碳材料科学课件

硕士研究生学位课程,炭材料科学 Science of Carbon Materials,北京化工大学先进炭材料研究室,宋 怀 河 教授 songhhmail.buct.edu.cn,研究室组建于1999年 科研人员5名（4名博士，一名工程师） 博士生7人，硕士生30余人 学校“211工程”重点学科建设实验室 “化工资源有效利用”国家重点实验室的一部分 研究方向 沥青基炭材料、碳纳米材料、新能源材料和介孔炭材料 研究目标主要定位于前沿性先进炭材料的研究 合成、形成机理、结构设计、性能及应用 形成国内研究优势和特色，部分研究内容达到国际领先水平,先进炭材料研究室,以石油重油、煤焦油 重质芳烃、聚合物等为原料,碳纳米材料及纳米复合材料 1、碳包覆纳米金属晶的形成及转化 金属颗粒和金属线 2、碳纳米洋葱（实心和空心） 3、纳米碳管、石墨烯及其树脂基复合材料 4、介孔碳材料（有序，气凝胶）,主要研究方向,新型能源炭材料 1、Li+电池负极材料炭材料的设计 炭基材料（天然石墨、树脂炭、碳管、石墨烯等） 2、大功率充放动力型锂电池电极材料 纳米碳/金属复合材料,沥青基炭材料 1、中间相形成及转化的基础研究 2、中间相沥青炭微球（MCMB） 锂离子二次电池电极材料 高密度炭和C/C复合材料 3、炭纤维,3、超级电容器电极材料,炭纤维,针状焦,炭微球,高导热材料,发泡炭、高级粘结剂、浸渍剂、炭纳米材料,HREM images of carbon encapsulated iron nanomaterials from YD heated at 480 in the presence of ferrocene content of 13.0 wt. %,HREM images of carbon encapsulated iron nanorods from YD heated at 480 in the presence of ferrocene content of 40.0 wt. %,20nm,The iron full-filled carbon nanorubes Length: 150-250 nm Diameter: 30-40 nm Carbon shell: 5-8 nm Highly dispersed Straightly No entangled network Metal species were continuously filled in carbon shells.,Ordered Mesoporous Carbons from the Carbonization of as-synthesized Silica/Sucrose/Triblock copolymer Nanocomposites,碳的六方有序孔道,锂离子二次电池电极材料,锂离子电池现已广泛用作诸如移动电话、便携式电脑、摄像机、照相机等袖珍贵重家用电器的电源，并已在航空、航天、航海、人造卫星及军用通讯设备领域中逐渐替代传统的电池。,1、发展电动汽车用大容量锂离子电池； 2、开发及使用新的高性能电极材料； 3、加速聚合物锂离子电池的实用化进程,通过对炭科学基础理论和多样炭结构、性能和形成机理的介绍，使学生掌握炭材料的基本结构、性能、成炭原理和应用领域，并对炭科学的发展趋势和新型炭材料的开发有一初步了解。 课程编号:MSE515 学时：40 学分：2.5,课程简介,第一部分 碳的多样性， 碳科学的形成、发展与核心问题（4学时） 第二部分 碳的结构与性质（8学时） 基本结晶形式-金刚石、石墨、富勒烯、咔宾 碳的结构 碳的特性,课程内容-1,第三部分 有机化合物的炭化途径（16-18学时） 一、气相炭化（4学时） 二、液相炭化中间相理论与应用（8学时） 三、固相炭化与多相炭化（4学时） 第四部分 炭的表面化学（4学时） 第五部分 石墨层间化合物（2学时） 第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时） 一、金刚石薄膜 二、富勒烯与纳米洋葱 三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶,课程内容-2,考试：2学时,要求： 1、有事请假； 2、课上认真听讲； 3、课上认真作笔记，课下找相关参考书复习； 3、不明白的地方一定设法弄明白。,考核： 1、出勤计入成绩（权重10%）； 2、平时作业/报告成绩（权重20 %）； 2、期末试卷考试（权重70% ）。,报告题目：We and Carbon,第一部分 绪言,一、炭材料的多样性 1、碳的多样性 碳元素的产生； 太阳系产生热核反应中“碳、氮循环”； 地球上碳产生生物学、硅产生地学，碳是形成一切生物有机生命体的骨架元素； 大量的中间过渡状态，较少的纯碳形式； 新型炭材料。,碳的起源-“big bang”理论,宇宙巨大的能量块 150亿年前发生大爆炸,宇宙空间充满高能的光,光转化为物质，各种粒子开始形成,膨胀 温度降低,粒子凝聚成氢,温度升高,Ne Na Mg O S Si P,C 的存在,温度降低,温度升高,碳在宇宙进化中起着重要的作用，是宇宙中前期生物分子进化的关键元素。 宇宙中：原子碳、分子碳、固态碳和碳化物 太阳系：H, He,O, C, Ne 地球中：第14位 （90% 的碳是以CaCO3的形式存在，为化石燃料的1万倍） 碳是地球上一切生物有机体的骨架元素，没有碳就没有生命.