第一講碳材料

第一講碳材料2/6/20232碳材料基礎(chǔ)石墨及其衍生物

主要內(nèi)容

新型碳材料概述炭素材料學相關(guān)概念碳與炭的區(qū)別炭素（原）材料物化性質(zhì)炭素制品的特征及分類炭素材料學定義

炭素材料學發(fā)展簡史何謂炭素材料

炭素材料的基礎(chǔ)晶型態(tài)物質(zhì)

自然界中的碳

炭的生成過程

炭的存在形式

物理性質(zhì)

化學性質(zhì)炭素制品的主要特征

炭素制品的分類

第一章1.1炭素材料學（ScienceofCarbonMaterial）相關(guān)概念1）炭素材料學定義：

研究炭素原料和炭素制品的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)工藝和使用能效，以及它們之間的關(guān)系的學科。2）炭素材料學發(fā)展簡史：

19世紀：伴隨著炭素制品的大規(guī)模生產(chǎn)的需要而逐步形成。

20世紀：各種炭素新材料不斷涌現(xiàn)，用途越來越廣泛，品種越來越多，炭素制品的工業(yè)規(guī)模也相應擴大，逐漸形成一個獨立的工業(yè)部門。原因：①導電材料和耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料；②炭素材料的特殊性能（首先被選中作為煉鐵爐的內(nèi)襯及電冶煉的導電材料）1.1炭素材料學（ScienceofCarbonMaterial）相關(guān)概念3）炭素材料定義：

就是以碳元素為主體構(gòu)成的材料。4）炭素材料的三大常用基礎(chǔ)晶型態(tài)物質(zhì)：金剛石石墨過渡態(tài)炭（無定型炭）

炭素材料常用晶型（焦煤）炭、炭黑、玻璃炭1.2關(guān)于碳與炭

自然界分布很廣，是地球上形成化合物最多的元素

1.2.1自然界中的碳

自然界中碳的資源以兩種類型存在，一種是循環(huán)性資源，即由植物和動物所代表的生物和CO2；另一種是循環(huán)速度很慢，但數(shù)量極大的堆積物，如碳酸鹽礦物和有機質(zhì)堆積物。原子量為12.01，原子序數(shù)為6，元素符號為C，電子分布狀態(tài)為：1S22S22P2。

在水和大氣中主要以CO2、碳酸和碳酸鹽的形式存在——碳在自然界中存在的形式

——碳在自然界中存在的形式碳酸鹽煤——碳在自然界中存在的形式天然石墨礦天然金剛石礦

——碳在自然界中存在的形式石油（碳氫化合物）天然氣（碳氫化合物）

——碳在自然界中存在的形式動植物體中的脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉和纖維素

——碳元素的特點碳元素的最大特點之一：存在著眾多同素異形體。如人們熟悉的金剛石和石墨，前些年發(fā)現(xiàn)的卡賓（碳賓、碳烯），以C60為代表的富勒烯和碳納米管等以及最新發(fā)現(xiàn)的石墨烯(Graphene)。石墨稀富勒稀碳納米管石墨金剛石幾乎可涵蓋地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)甚至相對立的兩種性質(zhì)，如從最硬到極軟、全吸光到全透光、絕緣體到半導體到導體、絕熱到良導熱、高臨界溫度的超導體等。獨特的電子結(jié)構(gòu)原因。碳元素是六號元素，其原子最外層有四個價電子，C原子除了可以sp3雜化軌道形成單鍵外，還能以sp2及sp雜化軌道形成穩(wěn)定的雙鍵和叁鍵，可以和各種原子形成共價鍵，從而形成許許多多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)完全不同的物質(zhì)。——碳元素構(gòu)成材料的特點為什么？——全吸光、絕熱和超導炭素材料熱解石墨材料：具有高度的各向異性，它沿層面的導熱率與銅相似，垂直于層面的絕熱性與陶瓷相似，同時有較強的抗氧化、抗侵蝕、耐磨等性能?？梢詰迷谔釤捀呒兘饘伲娮庸I(yè)及現(xiàn)代科學上的特殊材料。美國賴斯大學的科學家制造出了世界上最黑的材料。他們用碳納米管織出了一片毯子，僅反射0.045%的光線，這大約是以前紀錄的四分之一。該材料比漆成黑色的雪佛蘭Corvette跑車要黑100倍。此前最黑的材料是倫敦科學家制造的一種鎳磷合金，大約反射0.16%的光線。富勒碳化物是用于電容器、裝甲附甲和武器系統(tǒng)中的一種超導材料。1.2.2炭的生成過程

