defects.4、 石墨化度的表征？石墨化程度的表征/石墨化度：XRD: d 002 La LcMaire and Meringd002=3.354g+3.440(1-g) g=0-1 g=(3.440- d002)/(3.440-3.354)L(hkl)=k/cos5、 炭材料具有优良抗热震性能的原因？材料在高温下使用并且经受温度剧变而不破坏的 性能，又称耐急冷急热性和热稳定性。 （1 ）温度
12、急变导致材料破坏的原因 ： 热传导的滞后性，表面和内部产生温度梯度 （2 ）炭材料具有优良抗热震性能的原因A、热导率 值大和线膨胀系数 l 值小； B、模量 E 值小，缓解热应力的效果好； C、提高材料的抗拉或抗切强度有利于改善抗热震性。6、 炭材料热膨胀的特点？A、 比金属材料小得多；B、易石墨化炭材料的线膨胀系数随石墨化度提高而减小，难石墨化炭材料则相反度提高而减小，难石墨化炭材料则相反；C、炭材料的线膨胀系数具有各向异性 a 方向：7.10ev)限制性：电离势则适用于化学键的异裂即离子化反应的情况。自由价（Fr）：是对碳原子的剩余的未使用的键合能力的一个量度。Fr=Nmax-Nr（ Nm
13、ax 是与原子 r 的化学性质和杂化状态有关的常数，Nr 是将原子 r 与分子中其余原子相联的所有化学键的键序之和。Fr(max):自由价最大值，Fr(max)0.53 活性质点 Fr(max)50nm 的孔。按照孔的形状，又可分为： o. Open pore； c. Closed pore； t. Transport pore； b. Blind pore5、 吸附的不同类型？物理吸附：吸附分子通过很弱的范德华力与表面结合，在吸附分子与表面之间无电荷转移。化学吸附：吸附分子与表面足够远时，二者能级互不干扰。I ，电子可从表面转移到吸附分子；I A，不会发生电子转移。两者之间形成化学键！6、炭
14、材料抗氧化处理的方法？各有哪些优缺点？1）Active site poisoning :a )Halogen and halogen compounds ; b)Phosphorus compounds;c) Boron compounds.2) Matrix inhibition in C/C composites: 炭化之前在基体中加入 Si、B 或其化合物微粒子，炭化后时形成流动的玻璃相，利于填孔和缺陷，提高抗氧化能力。3）Barrier coatings Barrier coatings：基于高温氧化反应在表面进行的特点，在炭材料表面涂覆各种抗氧化涂层的方法。对涂层材料的要求：(1)
15、熔点高；(2) 与炭基体的热膨胀系数接近且化学相容性好；(3) 良好的化学稳定性，不易挥发；(4) 对氧的扩散系数低。第四部分和第五部分 GIC 和炭科学最新进展1、 什么是石墨层间化合物，其显著特点有哪些？Graphite Intercalation Compounds, GIC 是一种分子水平的复合材料，是用人工合成的方法使异类原子、分子或离子进入石墨层间而生成的新材料。形态发生改变的同时，性能也增加了许多。GIC 的结构特点：1、可以合成范围非常广的阶结构不同的 GIC，其多样性不但与插入物种类有关，而且与合成条件与原料石墨品质有关。 2、阶结构不同，物理性能差别较大； 3、阶结构：畴结
16、构（Domain structure） 、超晶格结构(Superlattice) 石墨碳原子在层面形成了由六圆环组成的六 角碳网层面，客体插入后选择一定位置滞留，形成更大范围的规则排列。2、了解现代炭科学的最新进展，对金刚石薄膜、富勒烯、碳纳米管、碳纳米葱及炭包覆金属晶体的制备、结构、性质及应用有初步了解。（1）金刚石薄膜制备：1）高温高压：1500K,4x103MPa2）CVD 和 PVD 法：基本原理：将碳氢化合物和大量氢气混合，在一定条件下激活分解，如果分解过程中产生的氢原子浸蚀石墨的速度大于浸蚀金刚石的速度，则可在基板材料表面逐步析出，形成多晶金刚石薄膜。基于气体激活分解的方式，有以下
17、两种基本制备方法：1）高温热激活法（热激活 CVD）包括热丝法、激光加热法、电弧放电法等。2）电或电磁激活气体放电的方法（等离子激活 CVD）微波、射频放电、DC 辉光放电等引发等离子体 CVD。PVD 法：物理气相沉积法，如阴极溅射法、离子束溅射法、离子蒸气镀等。结构：（111）晶面围成的八面体性能：1）硬度和弹性模量高，耐磨性好，摩擦系数小；2）热导率高，热膨胀系数低；3）优良的透光和传声性能；4）电绝缘体，但又可制成搀杂性半导体；5)化学稳定性好。应用：1）工具（刀具，钻头，磨具等） ；2）散热片；3）透镜，透光膜，保护膜，防反射膜；4）磁盘，磁头，轴承，传感器等；5）音响设备；6）保护
