超全解析:锂电池碳材料详解

碳,乃生命之源,它是地球上一切有机体生物的骨架元素,是构成人体最重要的元素。
锂电池碳材料
而且,“碳”
既是最硬又是最软的材料,
既是绝缘体又是导电体,
既是隔热材料又是导热材料,
既是全吸光材料又是全透光材料。

碳的性能,
是不是很多元化?
为了更全面的了解它,
大家先从碳材料的发展史开始吧。


碳材料发展简史
A brief history of carbon materials science
碳材料发展简史
看看碳的发展史有没有觉得它离大家真的很近,低调的服务于生活的方方面面。

从最贴近大家的生活领域,到科技前沿的航空航天、核工业;从人类的生存中作为热能来源的木炭,到表达爱意浓浓的炫亮钻石;从开启人类文明用来书写的墨汁;到远征宇宙的碳纳米管“天梯”。

这,都是“碳”性能展现的不同状态,这些多元化的性能,也使得科学家为之着迷,对“碳”的研究也成为了他们永不放弃的课题。


【碳材料发展史】

生活用炭
Carbon in Life

主要以木炭、煤炭、墨的形式

被用作取暖、烹饪和文字记录等。
生活用炭

木炭
木炭
木炭(charcoal)是木材或木质原料经过不完全燃烧,或者在隔绝空气的条件下热解,所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料。

应用
  人们是从什么时候开始使用炭的虽然并不十分清楚,但如说人们发明取火的同时就与炭产生了联系的看法应该说是妥当的。
木炭是保持木材原来构造和孔内残留焦油的不纯的无定形碳。中国商代的青铜器和春秋战国时代铁器的冶炼都用木炭,利用其吸湿性来观测气候变化等。

  燃料,电炉冶炼的还原剂,金属精制时用作覆盖剂保护金属不被氧化。

  在化学工业上常作二硫化碳和活性炭等的原料。用作饼干厂、冶炼厂等的燃料,也用于水的过滤、液体的脱色和制备黑色火药等。还在研磨、绘画、化妆、医药、火药、渗碳、粉末合金等各方面应用。

产品分类

  木炭产品主要分为白炭、黑炭、活性炭、机制炭等四大类。

①白炭

  特点:优点燃烧时间长,不冒烟,无污染,比重大,敲击有金属钢音;缺点受潮易发爆(燃烧时发出噼里啪啦的声音,并有火星飞溅伤人)、价格昂贵等。

②黑炭

  特点:优点易点燃;缺点易发爆、不耐烧、燃烧时有烟等。

③活性炭

  活性炭可以说是木炭的深加工。主要产在我国南方福建、浙江一带,他是把木炭利用氯化锌、磷酸、硫化钾和白云石等化学物品活化、漂洗、干燥、粉碎加工而成的,其生产过程对水污染比较严重,国家一般限制生产。

④机制炭

  机制炭作为传统木炭(传统木炭:以树木为原料,烧制而成,是一种毁坏资源的产业,已被国家所禁止)的替代产品,它有燃烧时间长、热值高、不冒烟、不发爆、环保等多种优点。


煤炭
煤炭
  煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。是一种固体可燃有机岩,主要由植物遗体经生物化学作用,埋藏后再经地质作用转变而成,俗称煤炭。煤炭被人们誉为黑色的金子,工业的食粮,它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。

应用

  虽然煤炭的重要位置已被石油所替代,但在相当长的一段时间内,由于石油的日渐枯竭,导致它必然走向衰败,而煤炭因储量巨大,加之科学技术的飞速发展,煤炭汽化等新技术日趋成熟,并得到广泛应用,煤炭必将成为人类生产生活中的无法替代的能源之一。

  煤炭的用途十分广泛,可以根据其使用目的总结为三大主要用途:(1)动力煤,(2)炼焦煤,(3)煤化工用煤,主要包括气化用煤,低温干馏用煤,加氢液化用煤等。

产品分类

煤炭是世界上分布最广阔的化石能资源,主要分为烟煤和无烟煤、次烟煤和褐煤等四类。



  墨是中国古代书写和绘画用到的墨锭。墨的主要原料是炭黑、松烟、胶等,是碳元素以非晶质型态的存在。通过砚用水研磨可以产生用于毛笔书写的墨汁,在水中以胶体的溶液存在。

【碳材料发展史】

传统工业用炭
Carbon in Traditional Industries

主要以电极、炭黑、电刷的形式

被用作冶金、橡胶轮胎、电动机械等领域。
传统工业用炭

焦炭炼铁
焦炭炼铁
  焦炭一种固体燃料,质硬、多孔、发热量高、用煤高温干馏而成,多用于炼铁。焦碳通常按用途分为冶金焦(包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等)、气化焦和电石用焦等。