自然界中的炭，不管是哪種形式，均可理解為是有機物經(jīng)熱解反應的生成物。

（熱解的概念泛指有機化合物在受熱時所發(fā)生的分解或分解的重合而生成最終產(chǎn)物的過程）炭素原料的來源非常廣泛。（如：煤、石油、植物等）

煤含碳為60～90％，木材含碳約50％，石油含碳為80～90％，天然石墨含碳近100％

石油、煤一般認為是在億萬年以前被埋入地層下的動物和植物，在隔絕空氣、受地球熱和地層高壓等條件下轉(zhuǎn)化的結(jié)果。這類物質(zhì)，仍然為碳氫化合物，但已經(jīng)有所炭化。而無煙煤可以看作是近乎炭化后期的產(chǎn)物。同理，天然石墨可以認為已完全炭化，并且已經(jīng)達到了石墨的程度。

含C、H、O、N、S等有機物的混合體

有機物（不管是氣體、液體還是固體）只要在隔絕氧的條件下，在有熱的作用下，就可以從烴類化合物中生成炭。炭化將使碳氫化合物中的碳保留下來，而氫和其它元素通過受熱分解被排除逸出。表1-l列出了各種有機物炭化生成的炭。

1.2.2炭的生成過程（續(xù)）1.2.3炭的存在形式

物質(zhì)世界是由一百多種元素，以不同形態(tài)和不同化合物、混合物或單質(zhì)組成。在自然界里，單質(zhì)碳有三種常見的變體：金剛石、石墨及無定形炭。三種碳的同素異構(gòu)體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.2.3炭的存在形式——金剛石結(jié)構(gòu)：碳原子之間以sp3方式鍵合，每一個碳原子與相鄰的4個碳原子相連，即碳原子的配位數(shù)為4。每一個碳原子處于一個四面體的中心，與之相鄰的碳原子則處于四面體的是個頂點之上。金剛石有天然和人造兩類，從晶體結(jié)構(gòu)看，有四方晶和六方晶之分。金剛石的外觀無色透明，通常因所含雜質(zhì)元素的不同而呈淡黃色、天蘭色、蘭色或紅色，有強烈的光澤。它的晶體外觀十分規(guī)整。金剛石在所有物質(zhì)中是最硬的，可用于制造鉆頭等。金剛石的炭原子所有的價電子彼此互相共享完全形成共價鍵而無自由電子，所以它幾乎不導電，導熱性能也很差，但他的析光率很高，經(jīng)琢磨可制成鉆石?，F(xiàn)在金剛石已能人工制造，但多為0.1～1毫米的小顆粒級。

——人造金剛石的制備

1、千巴：壓力單位，1千巴等于987大氣壓。2、金屬觸媒：石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的觸媒可分為平制觸媒和全金觸媒兩種。目前所用的單質(zhì)觸媒是元素周期表中第Ⅷ族元素和Mn、Ta、CY合金觸媒；Ni—CY；Ni—Fe；Ni—Mn；Fe一Ai；Ni—Co；Ni—CY—Fe；Ni—CY—Mn；Co一Cu—Mn等。

1.2.3炭的存在形式——石墨結(jié)構(gòu)：石墨中的碳原子是成層排列的，同一層內(nèi)的每一個碳原子用3個電子跟相鄰的3個碳原子以共價單鍵結(jié)合，鍵長都是142皮米（1皮米＝0.001納米）。這些碳原子排列成平面的六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，很多碳原子組成相互平行的平面，使整個晶體構(gòu)成片層結(jié)構(gòu)，不同層之間的距離是335皮米。層和層之間相鄰碳原子以范德華力相連。因此石墨片層之間容易滑動，石墨晶體容易裂成鱗狀薄片。碳原子中的第四個電子形成比較復雜的鍵，所以，石墨能導電、導熱。