18、膜（2）富勒烯制备：1） 石墨蒸发法：激光法、电弧法、太阳能聚焦加热法、电阻加热法；2）苯燃烧法3）有机合成法结构：富勒烯分子构造原则：a.球面由五元环和六元环构成；b.闭壳层电子结构原则；c.芳香性原则；d.表面张力对称分布原则；e.五元环尽可能不相邻原则；f.欧拉网闭合条件原则，即最少含有 12 个五元环，六元环数目不受限制。C60 晶体结构可以是六方密堆积也可以是立方密堆积，但立方更稳定。性能：1）一般性质： C60 为淡黄色固体，薄膜加厚时转成棕色，在有机溶剂中呈洋红。C70 为红棕色固体，厚膜时为灰黑色，溶剂中为红葡萄酒色。C60 密度1.65g/cm3，能在不裂解情况下升华。2）超
19、导性：经过适当的金属搀杂后的 C60 表现出良好的导电性和超导性；3）光学性质：4）化学性质：C60 和金属的反应（金属包含于 C60 笼内部（LaC60,已发现一系列不同碳数的富勒烯可形成金属内包合物，如 k,Na,Cs,La,Ca,Ba,Sr,U,Y,Ce等） ；另一种为位于 C60 球外表（V, Fe, Co, Ni, Cu,Rh,La 等） ） ；和自由基的反应；亲核加成反应；亲电加成反应；配位化学；氧化还原反应5）热稳定性应用：高温有机超导体和半导体 ；有机铁磁体；润滑剂；医学应用(药物设计)；催化剂；（3）碳纳米管制备：A、电弧放电法 B、催化热解法（CVD）C、激光蒸发法 D、微
20、孔模板法结构：针状物是直径为 430 纳米，长约 1 微米，由 2 个到 50 个同心管构成，相邻同心管之间平均距离为 0.34 纳米性能：1)直径与长度 D: 几个几十 nm L: 几个几十 m2) 力学性能:拉伸模量，1000GPa 左右；高度柔韧性；抗拉强度：理论分析，SWNT 的拉伸强度在 13-52GPa,平均 30GPa 左右；MWNT 由于较多的缺陷及拉伸过程中可能产生滑移，拉伸强度数据离散度大，不同样品差别也非常大。3）电学性能：碳纳米管导电性十分有趣，它可具有很好的金属导电性（椅型碳管） ，也可具有半导体性。因此，它既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中，也可以被制成新一代
21、的量子器件，将来可能代替硅芯片，引起计算机技术的革命。4）场发射性能：碳纳米管的顶端很锐，非常有利于电子的发射。它可用做电子发射源，用于冷发射电子枪和平板显示器等方面，推进壁挂电视的发展。应用： 1）纳米技术纳米制造技术 扫描探针显微镜的探针、纳米类材料的模板、纳米泵、纳米管道、纳米钳、纳米齿轮和纳米机械的部件等 电子材料和器件 纳米晶体管、纳米导线、分子开关、存储器、微电池电极等 生物技术 注射器、生物传感器等 医药 胶囊等2）宏观材料 化学 纳米化学、纳米反应器、化学传感器等 复合材料 增强树脂、金属、陶瓷和炭的复合材料、导电复合材料、电磁屏蔽和吸波材料等 电极材料 锂离子电池、双电层电容
22、器材料等 电子源 场发射电子源、平板显示器、高压荧光灯等 能源 气态或电化学储氢材料 化学 催化剂及其载体，有机化学原料等 （4）碳纳米葱及炭包覆金属晶体制备：电弧放电法；化学气相沉积法；热解法；液相浸渍法；含金属的炭干基凝胶爆炸法结构：CEMNP 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，形成类洋葱结构，纳米金属粒子则处于洋葱的核心。性能与应用：防环境降解（碳包覆的纳米金属颗粒可免于空气氧化，可以像常规金属块体一样使用） ；碳包覆的磁性纳米材料（碳层将磁性颗粒彼此隔离开来以避免贴近的磁单元间由于相互作用而产生一系列问题，并使磁颗粒具有抗氧化能力；在磁性数
23、据存储、静电复印术和磁性共振影象传输等领域都有着重要的应用）碳包覆放射性材料（如果放射性核种能够被包覆在无缝的碳纳米颗粒中并且证实核种可保持稳定的话，那将为核废料的处理提供一个新方法； 碳包覆放射性同位素纳米颗粒可能会被应用于核能药物，放射疗法和影象投射等领） 医学方面的应用（医疗显影剂方面）其它方面的应用 CEMNP 在新型电池方面 :合成出一种碳包覆 Si、Sn、Al 纳米复合材料，由于碳壳的禁锢有望减少金属元素在充放电过程中的体积膨胀，提高稳定性，为新型锂离子二次电池的开发提供了一条新的途径依据金属粒子和炭基体的不同，CEMNP 还可用于加氢、F-T 合成（CO+H2）催化剂，电波屏蔽材料，精细陶瓷材料，抗菌材料，多孔材料等
