一种新型碳材料——碳化物衍生碳的研究进展.doc

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1、一种新型碳材料——碳化物衍生碳的研究进展张瑞军，周斌（燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004）摘要：评述了碳化物衍生碳的国内外研究现状，主要介绍了碳化物衍生碳的制备方法、结构与组成、在摩擦学及能源领域的应用，预测了碳化物衍生碳在今后的发展趋势。关键词：碳化物衍生碳；制备；结构；应用中图分类号：TB321文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2011.04.001引言碳作为生命组织的基本组成之一存在于所有有机材料和所有碳基高分子当中。纯的碳很早以前就是最重要的无机材料之一。碳有种同素异形体：石

2、墨、金刚石、富勒烯、卡宾碳，它们都有各自不同的特点及应用，总的来说它们几乎涵盖所有科学家和工程师所需求的特点。例如：石墨是最软的材料之一（显微硬度），通常用来作为固体润滑剂；金刚石是最硬的材料（显微硬度），通常用来作为切割工具；碳纳米管拥有与铜或硅相媲美的导电性。除了碳的同素异形体外，无定形碳或无序结构碳形成了一类全新的材料，它拥有电导性、耐摩擦性、气体可透性等特点。另外，在无定形碳中还可精确的控制碳的比率、孔隙率同密度的比率、纳米晶的尺寸和有序性等。碳材料的制备方法很多，通常有化学气相沉积（）和物理气相沉积（）。化学气相沉积通常用来制备薄或厚的金刚石膜

3、，无序石墨化碳和碳纳米管。很多多孔和无序的碳材料，如碳纤维、活性炭等都是通过有机化合物的热分解来制备的。随着纳米科技的发展，工程师们需要寻求一种新的，可以从分子水平来控制碳材料制备的方法，从而制备出诸如碳纳米管、洋葱碳、纳米金刚石、纳米多孔碳等新颖碳结构材料。对碳化物进行选择性的蚀刻是一种制备多种碳结构的有效方法。通过除掉碳化物中金属原子的方法制得的碳材料叫做碳化物衍生碳（，简称）。是以碳化物的晶格为模板，通过由表及里的逐层蚀刻除掉金属原子，从分子水平上来控制碳材料的制备。另外，通过该法几乎可制备出碳的所有同素异形体及所有结构组织。制备工艺同和相比，其最

4、大特点在于反应不会引起碳化物外在尺寸和形状的变化。目前关于的研究主要都集中在国外，国内对的研究正处于起步阶段。本文从以下几个方面综述了涂层的研究现状与进展：涂层的制备方法、结构与组成、应用等。的制备方法卤素蚀刻法该方法就是将碳化物在高温条件下与卤素气体反应（通常都用氯气），金属原子以气态的四氯化物的型式被除掉，从而制得。其反应式如下所示：，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：张瑞军（），男，河北乐亭人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为摩擦润滑理论与技术、新型碳功能材料，：。燕山大学学报该反应进行时，通干燥氯气，同时升温到℃以上

5、。该方法在年首次进行，反应物为碳化硅和氯气，并为此申请了四氯化硅的制备专利。在制备四氯化硅过程中为了除掉碳，而又不使反应器降温，便周期性的鼓入空气，从而使得碳以和气体形式被除掉。该方法在年已申请专利，并用于四氯化硅的商业生产。年，将氯气和无机碳化物反应，并先后除掉金属氯化物和多余的氯气。他发现分离得到的碳除了有硬质碳、软质碳和炭黑外，还有另外形式的碳存在，称之为“第四类无定形碳”并命名为矿物质碳。到此时，才引起研究者的关注。等人在世纪年代早期系统的研究了碳化硅衍生碳和过渡金属碳化物衍生碳的多孔结构和吸附特性。他们分别研究了绿色碳化硅、黑色碳化硅的特性；碳

6、化钛在℃反应的特性；碳化钒、碳化镍、碳化钼、碳化锆等在℃反应制得特性；碳化钨在℃制得的特性（以上反应都是通氯气）。另外，他们还研究了在碳化锆的氯化反应中通入溴蒸汽和碘蒸汽。反应进行的程度由样品的失重量和样品中碳化物的残余量来表征。等对比分析了碳化硅和碳化钛的衍生碳，研究表明：碳化硅和氯气高温反应成线性关系，在低于℃时不与氯气反应，当氢气氯气比值大于时，也不发生反应；碳化钛与氯气的反应近似于线性关系，当氢气氯气比值大于时碳化钛与氯气不发生反应。反应过程中氢气起稳定悬键的作用，但并非不可或缺。和研究了℃时分别在和气氛中的反应速率，结果表明在两种气氛中的碳层厚

7、度随反应时间都呈现线性增加关系，反应气氛中添加会降低氯化反应速率。这说明氯化反应的控制因素不取决于反应物和生成物在碳层中的扩散。反应动力学呈线性关系说明层具有多孔性并且允许气体分子在其内部任意扩散。事实上，很多研究工作已经证实了通过氯化制备的具有多孔性，很好地佐证了氯化反应动力学的线性关系。由此可知，利用氯化法可制备出任意厚度的，甚至可以将整个全部转化为。等人先在碳化硅陶瓷上通过化学气相沉积形成一层四氯化碳层，然后高温使后者分解产生碳沉积层和氯气，产生的氯气再与碳化硅反应生成，从而形成了双碳层结构。等人研究了氟化法制备碳化硅衍生碳薄膜，他们利用氟气直接和

8、氟化氙间接同碳化硅反应制备出了由纳米晶石墨组成的纳米结构碳膜。研究表明：同氯化法