1.2.3炭的存在形式——無定型炭（煤炭和焦炭）煤炭是泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤等的統(tǒng)稱。煤炭是幾百萬年以前的古代植物在地殼變動時被埋在地下，受到一定的溫度壓力炭化而形成的。各種煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，無煙煤炭化程度較高。焦炭是煙煤(煉焦煤)或某些含炭量高的物質(zhì)(如石油、瀝青或渣油、煤瀝青等)在高溫下，基本隔絕空氣加熱使之焦化的產(chǎn)物?！禾亢徒固康男再|(zhì)差別焦炭具有一些和一般煤炭不同的理化性質(zhì)，如強度大、耐磨、含炭量高，多數(shù)焦炭在2000℃以上高溫處理后都能轉(zhuǎn)化為石墨。各種不同品種的煤炭(或焦炭)其理化性質(zhì)相差很大，這種差別與各種煤炭(或焦炭)的初始原料的種類炭化過程或熱處理溫度及雜物含量有直接關(guān)系。炭化程度越低(或熱處理溫度越低)或雜質(zhì)含量越高，則煤炭(或焦炭)的導電性、導熱性、化學穩(wěn)定性就差。測定煤炭(或焦炭)中元素炭的含量及揮發(fā)物的含量可以間接了解各種煤炭(或焦炭)的炭化程度(或熱處理溫度)。煤炭和焦炭的主要成份是元素碳。實際上它們是由碳、氫、氧三種元素為主體，并以芳香烴縮合環(huán)為基本單元所構(gòu)成的一種非常復雜的高分子有機化合物。煤炭中氧與氫元素的含量與炭化程度成反比。炭化程度越高，則氧與氫的含量越少，煤炭中的其它元素含量比氧與氫還要少得多。

無煙煤、石油焦、瀝青焦和冶金焦，是生產(chǎn)各種炭制品主要原料，特別是石油焦和瀝青焦是生產(chǎn)人造石墨的主要原料，用石油焦和瀝青焦為原料生產(chǎn)的人造石墨，其質(zhì)量比用天然石墨生產(chǎn)的要好得多。幾種主要煤炭和焦炭的元素組成

注：上述組成為不包括灰分雜質(zhì)的元素組成。

2/6/202324碳材料基礎(chǔ)一、碳的存在

碳元素地球上豐度第14位，90％以CaCO3存在。碳纖維、石墨、金剛石、富勒烯、納米碳管、焦炭、炭黑、活性碳等。2/6/202325一、碳的存在1、煤炭

形成：煤炭是遠古植物殘骸沒入水中經(jīng)過生物化學作用，然后被地層覆蓋并經(jīng)過物理化學與化學作用而形成的有機生物巖。

分布：全世界標準煤可開采量5萬億噸，七位儲量最大的國家依次為美國、中國、澳大利亞、印度、德國、南非和波蘭中國煤炭資源分布面廣，除上海市外，全國各個省、市、自治區(qū)都有不同數(shù)量的煤炭資源。山西、陜西、河南、東北，四川也有煤炭資源。

2/6/202326一、碳的存在1、煤炭

種類：中國的煤種分類，其中煉焦煤類占27.56％，非煉焦煤類占72.35％。前者包括氣煤（占13.75％），肥煤（占3．53％），主焦煤（占5.81％），瘦煤（占4．01％），其它為未分牌號的煤（占0．55％）；后者包括無煙煤（占10．93％），貧煤（占5．55％），弱粘煤（占1．74％），不粘煤（占13.8％），長焰煤（占12．52％），褐煤（占12．76％），天然焦（占0．19％），未分牌號的煤（占13．80％）和牌號不清的煤（占1．06％）。2/6/202327一、碳的存在1、煤炭

應用：

直接做燃料火力發(fā)電

干餾焦化廠氣化液化2/6/202328一、碳的存在1、煤炭

應用：直接做燃料火力發(fā)電

2/6/202329一、碳的存在1、煤炭

應用：干餾是煤化工的重要過程之一，指煤在隔絕空氣條件下加熱、分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤氣等產(chǎn)物的過程。按加熱終溫的不同,可分為三種：900～1100℃為高溫干餾，即焦化；700～900℃為中溫干餾；500～600℃為低溫干餾。

2/6/202330一、碳的存在1、煤炭

應用：干餾

2/6/202331一、碳的存在1、煤炭

應用：氣化煤的氣化過程是一個熱化學過程，它是指在煤氣發(fā)生爐內(nèi)，以煤或焦炭為原料，以氧氣(空氣、富氧獲純氧)、水蒸氣或氫氣等作氣化劑，在高溫條件下通過化學反應將煤或焦炭中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程。氣化時所得的可燃氣體稱為氣化煤氣，其有效成分主要包括一氧化碳、氫氣及甲烷等。

2/6/202332一、碳的存在1、煤炭

應用：氣化

1、固定床氣化技術(shù)：固定床氣化也叫移動床氣化爐，在氣化過程中，氣化床層自上而下整體移動，固體氣化原料之間相對固定；它以塊煤為原料，是目前世界上應用數(shù)量最多的加壓煤氣化工藝。

