《综合实验设计》

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1、《综合实验设计》报告书课题名称：催化退火对CDC结构的影响学院（系）：材料科学与工程学院专业：材料物理　年　　级：2010级学生姓名：赵亚豪指导教师：张瑞军2013年12月20日一、选题背景（说明选题的依据和意义，宋体，小四号）碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有多样的电子轨道特性(sp、sp2杂化)，再加之sp异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元索的碳材料具有各式各样的性质，并且新探索相和新型碳材料还不断被发现和人工制得。事实上，没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此之多的结构与性质完全不同的物质。可以说碳材料几乎包括了地球

2、上所有物质所具有的性质，如最硬一最软，绝缘体一半导体一良导体，绝热一良导热，全吸光一全透光等。随着科学技术的进步，人们发现碳似乎蕴藏着无限的开发可能性。碳的用途也十分广泛，从史前的木炭、近代工业的人造石墨和炭黑、当代的原子炉用高纯石墨和飞机用碳碳复合材料刹车片、现今的锂离子二次电池材料和核反应堆用第一壁材料等等，不胜枚举。毋容置疑，碳材料在人类发展史上有着和还将有着十分重要的位置。该材料的发展历史大致经历过木炭时代(史前～1712)，石炭时代(1713～1866)，碳制品的摇蓝时代(1867～1895)，碳制品的工业化时代(1896～1945)，碳制品发展时代(1946~1970)。1960~

3、1990年碳材料迈入了新型碳制品的发展时代，其中1960~1980年主要用有机物碳化方法制备碳材料，以碳纤维、热解石墨的发明为代表；1980年以后则主要以合成的手法制备新型碳材料，以气相合成金刚石薄膜为代表。纳米碳材料的发展时代始于1990年，以富勒烯族、纳米碳管的合成为代表。自1989年著名科学杂志《Science》设置每年的“明星分子”以来，碳的两种同素异构体“金刚石和“C60”相继于1990年和1991年连续两年获此殊荣，1996年诺贝尔化学奖又授予发现C60的三位科学家，这些事实充分反映了碳元素科的飞速进展。但是由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳和碳材料仍有许多不

4、为人们所知晓的未开发部分，若再考虑与其他元素或化合物等的复合和相互作用，可望获得更大的发展便更无怀疑之余地。我们有必要相信，在未来相当长的一段时间内，碳的新相和聚合碳同素异构体的设计、制造和研究将是物理化学领域中最中心的课题，而与之相应的新型碳材料的研究与开发会具有无穷的生命力。新材料的研究开发包括四方面的内容：①崭新材料的刨制②已知材料的新功能、新性质的发现③已知材料的功能，性能的改善④新材料剖制和评价技术的开发。新型碳材料的研究开发就是很好的一个例证。近年来，在①方面先后划时代地发明了低温气相生长金刚石、C60和纳米碳管在②方面发现了石墨的插层性质，使锂离子充电电池得以实用化和飞速发展；在

5、③方面提高和改进了石墨电极的性能，使之能在超高电流下工作，使电炉炼钢技术出现新的突破；在④方面也有许多新的进展，如超高温超高压技术用于碳素新相的探索等。美、日等发达国家一直对碳材料的研究十分重视。由于碳材料突出的特性，美国将碳材料定为战略材料之一，充分利用其巨大的国防费用和航天费用，进行积极的研究与开发。欧共体也将新型碳材料的研究作为其新材料计划的重要项目之一。日本最近十多年来在国际上率先在低温气相生长金刚石和纳米碳管等方面取得了突破性进展。为了进一步加强这方面的研究与开发，最近两年日本政府先后实施了三个大型研究项目，即以“碳素系高功能材料技术研究会”为主导的“高功能碳素系材料的研究”项目，重

6、点研究金刚石薄膜等作为电子材料和零磨损、无油润滑材料等；以日本学振会117委员会为主导的“碳材料中功能性微米和纳米空间的创制”项目；以日本研究碳材料的各著名大学的教授组成的项目组为主导的“碳合金(Car—bon-alloy)的创制”研究项目三个研究项目的总经费高达2O亿日元以上(合人民币约1．5亿元)加上90年代初已实施的关于富勒烯和纳米碳管的研究项目，其研究内容几乎包括了碳材料研究的各个领域，并在上述新材料的四个方面均有体现。这些事实充分说明了新型碳材科研究是一个热点领域及新型碳材料的重要性。值得指出的是吸附和话性炭材料虽是一个古老的话题，但主要是由于地球环境污染严重和环境保护意识的加强，活

7、性炭材料将在这一领域扮演十分重要的角色。活性炭和活性碳纤维已在环境保护及其他方面获得了成功应用，带来了巨大经济效益，同时其应用领域还在逐步拓展。炭电极在锂离子二次电池上的成功应用，使碳作为能源材料具有极好的发展前景。由于碳材料的结晶度、宏理和微观结构、表面特性等对电池性能的影响十分复杂，故电极材料的研究和选择最为重要也十分活跃。此外碳材料在大容量双电层电容、燃料电池、核发电等领域也不可或缺，需要深