《新型碳材料》选修课思考题

《新型炭材料》思考题第一章1．碳原子有哪些价键形式？各有什么特点？其代表性物质是什么？2．石墨有哪些结构特点？这些特点与石墨的耐热性、导电导热性和自润滑性有什么联系？答:石墨的4个L层电子中的3个在同一平面与邻接的。电子以共价键结合，形成六角网平面，剩下的一个电子与平面呈垂直方向取向形成的π轨道。六角网平面之间通过π电子相互作用形成兀键较弱的键合，这种较弱的键合被认为是范德华力，因此，石墨具有层状结构，显各项异性。3.造成炭材料结构多样性的原因有哪些，它们是如何影响炭材料结构的？4.炭材料的基本结构参数有哪些，各代表了什么物理意义？5.石墨微晶在炭材料中的取向有哪些基本形式？炭材料中石墨微晶的取向形式与取向程度与哪些因素有关，它们是如何影响的？石墨微晶的取向对炭材料的宏观性能有哪些影响？6.采用X射线衍射技术可以测定炭材料的那些基本结构参数？7.易石墨化炭和难石墨化炭在结构和性能上有什么区别？8.有机物向炭转化有哪几种途径？各有什么特点？1)气相炭化。特点:炭化温度高，炭化时间短，产物易石墨化。2)液相炭化。特点:液相炭化常在低于500℃下进行。一方面热解生成低分子化合物，一方面在液相中发生芳构化合缩聚反应;随着温度升高，在由液态到固态的转变过程中，需经过中间相，产物易石墨化;添加硫或在氯气中反应时，由于发生急剧的氧化反应和交联，或存在特殊催化剂时，往往不经过中间相而形成无定形炭，这种炭一般难以石墨化。3)固相炭化。特点:固相碳化温度较高，碳化时间长，产物长保留原料的原始外形和显微结构且难石墨化;由于固相碳化时缩合碳网结构不可能像液相炭化时那样可以自由取向，碳网结构常呈无序排列，所以往往形成难石墨化炭。9.简述沥青中间相的生成过程。答:线状分子一环化—环状分子—芳构化—芳香性分子—聚合—一多环芳烃—叠合—成核—生长—中间相小球—融并—中间相大球—解体—中间相沥青10.简述沥青中间相小球体的结构和性质？11.在石墨化过程中，炭材料的结构和性能有哪些变化？12.催化石墨化可分为几种类型？各有什么特点？13.催化石墨化机理有哪些？简述其基本原理。14.石墨的电子结构有哪些特点？答:同一平面内相邻的三个碳原子的西格玛电子各自形成共价键结合的强六角网面，剩下的2p轨道中的一个电子在垂直于六角网面上下伸展进入p轨道。同样与平面内相邻碳原子在π轨道的电子相结合，形成加入西格玛键的芳香型双键。15.什么叫磁致电阻？石墨产生磁致电阻的原因是什么？16.试从微观结构上分析炭石墨材料具有高导电性的原因。17.影响炭石墨材料导电性的结构因素有哪些？18.石墨（包括多晶石墨）的热导率有哪些特点？19.试从微观结构上分析炭石墨材料具有高耐热性的原因。20.炭石墨材料的低温热容有哪些规律？为什么其与温度的关系不同于德拜定律？21.石墨晶体在400℃以下出现负的热膨胀系数的原因是什么？22.单晶石墨沿层面方向和垂直层面方向的弹性模量分别是多少？产生这种差异的原因是什么？23.试根据单晶石墨沿层面方向和垂直层面方向的弹性模量，按照混合规则估算各向同性石墨材料的弹性模量。24.各向同性石墨材料的弹性模量仅为8～12GPa，远低于其预测值，这是什么原因造成的?25.多晶石墨存在非弹性形变的原因是什么？26.影响炭石墨材料强度的结构因素有哪些，它们是如何影响的？27.为什么炭石墨材料的实际强度远远低于其理论强度？28.试从微观结构上分析提高炭石墨材料强度有哪些途径？29.提高炭石墨材料抗氧化性的途径有哪些？30.炭与O2、CO2和H2的相对反应速度如何？31.炭石墨材料的液相氧化与气相氧化有什么区别？32.炭的表面存在哪些含氧官能团？举例说明表面含氧官能团对活性炭吸附性能的影响。