2、流化床氣化技術(shù)：流化床氣化也叫沸騰床氣化，它的氣化過程是粉煤在反應器內(nèi)呈流態(tài)化狀態(tài)，在一定溫度、壓力條件下與氣化劑反應生成煤氣。3、氣流床氣化技術(shù)：氣流床工藝是煤炭氣化的一種重要形式，原料煤以干粉或水煤漿形態(tài)入爐，煤粉(煤漿)和氣化劑經(jīng)噴嘴一起并流進入氣化爐，并在氣化爐內(nèi)進行充分的混合、燃燒和氣化反應。氣流床氣化技術(shù)的代表爐型是德士古氣化爐和殼牌氣化爐。

4、煤炭地下氣化：煤炭地下氣化是通過熱化學反應把地下煤層就地轉(zhuǎn)化為可燃氣體的過程。對保護環(huán)境和節(jié)省投資具有重要意義，但在其煤氣的質(zhì)量和數(shù)量及其控制上還有待提高。2/6/202333一、碳的存在1、煤炭

應用：液化

煤的液化是把煤轉(zhuǎn)化成液體燃料的過程。把煤與適當?shù)娜軇┗旌虾?，在高溫、高壓下（有時還使用催化劑），使煤與氫氣作用生成液體燃料。這是把煤直接液化的一種方法。煤還可以進行間接液化。就是先把煤氣化成一氧化碳和氫氣，然后再經(jīng)過催化合成，得到液體燃料。例如，煤氣化后得到的一氧化碳和氫氣，可以用來合成甲醇。甲醇可以直接用作液體燃料。將甲醇摻到汽油中可以代替一部分汽油，作為內(nèi)燃機的燃料。甲醇還可以進一步加工成高級汽油。

2/6/202334一、碳的存在1、煤炭

應用：液化

2004年9月13日，在內(nèi)蒙伊金霍洛旗建設的神華煤直接液化項目一期工程正在施工

2/6/202335一、碳的存在2、焦炭

生產(chǎn)電石產(chǎn)生的礦渣含碳物質(zhì)高溫裂解后產(chǎn)生的礦渣硬炭（原料為含異質(zhì)元素的纖維素）軟炭（原料為有機芳香化合物或亞穩(wěn)態(tài)瀝青）按原料分

2/6/202336一、碳的存在2、焦炭

焦炭通常按用途分為冶金焦（包括高爐焦、鑄造焦和鐵合金焦等）、氣化焦和電石用焦等。按用途分2/6/202337一、碳的存在2、焦炭

冶金氣化電石人造石墨

用途2/6/202338一、碳的存在2、焦炭

冶金用途2/6/202339一、碳的存在2、焦炭

人造石墨

用途

2/6/202340一、碳的存在3、炭黑據(jù)記載,中國是世界上最早生產(chǎn)炭黑的國家之一。在古時候,人們焚燒動植物油、松樹枝,收集火煙凝成的黑灰,用來調(diào)制墨和黑色顏料。這種被稱之為“炱”的黑灰就是最早的炭黑。

1821年人們在北美地區(qū)首次用天然氣為原料生產(chǎn)炭黑,從此炭黑不再是“炱”那么簡單,它是“氣態(tài)或液態(tài)的碳氫化合物在空氣不足的條件下進行不完全燃燒或熱裂分解所生成的無定形碳,為疏松、質(zhì)輕而極細的黑色粉末”。

1912年人們發(fā)現(xiàn)炭黑對橡膠具有補強作用,從此炭黑逐漸成為橡膠工業(yè)不可缺少的原材料。目前世界橡膠工業(yè)原材料耗用量排在第一位的是生膠,第二位的是炭黑;換言之,炭黑已成為消費量最大的橡膠配合劑。炭黑的耗用量一般占橡膠耗用量的40%～50%,也就是說,在橡膠配方中,通常每使用2份橡膠就會搭配使用1份炭黑。