碳元素占人体 总重量的18 %左右 当今世界以碳为主要原子构成的有机化学为橡胶、塑料、合成纤维三大 材料奠定了基础。 人类进化以来，很早就开始利用各种炭物质和炭材料。各种炭材料在航天、航空等工业、医疗、能源和日用品中得以应用。,C 的演变,绚丽多彩的世界,炭纤维,炭微球,纳米管/树脂复合材料,C/C复合材料,金属填充富勒烯,金刚石,金刚石薄膜,1990年和1991年金刚石和C60分获Science明星分子； 1996年 美国Rice大学 R F Curl R. E. Smalley 富勒烯C60 英国Sussex 大学 H. W. Kroto 2000年美国科学家A. J. Heeger A. G. MacDiamid 导电聚合物 日本科学家H Shirakawa(白川英树),2010年英国 A Geim and K Novoselov 石墨烯,The Nobel Prize in Chemistry 1996,“for their discovery of fullerenes“,Robert F. Curl Jr. Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley 1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize USA United Kingdom USA Rice University University of Sussex Rice University Houston, TX, USA Brighton, United Kingdom Houston, TX, USA b.1933 b. 1939 b. 1943 d. 2005,The Nobel Prize in Chemistry 2000,“for the discovery and development of conductive polymers”,Alan J. Heeger Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa 1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize USA USA and New Zealand Japan University of California University of Pennsylvania University of Tsukuba Santa Barbara, CA, USA Philadelphia, PA, USA Tokyo, Japan b. 1936 b. 1927 b. 1936,Andre Geim,Konstantin Novoselov,The Novel Prize in physics 2010 honours two scientists. They have succeed in producing, isolating, identifying and characterizing graphene.,新型炭材料的发展,1991年 碳纳米管,1985年 富勒烯,碳包覆金属,21世纪将是碳世纪,2004年 石墨烯,二、炭材料的定义,是主要以煤、石油或它们的加工产物等(主要为有机物质)作为主要原料经过一系列加工处理过程得到的一种非金属材料，其主要成分是碳。 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，不象石墨那样具有众多的过渡态中间结构（如焦炭、CF、煤炭、炭黑、木炭等）。 狭义上看：炭材料一般是指类石墨材料，即以SP2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（过渡态碳），它是由有机化合物炭化制得的人造炭。,1、定义,2、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。 3、“炭”与“碳”的区别 Carbon as element Carbon as material,三、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。,Grapheen CNTs,碳原子在电子结构上可形成SPn杂化，能键合众多原子和分子，在纳米及微米尺度上以不同方式和取向进行堆叠和聚集，形成粒子、孔状、纤维状、薄膜状及块体材料。各种类型炭物质具有的性质几乎包括地球上所有的性质，有的甚至是完全对立的性质,最硬（金刚石） 软（石墨） 绝缘体 （金刚石） 半导体（石墨） 良导体（热解石墨） 绝热体（石墨层间） 良导热体（金刚石、石墨层内） 全吸光（石墨） 全透光（金刚石、石墨烯）,碳纳米管和石墨烯有可能将碳元素的独特性 发挥到极至!,四、炭材料的应用,机械工业：轴承、密封元件、制动元件等； 电子工业：电极、电波屏蔽、电子元件等； 电器工业：电刷，集电体、触点等； 航空航天：结构材料，绝热、耐烧蚀材料等； 核能工业：反射材料，屏蔽材料等； 冶金工业：电极，发热元件，坩锅、模具等； 化学工业：化工设备，过滤器等； 体育器材：球杆，球拍，自行车等； ,五、炭材料的发展史,1、第一代（5千1万年前） 2、第二代（十九世纪） 烧结型炭材料