石墨碳素基本知识

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1、关于碳和石墨材料简介前述：工业材料分为金属材料和非金属材料。金属材料具有以下5个特点：1）：是结晶体2）：是电的良导体3）：是热的良导体4）：具有延展性5）：研磨后能全反射光线其中不能满足任何一个条件的就属于非金属材料石墨材料不具有上述第四点，因而属于非金属材料。石墨材料是具有金属材料特性及陶瓷特性的一种特殊材料，是一种非常重要的工业材料。石墨材料根据成型方法可分为：1）：各向异性石墨2）：各向同性石墨在这里主要阐述除制钢、电机用碳刷等各向异性石墨材料外，被广泛用于冶金、机械、电机、核能、电加工、半导体、及宇宙开发上

2、的各向同性----等方性石墨的性质、制造方法和用途。一:碳、石墨及相关延伸产品：1:碳*碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是构成地球上一切生命体最重要的元素。以碳元素为主要构成的有机高分子材料，包括塑料、橡胶和纤维等，已发展成为材料学三个主要学科方向之一。而以碳元素本身，通过不同结构、组合，也形成一个独特的无机非金属材料世界。*碳原子间不仅能够以sp3杂化轨道形成单键，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，因此，除了自然界存在多种同素异形体的碳材料外，科学家们通过实验还合成了许许多多结构和性质完全不同的碳材

3、料，如人们熟悉的金刚石和石墨，以及近年来发现的卡宾（Carbyne）、C60为代表的富勒烯以及碳纳米粉体、管材、线材等。这些新型碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光－全透光、绝缘体－半导体－高导体、绝热－良导热、高铁磁体、高临界温度的超导体等。*碳，大量存在于各种物体中，是一种具有多种多样性质的重要物质，也算是有机化合物，是生物体的基本组成成分，到目前为止，在已确认的超过100万以上的化合物中，90%以上都含有碳的成分。*碳在结晶构造上有2种同素异形体：1）：石墨(六

4、方晶体)，2）：金刚石(正方晶体)，都用”C”来表示起原子符号。碳及石墨的构造变态如图所示：碳及石墨原子结构图石墨晶体层状结构2:石墨*石墨内部的碳原子呈层状排列，一个碳原子周围只有3个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑动，这就是石墨很软能写字的原因。*石墨最常见于变质岩中，是有机碳物质变质形成的，煤层经热变质也可形成石墨。有些火成岩中也可出现少量石墨。石墨可用于制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速

5、剂等，也可以用作坩埚以及合成金刚石的原料。*石墨晶体是层状平面结构，在石墨晶体的每个层上，碳原子最外层4个电子中有3个跟相邻的碳原子以共价键相连，并在二维空间里无限伸展，形成层状。还有1个电子容易释出，成为类似金属晶体中的自由电子，在层的表面能自由移动。层和层之间的距离比较远，中间没有化学键，相互作用比较弱。石墨的应用3:金刚石*提到碳元素，人们最先想到的通常是石墨和金刚石。金刚石和石墨的化学成分都是碳(C)，但是它们的结构和性能却完全不同，科学家们称这种同质多像变体为“同素异形体”。金刚石是目前最硬的物质，而石墨却

6、是最软的物质之一。大家都知道铅笔芯就是用石墨粉和粘土配制而成的，石墨粉含量多笔芯就软，用“B“表示，粘土掺多了则硬，用“H”表示。矿物学家用摩氏硬度来表示相对硬度，金刚石为10，（即金刚石成为摩氏硬度的基准）而石墨的摩氏硬度只有1。它们的硬度差别之所以这么大，关键在于它们的内部结构存在很大差异。*金刚石内部的碳原子呈“骨架”状三维空间排列，一个碳原子周围有4个碳原子相连，因此在三维空间形成了一个骨架状，这种结构在各个方向联系力均匀，联结力很强，因此金刚石具有高硬度的特性。*天然金刚石是一种珍稀矿物，是宝石之王，因为它

7、是世界上最硬的天然材料。有趣的是，既然金刚石是由碳元素组成，而碳在自然界是如此的丰富和廉价，为什么不点石成金？长期以来，人工合成金刚石一直是人类的梦想。自从1954年美国GE公司研制成功了世界上第一颗人造金刚石以来，人造金刚石及其工业制品已经发展成一个应用领域十分广泛的行业。目前，世界工业用金刚石产量约15亿克拉，其应用几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。比如，金刚石在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工、金属拉丝等方面引起了革命性的工艺改革，使加工效率、加工精度

8、几十倍甚至上百倍的提高。金刚石结构金刚石的应用*人工合成时将石墨放在CO或Ni的催化剂中加以数万个大气压，在1500℃下加热处理得到。4:无定形碳*无定形碳如石墨具有一样的结晶构造。由于结晶很微小，故其集合状态成不规则状态。无定形碳是将有机物碳化（或焦炭化）再通过热分解得到。工业上从煤炭石油中得到焦炭，从天然气中得到炭黑。5:碳纤维*碳纤维是一