【炭材料】
拼译：carbon material
是一种既古老又新颖的材料，它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。同时还具有比模量、比强度高，振动衰减率大以及生体适应性、滑动性和减速中子等性能，这些都是金属、陶瓷、有机高分子3大固体材料所不具备的，因此被认为是人类必须的第4类原材料。
人们很早就将木炭、煤、炭黑等用作燃料或染色料，用焦炭作还原剂冶炼金属，其后又用粘结焦炭的成型技术和高温处理的石墨化技术制成了各种电极、块状石墨、机械密封件及轴承等特殊机械部件、高温结构部件及耐火材料和原子反应堆用石墨等。这类炭材料给人们的总印象是“重厚长大”，是易污染环境的黑色物质。20世纪50年代以来人们陆续地开发了3类新型炭材料：(1)强度在100MPa以上，模量在10GPa以上，不必经后加工直接制造的炭成型物；(2)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；(3)基本上利用碳结构的特征，由单质碳或其插层及渗入化合物形成的各种功能材料。它们多是“轻薄短小”，不会造成任何污染的精细产品，并已在航空、航天、导弹、民用工业建筑、生体及文体用品等各个领域得到广泛应用。碳原子的外层电子可通过s p 3、s p 2和s p 3种方式杂化形成σ键和π键。饱和有机化合物中碳原子都是以s p 3形成的4个σ键键合；乙烯、苯之类有双键的化合物，其碳原子以s p 2形成3个σ键和一个π键，乙炔类三键化合物中碳原子则是以s p成键，形成两个σ键和两个π键。碳原子分别按上述3种典型键合方式形成的单质碳则为金刚石、石墨和卡宾。1985年以来又发现sp2杂化的碳原子还可形成足球状C60、C70、C76、C84……等笼形分子，它们被统称为布基球类富勒烯纯碳分子系列。碳原子键合方式的不同形成不同的同素异形体，加之分子结构类型、微晶取向以及其宏观形态的差别，导致单一碳元素可形成外观千变万化，性能多种多样，用途无穷无尽的制品。各种碳的同素异形体在空气中于350℃以上都会不同程度地氧化，常压下在隔绝空气或惰性气氛中，它们在高温下也不会熔融，只是在3800℃以上不经液相直接升华。因此各种形态的炭制品不可能由天然石墨等纯碳物质来直接制造。传统的电极等人造炭、石墨材料多是由焦炭或石墨粉由沥青之类的粘结剂粘合成型后经烧结炭化而成。新型炭材料则大多是由有机化合物通过气相、液相或固相炭化来得到，在高温高压或高能激发态条件下也可使炭的结构和形态发生转化。沸点在200℃以下，碳原子数1～20的有机物和一氧化碳都可经气相形成炭，通过外部条件的选择可控制形成炭的结构和类型。当反应区间无界面时，有机物热解，自由基相互结合作为凝聚体在800℃以上时能迅速生成炭黑。当反应区有高温界面时就在界面上进行化学气相淀积，生成热解炭或石墨。当用铁、钴、镍等金属的超微粒子作催化剂时可形成气相生长炭纤维。当以某种手段使反应气体保持在激发状态，气体分子或原子处于所谓非平衡状态时就能形成炭膜。在较低能量的等离子体中化学气相淀积形成的膜，其s p 2碳大致与s p 2碳相等，高能激发态下则s p 2＜＜s p 3。如果原料气中添加大量氢则由于氢的刻蚀作用可使SP2碳消除，择优生成SP3碳，即形成类金刚石薄膜。挥发的液体或高温下熔融的固态有机物在惰性气氛中热解时首先释放出低分子化合物和氢气，经过一系列反应最终形成黑色稠状沥青。在进一步加热时沥青中稠环芳烃增多，由于分子间范德华力而相互缔合，进一步缩聚成更大分子，最终转化为表面积呈最小的圆球形。它们是沥青转化为炭的中间物质，故被称为碳质中间相或碳质球晶。随炭化进一步深化，碳质球晶长大，相互溶并形成更大的复球，这样反复多次最终通过整体中间相转化而成为炭前驱体。这类前驱体在偏光显微镜下观察到的光学各向异性大小既表征了液相炭化反应的状况，也决定了其进一步利用的方向，若为流态结构则能形成各向异性发达的易石墨化炭，若为细镶嵌结构则形成各向同性的难石墨化炭。在制造针状焦和高性能沥青炭纤维时，炭前驱体的各向异性发达是其先决条件。决定炭前驱体结构的因素是液相炭化过程中炭质中间相的形成及其发育，这可通过原料选择和改性及物理和化学方法控制反应系统的温度及粘度来达到。固相炭化时原始聚合物或成型体的结构和形态基本上确定了其最终炭的结构和形态。因此，为获取高强度高模量炭纤维，聚丙烯腈原丝和沥青纤维中杂质、裂纹必须尽可能避免，形成的炭层面应沿纤维轴择优取向。同样，用类似塑料成型方法制取的先进类玻璃炭，其研究重点也在于炭前驱体的制备。一般说来，固相炭化很难通过简单地改变炭化条件的办法改变原料性质所决定的炭结构。表1 新产品的特性及用途
(中国科学院山西煤炭化学研究所王茂章研究员撰)