碳材料的结构特点.docx

碳材料的结构特点 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。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,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? 研究自然界中一切增炭化物质的形成过程机理,特别是着重于它多层次的微观结构的形成,以及此结构在外界条件影响下的转变。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2、各过程中物质的结构与性质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σ共价键,具饱和性和方向性面心立方晶体特征:1)硬而脆;2)碳中密度最大;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σ键,剩余的2Pz轨道与σ键所在的平面垂直形成π键;π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;π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σ键,2个π键;两种类型:β累积烯烃=C=C=C=α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α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,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) 石墨低压稳定相、金刚石高压稳