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1、,炭材料科学Science of Carbon Materials,1,研究方向碳纳米材料、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,2,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,3、超级电
2、容器电极材料,3,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,4,HREM images of carbon encapsulated iron nanomaterials from YD heated at 480 in the presence of ferrocene content of 13.0 wt. %,5,HREM images of carbon encapsulated iron nanorods from YD heated at 480 in the presence of ferrocene content of 40.0 wt. %,
3、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.,6,Ordered Mesoporous Carbons from the Carbonization of as-synthesized Silica/Sucrose/Tribloc
4、k copolymer Nanocomposites,碳的六方有序孔道,7,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,8,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
5、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-1,9,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,10,要求：1、有事请假；2、课上认真听讲；3、课上认真作笔记，课
6、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,11,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。,12,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
7、,温度升高,Ne Na Mg O S Si P,C 的存在,温度降低,温度升高,13,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
8、,绚丽多彩的世界,14,15,炭纤维,炭微球,纳米管/树脂复合材料,C/C复合材料,16,金属填充富勒烯,17,金刚石,金刚石薄膜,18,1990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,19,The Nobel Prize in Chemis
9、try 1996,for their discovery of fullerenes,Robert F. Curl Jr. Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prizeUSA United Kingdom USARice University University of Sussex Rice University Houston, TX, USA Brighton, United Kingdom Houston, TX, USA b.1933 b. 1939 b
10、. 1943 d. 2005,20,The Nobel Prize in Chemistry 2000,“for the discovery and development of conductive polymers”,Alan J. Heeger Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize USA USA and New Zealand JapanUniversity of California University of Pennsylvania Univers
11、ity of Tsukuba Santa Barbara, CA, USA Philadelphia, PA, USA Tokyo, Japan b. 1936 b. 1927 b. 1936,21,Andre Geim,Konstantin Novoselov,The Novel Prize in physics 2010 honours two scientists. They have succeed in producing, isolating, identifying and characterizing graphene.,22,新型炭材料的发展,1991年碳纳米管,1985年富