2/6/202341一、碳的存在3、炭黑

最好的黑色顏料、幾乎是最廉價的顏料、著色力及遮蓋力最強的顏料、視覺感官上呈中性、最穩(wěn)定的顏料、耐熱、耐化學腐蝕、耐光。

炭黑是僅次于鈦白粉的重要顏料，全世界年消耗橡膠碳黑約六百萬噸，著色和其他用途等特殊碳黑約為二十五萬噸。

2/6/202342一、碳的存在4、玻璃碳玻璃碳是在惰性氣氛中，將樹脂、纖維素、纖維膠加熱到1200℃以上碳化形成的一種新型碳，因其外形像玻璃一樣光亮，故稱玻璃碳(glassycarbon)，簡稱玻碳。玻璃碳具有氣密性和導電性好、熱脹系數(shù)小、質(zhì)地堅硬和易于拋光成鏡面、化學惰性、具有較高的氫超電位等特點，因此適用于做電化學和電分析用的工作電極材料。玻璃碳一般內(nèi)部存大量的封閉孔隙。2500～3000度，可消失。無法機械加工，其形狀須在加熱固化前確定。2/6/202343一、碳的存在5、碳纖維碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強度比鋼的大、密度比鋁的小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導電，具有許多寶貴的電學、熱學和力學性能的新型材料。用碳纖維與塑料制成的復合材料所做的飛機不但輕巧，而且消耗動力少，推力大，噪音小；用碳纖維制電子計算機的磁盤，能提高計算機的儲存量和運算速度；用碳纖維增強塑料來制造衛(wèi)星和火箭等宇宙飛行器，機械強度高，質(zhì)量小，可節(jié)約大量的燃料。

2/6/202344一、碳的存在6、活性碳活性炭是一種含碳材料制成的外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，比表面積大、吸附能力強的一類微晶質(zhì)碳素材料，是一種常用的吸附劑、催化劑或催化劑載體。活性炭按原料來源可分為：木質(zhì)活性炭、果殼活性炭、獸骨/血活性炭、礦物原料活性炭、合成樹脂活性炭、橡膠/塑料活性炭、再生活性炭等；活性炭按外觀形態(tài)可分為：粉狀、顆粒狀、不規(guī)則顆粒狀、圓柱形、球形和纖維狀等。活性炭的應用極其廣泛，其用途幾乎涉及所有的國民經(jīng)濟部門和人們?nèi)粘Ｉ?，如水質(zhì)凈化、黃金提取、糖液脫色、藥品針劑提煉、血液凈化、空氣凈化、人體安全防護等。

下一頁2/6/202345一、碳的存在2/6/202346一、碳的存在

南方網(wǎng)訊2002年5月26日晚7時，兩名少年當日傍晚在村里發(fā)現(xiàn)了一個廢棄的電石燈，兩人將電石裝進電石燈厚厚的鐵殼里，然后又注入了水，沒想到突然一聲巨響，電石燈被炸得粉碎，一少年當場被炸死，另一少年被炸成重傷，目前仍在醫(yī)院搶救。據(jù)了解，電石燈發(fā)生爆炸是由于他們裝的電石太多，又加入太多的水，電石遇水急劇膨脹，最終導致爆炸。

反回2/6/202347一、碳的存在7、金剛石用途：1：當人服食下金剛石粉末后，金剛石粉末會粘在胃壁上，在長期的摩擦中，會讓人得胃潰瘍，不及時治療會死于胃出血，是種難以讓人提防的慢性毒劑。2：磨具3:割具4：飾品2/6/202348一、碳的存在7、金剛石性質(zhì)及鑒別：1、鉆石的單折光性

鉆石的單折光性，是由于鉆石的本質(zhì)特性決定的。而其它天然寶石或人造寶石大都是雙折光性的。冒充的鉆石在10倍放大鏡觀察下，從正面稍斜的角度看，很容易看出棱角線出現(xiàn)重疊影像，并同時呈現(xiàn)出兩個底光。2、鉆石的吸附性

石對油脂及污垢有一定的親和力，即油污很容易被鉆石吸附。因此，用手指撫摸鉆石會感到膠粘性，手指似乎有粘糊的感覺。這是任何寶石所沒有的。這種方法需要加以訓練方能掌握其中微妙的區(qū)別。2/6/202349一、碳的存在7、金剛石性質(zhì)及鑒別：3、一線直落的特征鉆石表面拋光很光滑。用一支鋼筆蘸上墨水在鉆石上劃過，若是真鉆石，表面留下的是一條光滑連續(xù)的線條，特征是一線直落。仿冒品留下的是一個個小圓點組成的線條。用此法觀察應借助放大鏡。

4、特有的金剛光澤

大致在100度的白熾燈光下，切磨很好的鉆石與仿冒品相互比較，很容易看出哪個具有金剛光澤。此方法不宜在過暗或過強的燈光下是進行。2/6/202350一、碳的存在8、富勒烯和納米碳管7.5碳納米管7.2金剛石7.1概述7.3石墨7.4C60有人預言，21世紀是“超碳時代”。

金剛石的人工合成、石墨層間化合物的研究、富勒烯(碳籠原子簇)及碳納米管的發(fā)現(xiàn)及研究都取得了令人矚目的進展。這些以單質(zhì)碳為基礎(chǔ)的無機碳化學給人們展現(xiàn)了無限的想象空間。

