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1.碳：
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物理性质：碳（carbon）是一种非金属元素，化学符号：C 元素原子量：12.011 质子数：6 原子序数：6 周期：2 族：IVA电子构型：1s22s22p2电子在每能级的排布： 2，4熔点：约为3550 ℃（金刚石）沸点：约为4827 ℃（升华）颜色和外表：黑色（石墨）， 无色（金刚石）
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12C和13C为稳定同位素同位素：自然产生的碳由三种同位素组成：（碳-12占地球上碳的98.93%，
而碳-13则占剩余的1.07%，13C、14C常用作示踪剂，生物体中12C同位素的比率更高，因为
生物化学反应会选择性地消除13C，而核磁共振所探测的是13C），而14C则具放射性，其半衰期约为5,730年，是少数几个自远古就被发现的元素之一，是构成碳基生物的最基本元素，可测量年龄在4万年以下的含碳物质（年代测定、生物遗体遗骸）。碳有15种已知同位素，其中存活时间最短的是8C，它会进行质子发射和α衰变，半衰期为1.98739x10?21秒。 ?
成键：碳原子一般是四价的，这就需要4个单电子，但是其基态只有2个单电子，所以成键时总是要进行杂化。最常见的杂化方式是sp3杂化，4个价电子被充分利用，平均分布在4个轨道里，属于等性杂化。这种结构完全对称，成键以后是稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。金刚石中所有碳原子都是这种以此种杂化方式成键。烷烃的碳原子也属于此类。 ?
1金刚石：是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质，可作为工艺品和同素异形体：○
2石墨：一种最软的矿物，可用于制造铅笔芯和润滑剂；○3石墨烯（单原子工业中的切割工具；○
层石墨）是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，很可能会成为硅的替代品，也非常适合作为透明电子产品的原料；
4富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯）○：富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只
有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。富勒烯类化合物在抗HIV、酶活性抑制、切割DNA、光动力学治疗等方面有
5无定形碳独特的功效；○（Amorphous，内部结构是石墨）：
一般指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。除骨炭含碳在10%左右以外，其余主要成分都是单质碳。用途极为
6碳纳米管（carbon nanotubes，巴基管）广泛，日常生活和工农业生产中常用到无定形碳；○：
一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。 ?
单质：最常见的两种单质是高硬度的钻石和柔软滑腻的石墨，它们晶体结构和键型都不同。金
刚石每个碳都是四面体4配位，类似脂肪族化合物；石墨每个碳都是三角形3配位，可以看作无限个苯环稠合起来。
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1在氧气中燃烧剧烈放热，发出刺眼白光，产生无色无味能使氢氧化钙? 化学性质：○
溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体，化学方程式： C+O2==点燃==CO2
2在空气中燃烧放热，持续红热，产生无色无臭能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）○
变浑浊的气体CO2；当燃烧不充分，即氧气量不足时，产生一氧化碳： 氧气充足时化学方程式：C+O2==点燃==CO2 氧气不足时化学方程式：2C+O2==点燃==2CO
3作为还原剂：碳作为还原剂拥有和氢气、一氧化碳相似的化学性质（但生成物不○
同），都可以从金属氧化物中还原出金属单质。 碳还原氧化铜：C+2CuO==高温==2Cu+CO2↑ 碳还原氧化铁：3C+2Fe2O3==高温==4Fe+3CO2↑ 碳还原二氧化碳：C+CO2==高温==2CO。
与强氧化性酸反应：C+2H2SO4（浓）==加热==CO2↑+2SO2↑+2H2O
C+4HNO3（浓）==加热==CO2↑4NO2↑+2H2O
4稳定性：碳在“常温”下具有稳定性，不易反应，故古代名画现代能保存，书写○
档案要用碳素墨水。
2.炭材料：
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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。
品种：广义上看，金刚石、石墨、卡宾都属于炭材料，这是一个广义的定义，但由于金刚石和卡宾在自然界存在非常少，结构也单一，不像石墨那样具有众多的过渡态中间结构（如焦炭、碳纤维、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。 ?
性质：和金属一样具有导电性（介于金属和半导体之间）、导热性；和陶瓷一样耐高温、热膨胀系数低（金属的1/10左右）、耐腐蚀；和有机高分子一样质量轻，密度低1.6-2.0，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。 ?