12、勒烯,碳包覆金属,21世纪将是碳世纪,2004年石墨烯,23,二、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,24,2、新型炭材料根据使用的目的，通过
13、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,25,三、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
14、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。,26,Grapheen CNTs,27,28,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
15、可能将碳元素的独特性发挥到极至!,29,四、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；,30,五、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（人造石墨）3、第三代（第二次世界大战后）4、二十世纪八十年代中叶以后,31,第一代 炭材料,天然物质加热，利用炭的化学性质，作燃料和还原剂炼铜和炼铁CuO + C C
16、u + CO2Fe2O3 + C Fe + CO2,32,第二代 炭材料, 烧结炭材料 利用炭的物理性质（导电、耐热、耐腐蚀、耐摩擦等），用于炭砖、炼钢、炼铝等（电极、电刷、各种机械、化工用炭、原子反应堆用炭等）,33,第三代 炭材料,以炭纤维（CF）为代表的新型炭材料(结构和功能材料)纷纷出现，是炭材料的大发展时期，也是炭科学形成的时期,34,35,第四代 炭材料,富勒烯碳纳米管碳纳米洋葱（富勒洋葱）碳包覆纳米金属晶碳气凝胶多孔炭石墨烯.,36,炭材料的发展史,人类起源,木炭为热能的来源,铜器时代 炭还原铜,十八世纪初 焦炭作还原剂。炼钢工业,十九世纪中 电炉炼钢炭 电极工业化,1895年,
17、电极，电刷和电极糊,木炭,焦炭,1907年,活性炭用于环境,20世纪40-50年代,高纯高密石墨,20世纪50-60年代,热解石墨和热解炭,20世纪60-70年代,C60碳纳米管石墨烯.金刚石薄膜中间相炭微球膨胀石墨炭纤维复合材料高性能炭纤维,人类文明时代 烟炱做染料和墨汁,石墨,20世纪80年代,37,六、炭科学的形成与发展,1、炭材料科学的形成 早期：二十世纪初，炭的结构的剖析，晶体领域，物理学科 炭化研究则在燃料化学（煤化学和石油化学与加工）学科领域中发展壮大 二十世纪五十年代末，高分子领域加强了耐高温聚合物方向的探索，广泛开展了高聚物热解的研究；,38,关于炭材料科学作为独立的学科分枝
18、在国际学术舞台上出现的时间，至今无人加以探讨。 真正具有国际性的世界炭科学会议召开于1957年，即美国第三届炭会议； 1957年9月在伦敦召开了第一届工业用炭和石墨会议； 具有广泛国际性的炭材料专业杂志”Carbon”于1963年在美国创刊。因此，炭材料科学真正独立存在，应在二十世纪五十年代末到六十年代初。,39,2、炭材料科学的主要研究内容,研究自然界中（广义）一切增炭化（富碳）物质的形成过程机理，特别是着重于它（包括原料经历部分炭化的中间产物）多层次的微观结构的形成，以及此结构在外界条件（如温度、压力）影响下的转变。此外，炭科学还研究炭集合体的各种物理与化学性质。核心内容：自有机物前驱体出
19、发，通过热处理使有机物转化成具有可被控制的微晶排列的炭固体，这一知识乃是炭材料科学的最核心部分。,40,有机原料 中间状态 终炭材料1、形成过程（机理）2、各过程中物质的结构与性质3、外界条件与材料结构性能的关系,化学,物理,41,在热处理时，我们感兴趣的温度范围是400-600。在此温度范围内，大多数有机固体开始脱氢转变成自由基，后者随之缩合成大的分子单元，最终导致固体材料。也就是在此温度范围内，微晶的排列将被确立下来，虽然大部分炭物质最终被加热到更高的温度，但是在600以下微晶排列的配置乃是决定最终炭材料的结构和性能的主要因素。炭化机理和炭的结构是整座炭科学大厦的两大基石。,42,主要讲授
20、内容：1）碳的结构与性能；2）有机化合物的成炭途径； 气相炭化 液相炭化 固相炭化 多相炭化3）碳的化学反应；4）碳科学研究的新进展。,43,3、“炭材料科学”所涉及的基础学科,是一门交叉性很强的学科，正处于不断发展之中。* 物理角度，炭材料科学的两个主要方向是固体结构和物理性质，如晶体与非晶体，价键结构，晶体缺陷与运动，晶体中的电子状态，固体的物性（力、光、磁、热、电等）。 二是需要固体结构研究方法的理论知识，即固体结构分析中的物理方法，如XRD、SEM、TEM、XPS、ESR、STM等；* 数学角度，炭结构与特性研究时的数学方程的推断；* 化学角度，涉及到有机物的组成结构、热解和炭化反应，
21、合成反应，化学反应动力学等；* 除化学学科的基础课程外，还涉及一系列应用化学二级学科，如煤化学、石油化学、高分子材料、高分子化学与物理、催化化学、高温化学、有机结构分析、有机固体、结构化学、量子有机化学等。,44,1、新炭素材料入门 日本炭素材料学会编，中国金属学会炭材料专业委员会编译（1999）2、Chemistry and Physics of Carbon, a series of advances from 1965, Marcel Dekker, Inc., Vol.28(2003)3、Science of Carbon Materials, H. Marsh and F. R. R