IBM表示將開發(fā)在碳納米管上融合一片集成電路的器件。該技術(shù)有望加快下一代芯片產(chǎn)品的面世。美國貝爾實驗室的研究小組使用富勒烯在較高溫度下(117K)制造出了電阻為零的有機超導體。7.1概述在學術(shù)界，一般認為碳的同素異形體包括：金剛石、石墨、碳籠原子簇和碳納米管。石墨，混合鍵型或過渡型晶體，碳原子間以sp2雜化成鍵；無定形碳和碳黑都是微晶石墨。金剛石，原子晶體，碳原子間以sp3雜化成鍵；富勒烯(碳籠原子簇)，分子晶體，碳原子間以s0.305p0.695雜化軌道成鍵(3條鍵)；碳原子上還有1條鍵(s0.085p0.915)；表碳的同素異形體的結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)7.2金剛石金剛石呈正四面體空間網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，碳原子之間形成共價鍵。當切割或熔化時，需要克服碳原子之間的共價鍵，金剛石是自然界已經(jīng)知道的物質(zhì)中硬度最大的材料，它的熔點高。金剛石主要用于精密機械制造、電子工業(yè)、光學工業(yè)、半導體工業(yè)及化學工業(yè)。天然金剛石稀少，只限于用作裝飾品，因此人工合成金剛石正在成為碳素材料中的重要研究開發(fā)領(lǐng)域。金剛石的合成金剛石合成已有四十多年的歷史。已報道的合成方法大致可分為兩類：石墨轉(zhuǎn)化法和氣相合成法常溫常壓下石墨轉(zhuǎn)化為金剛石是非自發(fā)的，但在高溫高壓(由疏松到致密)下可能實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化，其溫度和壓力條件因催化劑的種類不同而不同?！锸D(zhuǎn)化法石墨轉(zhuǎn)化法可分為靜態(tài)超高壓高溫法和動態(tài)法兩種。靜態(tài)超高壓高溫法用高壓設備壓縮傳壓介質(zhì)產(chǎn)生3～10GPa的超高壓，并利用電流通過發(fā)熱體，將合成腔加熱到l000～2000℃高溫。其優(yōu)點是能較長時間保持穩(wěn)定的高溫高壓條件，易于控制。該法可得到磨料級金剛石，但設備技術(shù)要求高。

為了獲得粒度較大的優(yōu)質(zhì)金剛石單晶，普遍采用過渡金屬(Ni，F(xiàn)e，Co等)及其合金作觸媒，保持約5GPa的壓力、1500K的溫度到一定的時間，使石墨轉(zhuǎn)化金剛石。要獲得優(yōu)質(zhì)粗粒的金剛石單晶，一般用石墨片與觸媒片交替組裝的方式。動態(tài)法利用動態(tài)波促使石墨直接轉(zhuǎn)變成金剛石。動態(tài)沖擊波可由爆炸、強放電和高速碰撞等瞬時產(chǎn)生，在被沖擊介質(zhì)中可同時產(chǎn)生高溫高壓，使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。該法作用時間短(僅幾微秒)，壓力及溫度不能分別加以控制，但裝置相對簡單，單次裝料多，因而產(chǎn)量高。產(chǎn)品為微粉金剛石，可通過燒結(jié)成大顆粒多晶體，但質(zhì)量較差。石墨轉(zhuǎn)化法所得的金剛石往往是細粒乃至粉末，使用時往往需燒結(jié)。此外，產(chǎn)品中還含有未反應的石墨、催化劑等雜質(zhì)，因此還需提純。這種產(chǎn)品主要用于精密機械制造領(lǐng)域。★氣相合成法(CVD法)