应用：I.机械工业：轴承、密封元件、制动元件等；
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II.电子工业：电极、电波屏蔽、电子元件等； III.电器工业：电刷，集电体、触点等； IV.航空航天：结构材料，绝热、耐烧蚀材料等； V.核能工业：反射材料，屏蔽材料等；
VI.冶金工业：电极，发热元件，坩锅、模具等； VII.化学工业：化工设备，过滤器等； VIII.体育器材：球杆，球拍，自行车等
3.炭材料制备工艺：
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气相碳化：通过气相裂解生成碳的物质。一切气态原料转化成固体碳的过程，即挥发先于热解的化合物、碳原子数在20个以下的链烷烃、烯烃或芳烃化合物，通常具有200℃以下的沸点，在通常情况下于气相中进行炭化。主要包括：1）气态烃高温下在惰性固体表面的沉炭反应；2）烃类在无氧和有氧热解条件下气相成核和多分散炭黑的形成；3）在活性金属质点存在下气态烃类经催化分解而生成纤维状炭 ?
液相碳化：经熔化、液相碳化（聚合、缩聚）、裂解等过程生成的碳。热解先于挥发的液体或高温下熔融的固体烃类有机物在惰性气氛中热解时，一般经历液相炭化成炭，其温度范围一般在350-550℃，主要对象为重质稠环芳烃，如沥青、渣油、蒽、萘等的热解。包括1）氢转移反应： 液相反应温度比气相低得多，从能量观点看，芳烃本身很难在500℃以下均裂成自由基。但是，由电子迁移引起的离子化反应即芳烃间相互作用所诱发的氢转移，氢阴离子向电子迁移后具有正电荷的芳核转移所需要的能量更低。热转化时，分子的氢转移是反应的重要因素；2）自由基反应：是液相炭化中最主要的反应。分两阶段进行：通过化学电子转移产生一自由基离子—σ自由基。它极不稳定，反应性强，寿命短；稳定的π自由基缩聚物在反应的第二阶段形成，由于离域性，被共振稳定化，可由ESR测定；3）增环反应。 ?
固相碳化：经固态转化成碳的过程。固态的炭化反应物不经气相或液相而直接于固态发生分解和热缩聚反应，变成固态炭化生成物的过程，成为固相炭化。其特征为1）原始固态物的形态和结构基本确定了最终炭的形态和结构；2）由固相炭化一般得到无择优取向的难石墨化性炭前驱体，炭化条件难以改变原料炭的本性；3）如果将炭化分子进行预处理，使之具有高度的择优取向，虽然其石墨化性本质不变，但反应后的芳构平面有时也会具有取向性，也可以经过固相反应得到易石墨化性炭。
4.催化剂在炭材料制备中的作用：定向合成，优化结构。
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化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）：利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。化学气相沉积技术是应用气态物质在固体上阐述化学反应并产生固态沉积物的一种工艺，它大致包含三步：（1）形成挥发性物质 ；（2）把上述物质转移至沉积区域 ；（3）在固体上产生化学反应并产生固态物质 。其特点为1）在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。2）可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好）。3）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。4）涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。5）可以控制涂层的密度和涂层纯度。6）绕镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。7）沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。8）可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。
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5.炭和石墨的区别：材料中碳原子趋向理想石墨结构的程度不同。 500-2200°C 有机物或无机物 2000-3000°C 炭 金属钠。
石墨 6.炭-石墨材料的种类：
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1电解：电极材料：○石墨电极，可用于电解食盐水溶液生产烧碱和通过熔融盐电解法制造金属镁、
2加热：炭电阻棒以沥青焦为原料。主要用于竖式电阻炉生产氯化镁时作发热体和填充材料。 ○