22、einoso, Universidad de Alicante, (2000)4 、Introduction to Carbon Technology, H. Marsh and F. R. Reinoso, Universidad de Alicante, (2000) 5、Introduction to Carbon Science, H. Marsh， Butterworths Press, 1989,主要参考书目,45,6、炭化工学的基础 大谷杉郎、真田雄三著 中国科学院沈阳金属所内部翻译（1980）7、炭素材料，王曾辉，高晋生编，华东化工学院出版社（1991）8、炭纤维的制造、性质及
23、其应用， 王茂章，贺福编著，科学出版社（1984）9、炭纤维及其复合材料，贺福，王茂章编著，科学出版社（1996）10、纳米碳管制备、结构、物性及应用，成会明编著，化学工业出版社（2002）,46,主要参考杂志-国际(International Journals),Carbon （1.6-1.8 2003年-3.12, 2004年-3.33,16/177，2005-3.42, 2006-3.90，2007-4.26，2008-4.37 2009-4.5）Advanced Materials (8.1, 9.1,7.9) Chemical Physics Letters (2.4)Nano Le
24、tters (8.5,9.9,10.0)Applied Physics Letters (4.1)J. Am.Chem. Soc. (6.9,7.5,7.7)Nature (32.2,27) Science (31.9,30)J. Phys. Chem. B (3.8,4.0,4.1) Chem. Mater. (4.1,4.8,5.1),47,国内杂志：新型炭材料 (SCI, 2004年IF1.165, 62/177；2005-1.46) 炭素技术 炭素燃料化学学报 石油学报（石油加工）无机材料学报 硅酸盐学报 硅酸盐通报中国科学 科学通报材料研究学报 材料科学与工程 .,48,国 内 会
25、议,中国电工技术学会炭-石墨材料专业委员会会议（每两年一次，炭素） 中国金属学会炭材料专业委员会学术交流会（一年一次，炭素技术） 新型炭材料学术研讨会（两年一次）,49,美国双年度国际炭会议（24th Bienn. Conf. on Carbon, Kenturky Univ. 逢单年召开 -2001） 欧洲双年度国际炭会议（Carbon2000, Berlin, 逢双年召开 -2000） 亚洲炭联合会（2002年, Beijing, China） 日本炭素学会年会 美、欧、亚洲 轮流每年一次（from 2002） （2003，Spain;2004, USA; 2005, Korea）,国 际
26、 会 议,50,国内主要研究单位, 中国科学院 山西煤化所，金属所，物理所，化学所 北京化工大学 清华大学 湖南大学 石油大学 山东大学 西北工业大学 大连理工大学 厦门大学，南京大学，浙江大学。,51,2002年国家自然科学奖共23项，其中有关炭材料的占3项,项目名称：定向碳纳米管的制备、结构 和物性的研究主要完成人：解思深、李文治、潘正伟、孙连峰、 周维亚 主要贡献：定向碳纳米管的制备、结构和物性的研究，在碳纳米管的生长机理及碳纳米管的取向、直径和结构的控制生长方面，做出了开创性工作，取得了国际先进水平的研究成果，得到了国内外专家的肯定。,52,项目名称：C60的化学和物理若干基本问题研究
27、主要完成人：朱道本、李玉良、严继民、赵忠贤、徐 愉,主要贡献：C60的化学和物理基本问题研究C60的化学和物理基本问题是国际上最关注的交叉科学研究领域。C60具有完美的对称性，反映在其电子能级上具有很高的简并度，这种高度的结构对称性与分子轨道简并度结合起来，使得C60分子具有难得的氧化还原性。围绕着C60分子的电子结构及凝聚态结构和性质与性能的关系，有选择地在可能获得创新性成果的领域开展了研究。提出一些新概念、新方法，形成了自己的研究特色，获得多项在国际上有影响的研究成果。,53,项目名称：金刚石及新型碳基材料 的成核与生长主要完成人：李述汤 (香港城市大学),主要贡献：本项目对金刚石在硅衬底
28、上的形核和生长进行了系统深入的研究。主要成就概述如下： 在不同层次上模拟和突出了传统偏压辅助形核技术中离子的功能，解析了离子在金刚石形核中的作用。为此发展了三种离子辅助高质量金刚石形核方法，即：电子回旋共振微波化学气相沉积、双偏压热丝化学气相沉积和直接离子束沉积。,54,2004年国家技术发明一等奖（共2项，二等奖26项）,1、中南大学黄伯云院士等 高性能炭/炭航空制动材料的制备技术 2、西北工业大学张立同院士等 耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术,55,2006年国家自然科学奖（共2项一等奖，二等奖27项）,1、碳原子团簇的形成研究 郑兰荪等 厦门大学2、单壁和双壁碳纳米管的制备和研究 成会明等 中国科学院金属所3、碳纳米管宏观体的研究 吴德海等 清华大学,56,