氣相法是用含碳氣態(tài)物質(zhì)作碳源，產(chǎn)物往往是附在基體上的金剛石薄膜。氣相法成功地制成了膜狀金剛石，使金剛石的應用范圍大大擴展，因為高溫高壓合成的金剛石及天然金剛石的應用只是利用其高硬度特性，其他優(yōu)異的特性均因形態(tài)的限制而未能得到很好的開發(fā)和利用。膜狀金剛石必然會進入半導體工業(yè)、電子工業(yè)及光學等領(lǐng)域。國際化學界權(quán)威學術(shù)刊物《美國化學會志》(J.Am.Chem.Soc.)刊發(fā)了中國科技大學陳乾旺教授領(lǐng)導的研究組的論文“低溫還原二氧化碳(CO2)合成金剛石”。他們自己研制高壓反應釜進行實驗，用安全無毒的二氧化碳作原料，使用金屬鈉作為還原劑，在440℃和800個大氣壓的條件下，經(jīng)過12小時的化學反應，終于成功地將CO2還原成了金剛石。能生長出1.2毫米的金剛石，有望達到寶石級，產(chǎn)物外觀無色、透明，可與天然金剛石媲美。此法CO2轉(zhuǎn)化金剛石的產(chǎn)率達8.9%，工藝重復性好。7.3石墨石墨具有層狀晶體的結(jié)構(gòu)。在晶體中，C原子采用sp2雜化軌道成鍵，彼此間以鍵連接在一起，同時在同一層上還有一個大鍵。石墨內(nèi)部的碳原子呈層狀排列，一個碳原子周圍只有3個碳原子與其相連，碳與碳組成了六邊形的環(huán)狀，無限多的六邊形組成了一層。層與層之間聯(lián)系力非常弱，而層內(nèi)三個碳原子聯(lián)系很牢，因此受力后層間就很容易滑動，這就是石墨很軟能寫字的原因。7.4富勒烯

1985年，英國Sussex大學的H.W.Kroto等人用激光作石墨的氣化試驗發(fā)現(xiàn)了C60，這是一種由60個碳原子組成的穩(wěn)定原子簇。此后又發(fā)現(xiàn)了C50、C70、C240乃至C540等，它們都具有空心的球形結(jié)構(gòu)，屬于籠形碳原子簇分子。由于C60的結(jié)構(gòu)類似建筑師BuckminsterFuller設計的圓頂建筑，因而稱為富勒烯(Fullerend)，也有布基球、足球烯、球碳、籠碳等名稱。C60是20世紀的重大科學發(fā)現(xiàn)之一。Kroto等人因此而榮獲1996年諾貝爾化學獎。富勒烯的結(jié)構(gòu)特點

以C60為代表的富勒烯均是空心球形構(gòu)型，碳原子分別以五元環(huán)和六元環(huán)而構(gòu)成球狀。如C60就是由12個正五邊形和20個正六邊形組成的三十二面體，像一個足球。每個五邊形均被5個六邊形包圍,而每個六邊形則鄰接著3個五邊形和3個六邊形。C60的合成1985年以激光氣化石墨法只能制取幾毫克的C60，不足以開展大量的研究。直到1990年，C60的合成才取得突破。目前C60的合成法主要可分為以下兩種：★石墨氣化法

電弧放電法氣化石墨，每小時可氣化10g，產(chǎn)物是一種黑色粉末，是C60和C70的混合物。用升華法、色譜法等可得到純的C60和C70?！锛兲既紵ㄔ?73～673K真空中加熱特制的炭黑，收集蒸氣凝結(jié)成的固體，制得C60和C70。富勒烯的應用前景

從化學和材料科學的角度來看，富勒烯具有重要的學術(shù)意義和應用前景，其中最早令人關(guān)注的是金屬摻雜富勒烯的超導性。由于室溫下富勒烯是分子晶體，C60的能帶結(jié)構(gòu)表明是半導體，能隙為1.5eV。但經(jīng)過適當?shù)慕饘贀诫s后，都能變成超導體。摻雜富勒烯超導體有兩個特點：一是與一維有機超導體和三維氧化物超導體不同，摻雜富勒烯超導體是各向同性非金屬三維超導體；二是超導臨界溫度Tc比金屬超導體高，如摻雜I的IxC60的Tc已達57K。光學性質(zhì)

C60具有非線性光學性質(zhì)，隨著光強不同，它對入射光的折射方向也發(fā)生改變。C70能把普通光轉(zhuǎn)化成強偏振光，因此C70有可能用作三維光學電腦開關(guān)，可能用于光纖通訊。醫(yī)學領(lǐng)域某些水溶性C60衍生物具有生物活性。二氨基二酸二苯基C60具有抑制人體免疫缺損病毒酶HIVP的功效，因此有可能從富勒烯衍生物中開發(fā)出一種治療艾滋病的新藥。此外C60能承受20Gpa的靜壓，可用于承受巨大壓力的火箭助推器；C60的球形結(jié)構(gòu)，可望成為超級潤滑劑；根據(jù)C60的磁性和光學性質(zhì)，C60有可能作光電子計算機信息存儲的元器件材料。總之，富勒烯的應用前景十分誘人，但要獲得廣泛的應用還有許多問題需要解決。例如，富勒烯及其衍生物的合成必須有新的突破，因為目前成功的合成法所得的富勒烯成本是很高的，很大程度地限制了其應用的研究開發(fā)。1991年1月由日本NEC公司的物理學家飯島澄男使用高分辨率分析電鏡從電弧法生產(chǎn)的碳纖維中發(fā)現(xiàn)碳納米管?？茖W家們預測碳納米管將成為21世紀最有前途的一維納米材料，納米電子器件材料和新一代平板顯示材料。7.5納米碳管

