碳素材料工艺基础

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1、碳素材料工艺基础各种新型碳素功能材料品种功能及用途石墨层间化合物高导电性，电极活性，催化活性，选择吸附，柔性石墨等活性炭选择吸附—分离，分子筛，医用活性炭，电极活性物质金刚石薄膜半导体性质，高耐磨刀具生理用碳诱发生体组织再生高强度碳素高温弹簧，高保真度扬声器纸盒，特殊机械零件高定向热解碳高能射线单色器第一章碳素材料的物质结构§1.1碳原子及其价态碳原子的基态电子层结构是1s22s22px12py1基态碳原子只有两个未成对的价电子，对外只能形成两个共价键，因此，基态碳原子是二价的。绝大部分碳化合物的碳为四价，当基态碳原子受到激发，一个2s电子跃迁到2p轨道时，电子层

2、结构就成为1s22s2px2py2pz,碳原子就有了四个为成对的价电子，成为四价。碳原子从基态到激发态要吸收161.5千卡/摩尔的能量，但和不同的原子化合时需要的能量大小却不一样，例如，C—H的键能为98.8千卡/摩尔，C—O的键能为84.0千卡/摩尔。在所有的四价碳化合物中，碳原子处于三种价态中的一种状态，这就是四面体、三角形及线形键。（1）四面体键碳原子的四个等值价键是由1个s—电子和三个p—电子杂化而成sp3杂化态，每个建中S成分占1/4，p成分占3/4，四个键的电子轨道形状相同，但方向不同，每个轨道的对称轴指向四面体的顶角，任意两键之间的夹角都是109°2

3、8´。（2）三角形键在具有双键的不饱和的有机物、芳香族化合物和石墨中，碳原子中有三个等值价键分布在直角坐标系的xy平面上，互成120°角，这种等值价键是由1个s—电子和2个p—电子杂化而成sp2杂化态，每个键中，s成分占1/3，p成分占2/3，碳原子的第四个电子，又叫π电子，它的哑铃型对称的电子云指向直角坐标的z方向，成为π键。苯分子中的π键又不同于乙烯中的π键，苯分子成六方平面结构，有六次对称轴即苯分子中所有碳—碳键长都是相等的，这就必须部分采用多中心分子轨道，认为苯分子中六个π电子是共有的，它们按六个碳—碳键平均分布，这种键叫做非定域键或离域键，实验发现，在苯

4、、丁二烯、稠环芳香烃以及石墨中都是这种键，任何其他键结构式都不能反映它们的特性，这种现象称为共轭现象，这类分子称为共轭分子。石墨和类石墨层面，是碳—碳共轭键加共轭键，键长为1.42埃，π电子可以自由地在层间漂移，并对相邻层面提供一种键力，由于它能使石墨具有热、电传导性，与金属的自由电子类似，所以，在碳—石墨物质中π键也称金属键。石墨层间有一种较弱的键，成为范德华键，它不是电子云离域的原子间作用力，而是分子或原子间一些弱作用力的统称。总之，石墨中有三种键在起作用，即碳—碳共价键（σ键）、共轭π键和范德华引力。（3）线形键在乙炔（HC≡CH）和氢氰酸（HC≡N）分子中

5、，碳—碳、碳—氮原子间是三键。这类分子的几何构型为直线型，碳原子的一个s—电子与一个p—电子作线性杂化为σ键，其余2个p电子形成二个π键，这样就生成两个杂化了的sp电子云，键角180°。§碳的晶体结构一切含碳物质在常压下热处理的最终产物为石墨，达到的石墨化度则视一系列条件因定，如母体的分子结构、碳化条件、催化剂的存在、热处理的温度等，在可石墨化碳（即软碳）未转化成三维石墨结构以前，碳基体主要是杂乱定向的六角网格层面堆积起来的块体，这种结构称为乱层结构。（1）六方石墨结构它是碳元素在常温、常压以至很大的温度和压力范围内的平衡结构。理论密度：D=碳原子质量×晶胞内碳原

6、子数/晶胞体积=2.266克/厘米3。（2）菱面体石墨结构（β石墨）在结晶良好的石墨中，菱面体成份约17%，石墨受到研磨后菱面体成分将增加到22%,此时石墨结构受到破坏，其堆积方式混杂，将这种石墨热处理至2000℃以上，将逐渐恢复到ABAB排列，因此，菱面体石墨是一种不稳定的带有缺陷的石墨。（3）金刚石晶体结构金刚石晶胞为面心立方点阵，晶胞中有8个碳原子，有最高的硬度和最低的可压缩性。理论密度为3.5362克/厘米3，和石墨的情况相似，实际密度总是低于理论密度。（4）微晶体有机物受热分解残留的碳。§碳素材料的结构缺陷（1）层面堆积缺陷（2）碳六角网格内的缺陷（3）

7、空隙缺陷：碳素原料焦炭的生成和制品焙烧过程中都发生了有机物的热裂解和聚合反应，有不少气体作为反应物逸出，这样就在基体中产生大大小小的空隙和裂缝，他的视比重总是小于他的密度（真比重），制品中空隙体积与制品总体积的比重值即为气孔率。空隙的存在对于材料的机械强度、电导率、热导率、抗氧化性、渗透性、吸附性、热膨胀系数等一系列物理—化学性能有重要影响，随空隙大小和宏观状态的不同，空隙的性质也不同的，有如下几种类型：①分子间隙两个以上石墨大平面分子叠合在一起，它们中间便有范德华力和金属键力在一起作用，两平面分子间的距离从理想石墨的3.354埃到乱层结构飞3.44~3.7埃，这

8、类分子间隙