? 结构材料：炭纤维复合材料：由于优良的导热耐热和力学性能，它可以作为火箭常用的结构材料，以及制作高纯金属、半导体材料、稀有金属时所需的器件；具有石墨的润滑性，可作为摩擦滑动材料，制作轴承和齿轮，实现无油润滑；其具有减速能力强、吸收中子小、化学稳定性高、耐大量中子及其它射线长期作用的特点，是核反应堆的重要结构材料。
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吸附材料：活性炭（详见12-）
散热材料：高导热石墨材料：可制作热交换器、反应槽、吸收塔、气体燃烧塔、盐酸合成炉、石墨离心泵、喷射泵以及各种管道和接头。
1热：1）高炉炭块用冶金焦及无烟煤作为原料，制品在1200℃左右焙烧而成。常用功能材料：○
于砌筑大型高炉炉底、炉缸、炉腹和炉身。加入少量石墨化冶金焦或碎石墨，可提高炭块导热率。2）炭电阻棒以沥青焦为原料。主要用于竖式电阻炉生产氯化镁时作发热体和填充材料；
2电：○1）炭电极是以无烟煤和冶金焦为主要原料（有时也用石油焦和沥青焦）生产的导电材料。
2）炭阳极又称为预焙阳极，主要以石油焦和沥青焦作为原料，在铝电解槽中作为阳极导电材料。在电解过程中，既作导电体，同时参加电化学反应。3）炭电极糊供给铁合金炉，生产电石和黄磷的电炉作为消耗性导电材料用，是一种自焙电极（通过电炉自发热实现焙烧）。4）阳极糊也属于自焙烧电极，供铝电解槽作为阳极导电材料。阳极糊烧成后的炭电极除导电外还参与电解反应。5）高功率和超高功率石墨电极用于大功率、高电压和短电弧的高功率和超高功率电炉
3核：炭纤维复合材料具有减速能力强、吸收中子小、化学稳定性高、耐大量中子及其它射线长○
期作用的特点，是核反应堆的重要结构材料；
4生物：良好的生物相容性和生物稳定性，可制作人造心脏瓣膜、生体修补膜、人造器官、医疗○
器械等。 ?
1炭黑（详见11）2柔性石墨：柔性石墨有疏水性和亲油性,可以在水中有选择性地其他材料：○；○
除去非水性的溶液；密封材料；石墨有良好的生物相容性、无毒、无味、无副作用等特点,是一类非常重要的生物医学材料，可作为性能优良的创面外用敷料,可以替代常规的纱布敷料,用于烧伤等创面效果很好；高能电池材料，制作柔性电池；石墨丰富的孔隙结构、高导热性能可以作为相变储热材料；柔性石墨的细颗粒加入到普通涂料中,可制得效果较好的阻燃防静电涂料；柔性石墨板材具有良好的导电导热性能,电热转换率97%以上,且能产生远红外线,是一种新型发热材料；遮蔽效果优于现役毫米波干扰剂，是一种高效可靠的新型雷达遮蔽剂,在电子对抗领域有着广阔的应用前景；高性能光催化材料。
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7.有机高分子前驱体转化的基本工艺：粘胶基、聚丙烯腈基（PAN）、沥青基木
质素纤维基沥青 交联 800-1600°C >2200°C 有机前躯体 精制 纺丝原料 纺丝成纤 原丝（纤维） 不熔（溶）纤维 炭化 碳纤维 石墨化 石墨纤维 上浆 表面处理 8.炭-石墨材料的应用：
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结构材料：利用轻和高模量、耐高温（惰性气体）的特点
1. 碳纤维增强复合材料（树脂、炭、金属、陶瓷等）：飞机、导弹、卫星、武器、体育器材（球
拍、自行车）
2. 高温环境下的制品：坩埚、容器 ?
其余见6
9.新型炭材料：
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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。
10.石墨（元素碳的一种同素异形体，每个碳原子
的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子）： ?
SP2杂化轨道，2S2Px2Py三个在同一平面内互为120℃角的三个等价的σ键，剩余的2Pz轨道与σ键所在的平面垂直形成π键；π电子属非定域电子，在受到外电磁场作用时可在六元环网上自由运动，形成金属键；π键较弱，易发生断裂。存在两种晶系，六方晶系和菱形晶系。 ? ?
特性：1）不熔融和极高的化学稳定性，α面内抗拉强度极高； 2）导电导热性好，黑色；3）解离性和自润滑性，易形成层间化合物；4）各向异性。
用途：1.作耐火材料：石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚。
2．作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫
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炭质功能材料