33.测定炭材料表面含氧官能团的方法有哪些？各有什么优缺点?34.试分析石墨具有自润滑性的原因。减少石墨摩擦损耗的途径有哪些？第二章1.按原料的不同，炭纤维可以分为哪几类？各有什么特点？2.炭纤维的结构随热处理温度的升高将如何变化？它对炭纤维的性能会带来什么影响？3.影响炭纤维弹性模量的结构和工艺因素有哪些？如何通过控制结构和控制工艺条件提高炭纤维的弹性模量？4.影响炭纤维抗拉强度的结构和工艺因素因素有哪些？如何通过控制结构和工艺条件提高炭纤维的抗拉强度？5.简述生产聚丙烯腈基炭纤维的工艺流程及主要工艺参数。6.炭纤维增强树脂复合材料的成型方法有哪些，各有什么特点？7.制备炭纤维增强树脂复合材料时，通常先要对炭纤维进行表面处理，其目的是什么？8.简述CVD法制备C/C复合材料的工艺过程，试说明它与沥青浸渍炭化法制备的C/C复合材料在抗氧化性方面的差异及其产生的原因。9.简述人造石墨材料的生产工序及主要工艺参数。10.为什么生产各向同性石墨通常采用等静压成型法？11.采用串接石墨化工艺需解决哪些关键技术问题？12.试根据石墨电极的使用工况阐述石墨电极应具有哪些特性？13.与普通炭石墨材料相比，高密度各向同性炭石墨材料有哪些特点？14.制备高密度炭石墨材料时通常可采取哪些工艺措施？为什么？15.玻璃炭的生产工艺中影响产品性能的因素有哪些，它们是如何影响产品性能的？16.玻璃炭是如何制备的？与普通炭石墨材料相比，其制备工艺的主要差别是什么？17.要获得各向同性的炭材料，在制备工艺上要采取哪些措施？18.为了减小炭石墨材料的各向异性，通常可采取哪些工艺措施？为什么？19.高定向石墨材料在结构上有什么特点？如何用X射线衍射表征其结构？20.试比较HOPG和PFGB的制备工艺的优点和缺点。21.多孔炭的孔径范围是如何划分的，孔径不同的孔各有什么作用？22.多孔炭的比表面积、孔径及其分布采用什么方法测定？23.多孔炭的吸附等温线有什么特点？24.简述炭黑的几种主要制造方法。25.简述炭黑的基本特性。26.简述炭黑的主要用途。27.简述临界纤维长度的物理意义。28.简述炭纤维/金属复合材料的制备方法和基本特性。29.简述炭纤维在陶瓷基体中的增韧机理。30.如何计算石墨层间化合物的层间重复周期？31.石墨层间化合物是如何分类的，各类石墨层间化合物具有什么特点？32.石墨层间化合物有哪些结构特征？33.石墨层间化合物的a轴方向的电导率通常都高于原石墨，试分析其原因。34.简述石墨层间化合物的制备方法及其各种方法的优点和缺点。第三章1.按使用功率的不同，石墨电极可以分为几种，各有什么特点？2.电炉炼钢中电极的消耗可分为几类，如何通过提高电极性能减少消耗？3.石墨用作核反应堆材料主要有哪些作用？4.试以高温气冷堆为例简述核反应堆对石墨材料有哪些性能要求？5.航天器对C/C复合材料有哪些性能要求？6.如何提高C/C复合材料的抗氧化性？7.简述电刷的作用、分类、各类电刷的特点及制备工艺？8.简述电刷的主要性能及要求？9.简述炭分散系导电塑料的特性、制备工艺及应用领域。10.简述双电层电容器的工作原理。双电层电容器对多孔炭电极材料有哪些结构和性能要求？11.简述锂离子电池的工作原理。锂离子电池对石墨负极材料有哪些结构和性能要求？12.简述燃料电池的工作原理。燃料电池对石墨双极板材料有哪些结构和性能要求？13.炭石墨用作生物材料有哪些重要特性？已开发的炭石墨生物材料有哪些？14.炭石墨材料在生物和医疗技术领域有哪些重要的应用前景？15.简述炭纤维在土木建筑工程中的应用。16.简述炭纤维增强水泥的特性及制备工艺。17.简述活性炭在废气处理和挥发性气体回收方面的应用。18.简述活性炭在废水处理和净化方面的应用。