12级复合材料炭质功能材料复习提纲

炭质功能材料参考资料复合材料与工程考试形式笔试开卷考试时间和地点时间：2015年6月26日8:20--10:00地点：第二公教D105题型与分数分布简答题1.碳原子的基本结构、杂化轨道。碳原子carbon元素原子量12.011质子数6周期2族IV主族电子层分布2－42.碳的主要同素异形体、结构熔点约为3550℃（金刚石）沸点约为4827℃（升华）固态，黑色（石墨），无色（金刚石）金刚石SP3杂化石墨SP2杂化+π键富勒烯SP2+SP3杂化卡宾SP杂化+2π键种类有：炭黑，柔性石墨，块状石墨，金刚石，多孔炭，碳纤维，纳米碳纤维，纳米碳管，富勒烯，石墨烯3.纳米炭纤维纳米碳纤维：一种一维炭纳米材料，CNF在直径上要小于500nm，具有圆形截面。纳米炭纤维制备方法：化学气相沉积法（此法又分为喷淋法，基体法，等离子CVD法），静电纺丝法，固相合成法，聚合物模板法，火焰法，电弧法，聚合物共混纺丝法，水热/溶剂热法化学气相沉积法的影响因素:碳源，催化剂(大小、形状)催化助剂，反应温度与时间，基体。静电纺丝法影响因素：粘度，浓度，电压，距离，温度，湿度，喷丝方式。纳米碳纤维应用：增强材料，防静电材料，电极材料，储氢材料，催化剂载体，电子器件，，电磁屏蔽材料。4.富勒烯、纳米管、石墨烯。纳米管：制备：电弧法、激光溅射法以及化学气相沉积法（将含碳气体分解实现纳米碳管的制备，按照分级含碳气体方式的不同可分为等离子体辅助化学气相沉积法及热解法。在化学气相沉积中，必须使用催化剂，将催化剂种植于衬底上然后再沉积纳米碳管时，可以获得高度定向排列的纳米碳管CVD(ChemicalVaporDeposition,化学气相沉积），指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。经过CVD处理后，表面处理膜密着性约提高30%，防止高强力钢的弯曲，拉伸等成形时产生的刮痕。特点：沉积温度低，薄膜成份易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性，重复性好，台阶覆盖性优良。制备的必要条件1）在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；2）反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；3）沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压。富勒烯：制备示意图：原料——含富勒烯的混合物——富勒烯制备基本原理：方法一、气相碳原子——碳原子（冷却）凝结方法二、催化：有机物裂解定义：由碳原子组成的球形结构，以C60、C70为代表。C60结构：碳原子分布在球形表面，类似于足球外表，碳原子以两个单键和一个双键彼此相连接，直径0.72nm，内腔直径0.36nm，有很高对称性。分子可以形成面心立方结构。固体为深黄色。化学性质:表面分布π电子云，表现缺电子性质合成：电弧法、热蒸发法、笨燃烧法和化学气相沉积法等多孔炭材料：孔径分类微孔材料2nm，介孔材料2-50nm，大孔50nm多孔材料基本表征：孔率，孔径，比表面积。石墨烯制备：石墨法【分为机械剥离法（胶带剥离，湿法球磨），化学剥离法（石墨层间插层超声剥离）】和非石墨法【气相沉淀法，外延生长法，前驱体法】有机无机物————————5.炭黑、活性炭、石墨炭黑三个基本参数：粒度结构表面化学。生产工艺：1历史上最早的炭黑生产法是灯黑生产工艺，较宽范围的粒径分布，颗粒粗大，只有少量的表面氧化物2气黑的生产工艺，炭黑颗粒很细3炉黑生产工艺，是在缺氧条件下的密闭炉中进行的，颗粒很细活性炭原料广，成本低，工艺完整，简单，可批量生产，吸附性能好孔隙发达，比表面积大。活性的本质：固体表面对气体的吸附作用。物理吸附和化学吸附又称活性炭黑。是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。这是活性炭为疏水性吸附剂的原因。原料：几乎可以是所有富含碳的有机材料，如煤、木材、果壳、椰壳、核桃壳、杏壳、枣壳等。制备：这些含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。制备方法：模板法（软模板法，硬模板法）应用：利用先进的造孔技术将活性炭，使其具备与室内有害气体分子大小相匹配的孔隙结构，专用于吸附甲醛、苯系物、氨、氡等所有对人体有害的气体及空气中的浮游细菌。具有吸味、去毒、除臭、去湿、防霉、杀菌、净化等综合功能，有效清除室内环境污染成功应用于装修污染治理。城市污水处理。饮用水深度处理中的应用。家用：空气净化：用活性炭摆放在室内有效的吸收空气中含有的甲醛\二甲苯等500-2000°C2000-3000°C炭石墨制备提取有害物质（特别是新装修的房子），家具去异味：活性炭可适用于新买的家具放于橱柜\抽屉\冰箱中.也可放在鞋子里面除臭味.汽车除味：新车一般都含有很多的有害物质\难闻刺鼻的气味，用活性炭可以有效的去石墨理论密度2.26.但是一般小于1.9原料：针状焦，沥青焦，石油焦，天然石墨。熔点高，表面活性大，坑辐射好，润滑性，耐高温，各向异性，热导率高，沿石墨层间排布抢的高，模量高。热膨胀系数小。柔性石墨又称膨胀石墨，是由酸等物质插入石墨层面后，在高温快速分解，膨胀数百倍。所谓炭和石墨的区别，就是材料中碳原子趋向理想石墨结构的程度6炭纤维制备过程（聚丙烯腈/沥青）炭纤维（含碳量90%以上）：沥青基炭纤维，聚丙烯腈基炭纤维，黏胶基炭纤维，气相生长炭纤维，酚醛炭纤维。炭纤维表面处理方法：阳极氧化，气相氧化，等离子体氧化，液相氧化，涂层法。A．聚丙烯腈基炭纤维（PAN炭纤维）制备过程：丙烯腈+共聚单体——聚丙烯腈——纺丝用聚丙烯腈——PAN原丝——预氧丝——炭纤维——石墨纤维——表面处理与上浆-收丝PAN炭纤维性质和结构特点：沿轴向高度取向，高比强度和比模量，低热膨胀B．沥青基炭纤维：分为通用型沥青基碳纤维(各向同性沥青炭纤维)和高性能沥青基碳纤维(中间相沥青炭纤维、各向异性沥青炭纤维)两种沥青原料：煤焦油沥青，石油沥青，高分子沥青制备过程:原料沥青沥青熔化处理-沥青过滤-沉降法或热滤法的调制-熔喷法或熔纺法纺丝-不熔化处理-炭化-石墨化处理-表面处理与上浆-收丝不熔化：使沥青分子交联。炭化：使非碳原子逸出。石墨化：提高碳原子的取向度。7炭纤维复合材料主要特点、应用炭纤维复合材料特点：密度低，强度高，模量高，耐高温，导热好，低热膨胀系数，抗疲劳性好，减震性好种类：炭纤维—树脂，炭纤维—炭，炭纤维—陶瓷，炭纤维—金属等炭纤维复合材料的应用(1)宇航工业：导弹防热及结构材料、火箭喷管、航天飞机机头(2)航空工业用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体。以及一些次承力结构材料(3)交通运输用作汽车传动轴、构架等;船舶和海洋工程用作制造渔船、快艇，赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、雷达罩、深海油田的升降器和管道。(4)运动器材用作网球、羽毛球、棒球、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板等。(5)土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、管道、海洋浮杆。(6)其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐聚合精制溶液纺丝预氧化碳化石墨化