碳納米管是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管狀的材料，管的直徑一般為幾納米(最小為1納米左右)到幾十納米，管的厚度僅為幾納米。實際上，碳納米管可以形象地看成是類似于極細的鐵絲網(wǎng)卷成的一個空心圓柱狀的長“籠子”。碳納米管的直徑十分微小，十幾萬個碳管排起來才有人的一根頭發(fā)絲寬；而碳納米管的長度卻可到達一百微米。碳納米管的結(jié)構(gòu)

碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本上都封口）的一維量子材料，可看作是由片層結(jié)構(gòu)的石墨卷成的無縫中空的納米級同軸圓柱體，兩端由富勒烯半球封帽而成。碳納米管的實際結(jié)構(gòu)比理想模型復雜得多，它是由理想同心石墨片圓柱形結(jié)構(gòu)，而很多是卷曲石墨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中存在大量位錯，而且橫截面是多邊橢圓形。旋轉(zhuǎn)的碳納米管分子示意圖。小圓球代表碳原子，它們之間的長條形連接物代表化學鍵。１、按石墨層數(shù)分類根據(jù)組成碳納米管管壁中碳原子層的數(shù)目，碳納米管可被分為單壁碳管和多壁碳管。碳納米管的分類

２、按手性分類根據(jù)手性分類，碳納米管可分為非手性型管（對稱）和手性型管（不對稱）。對于非手性碳納米管，其結(jié)構(gòu)可以經(jīng)過一定的對稱操作而重合。非手性型管可分為：扶手椅型管和鋸齒型管。３、按導電性能分類按照碳納米管的導電性能，可分為導體性管和半導體性管。單壁碳納米管的導電性能介于導體和半導體之間，其導電性能取決于碳納米管的直徑和螺旋角。４、按排列狀況分類按照碳納米管的排列狀況分類，碳納米管可分為定向的和無序的碳納米管。由于碳納米管長徑比很大，而且具有良好的柔韌性，使得制備出來的碳納米管易于發(fā)生彎曲而相互纏繞，影響碳納米管的性能。獲得大面積的、定向排列的多壁碳納米管，甚至是定向排列的單壁碳納米管陣列具有重要的意義。從1992年起，中國科學院物理所解思深研究員開始利用放電法和化學方法制備碳納米管。1995年發(fā)明了一種在孔內(nèi)含有納米催化劑顆粒的、多孔的二氧化硅的襯底上生長定向碳納米管的方法（已獲中國發(fā)明專利），制備出大面積、高密度、離散分布的定向碳納米管。管徑均勻為20納米，管間距為100納米，管長約為100微米。

這一研究工作，于1996年在“Science”上發(fā)表。碳納米管的性能特殊的電學性質(zhì)

碳納米管與石墨一樣，碳原子之間是sp2雜化，每個碳原子有一個未成對電子位于垂直于層片的π軌道上，因此碳納米管具有優(yōu)良的導電性能。根據(jù)卷曲情況的不同，碳納米管的電學特性可表現(xiàn)為金屬型或半導體型。

超高的力學性能

碳納米管是由自然界最強的價鍵之一，sp2雜化形成的C＝C共價鍵組成，因此碳納米管是所有已知最結(jié)實、剛度最高的材料之一。它彈性模量大于1TPa，能承受大于40%的張力應變而不會呈現(xiàn)脆性行為、塑性變形或鍵斷裂熱學性質(zhì)

碳納米管與石墨、金剛石一樣，都是良好的熱導體。其熱學性能不僅與組成它的石墨片本質(zhì)有關(guān)，而且與其獨特的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)。光學性質(zhì)超導性質(zhì)磁學性質(zhì)．．．．．．碳納米管的制備目前，人們可以用電弧放電法、激光蒸發(fā)法和化學氣相沉積法來大量制備碳納米管。

電弧法是最早的制備碳納米管的方法，工藝比較簡單。它是在真空反應器中充以一定壓力的惰性氣體或氫氣，采用較粗大的石墨棒為陰極、細石墨棒為陽極，在電弧放電的過程中陽極石墨棒不斷被消耗，同時在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。電弧放電法催化劑的種類、配比，電流大小、不同氣氛等，可以制備出單壁、雙壁和多壁碳納米管。