 应用
  针对从17世纪到18世纪木炭资源缺乏的实际情况,提出了新炭材料资源即利用煤的要求,有数代先驱者开始了煤炭炼铁的实验。
  焦炭的生产在18世纪末取得较大进步,蜂巢式焦炉替代了以前生产木炭式的窑,焦炭的质量取得了决定性的改善。
  最初焦炭的使用仅限于生产生铁,1783年H.Cort和P.Onions独立地研究用焦炭把生铁炼成钢,而发明了搅拌(Paddling)型炉并应用。这是一种将反射炉中熔融的铁水用铁棒不断搅拌,让碳及其它杂质燃烧逸出,把生铁完全变成柔韧钢锭的方法。
  H.Cort把小块煅钢放在带槽的压延机加工,得到了典型的具有纤维状组织、耐腐蚀的优质锻造钢。这项发明使Cort成为近代压延机之父。此外,这种方法提供的钢是液态的,把钢水倒入铸模就可以成为铸钢。这就给铁冶金工业所有的工序带来影响。
  针对从17世纪到18世纪木炭资源缺乏的实际情况,提出了新炭材料资源即利用煤的要求,有数代先驱者开始了煤炭炼铁的实验。
 产品分类 
气化焦
  是专用于生产煤气的焦碳。主要用于固态排渣焦碳的固定床煤气发生炉内,作为气化原料,生产以CO和H2为可燃成分的煤气。
电石焦
  电石用焦是在生产电石的电弧炉中作导电体和发热体用的焦碳。电石用焦加入电弧炉中,在电弧热和电阻热的高温(1800-2200℃)作用下,和石灰发生复杂的反应,生成熔融状态的炭化钙(电石)。
铁合金焦
  铁合金焦是用于矿热炉冶炼铁合金的焦碳。铁合金焦在矿热炉中作为固态还原剂参与还原反应,反应主要在炉子中下部的高温区进行。以冶炼归铁合金为例,其反应式为SiO2(液)+2C(固)=Si(液)+2CO(气),随着反应的进行,焦碳中的固定碳不断消耗,主要以CO形式从炉顶逸出。焦碳灰粉中的三氧化二铝(Al2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)和五氧化二磷(P2O5)等,部分或大部分被还原出来,进入合金中;未参加反应的部分进入炉渣。焦碳中的硫和硅生成硫化硅和二硫化硅后挥发掉。冶炼不同品种的铁合金,对焦碳质量的要求不一,生产硅铁合金时对焦碳质量要求最高,所以能满足硅铁合金生产的铁合金焦,一般也能满足其他铁合金生产的要求。


石墨电极

  石墨电极,主要以石油焦、针状焦为原料,煤沥青作结合剂,经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成,是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体,根据其质量指标高低,可分为普通功率、高功率和超高功率。

电炉炼钢用电极 
电炉炼钢用电极
  电炉炼钢用电极不但用于电弧而且也在炉外精炼的LF(Ladle Furnace)使用。当初的LF是单纯对钢脱氧时温度下降而进行温度补偿设置的。LF具有温度补偿,又可向钢包中添加还原剂,使钢种扩大,质量改善,合格率上升,也是实现连铸配合不可缺少的设备。
电极的使用环境

  电弧炉中使用的炼钢用电极的作用是让铁屑和电极间产生电弧。炉内温度超过1500 ℃,弧端温度在3500℃以上,因此作为电极材料不但要具有导电性,还要具有在高温下不熔融变形,保持一定的机械强度。人造石墨电极因符合上述条件而成为唯一的实用材料。
  电极消耗分正常的连续消耗和异常的不连续消耗,后者是脱落或折损消耗。
  电极前端部因产生电弧局部加热而受到很大的热应力,产生掉块。另外在追加铁屑,再通电时的急冷急热,大电流通过时电极内部的温度差,由此产生的径向环应力和剪切应力使电极产生裂纹,在电极前端部的连接处,常发生脱落或掉块折损。
  电极从机械作用角度讲也是在过酷条件下使用。铁屑崩塌对电极的冲击很大,常常造成电极卡箍下链接接头最大径附近或孔底处折断。
  熔解末期是超过1500℃的高温,吹氧精炼或流入的空气使炉内成为氧化性气氛,在这样环境下,电极侧部会连续消耗。
  此外,电极端部会由于电弧热升华,会因与炉渣或熔钢接触而遭侵蚀。
 今后的方向 
  1990年以来,日本直流电弧炉发展迅速,100吨以上的大型炉不断投产。
  交流电弧炉为降低闪烁,增大有效功率,降低电极消耗,也在稳步地向追加电抗器的电弧炉转换。
  这样的背景下,日本国内在实施了夜间操作的基本体制下生产率提高,对各种消耗要求进一步降低。这样一来,就要求电极能提高耐折损性和耐剥落性,抑制氧化。
 抗氧化涂层石墨电极 
  表面涂覆一层抗氧化保护层(石墨电极抗氧化剂)的石墨电极。形成既能导电又耐高温氧化的保护层,降低炼钢时的电极消耗(19%~50%),延长电极的使用寿命(22%~60%),降低电极的电能消耗。
① 石墨电极单位消耗的较少,生产成本有一定的降低。
② 石墨电极所耗电能较少,节约单位炼钢电消耗量,节约了生产成本,节能。
③ 由于石墨电极换次数较少,就较少了操作工人劳动量和危险系数,提高了生产效率。
④ 石墨电极是低消耗和低污染产品,在节能减排环保提倡的今天,具有非常重要的社会意义。
  这种技术在国内尚处于研究开发阶段,也有些国内厂家也开始生产。在日本等发达国家有得到比较广泛的应用。目前国内也出现了专门进口这种抗氧化保护涂层的企业。
 产品分类 
普通功率石墨电极
  允许使用电流密度低于 17A/厘米2的石墨电极,主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。
高功率石墨电极
  允许使用电流密度为18~25A/厘米2的石墨电极,主要用于炼钢的高功率电弧炉。
超高功率石墨电极
  允许使用电流密度大于 25A/厘米2的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。

碳刷
  碳刷(Carbon brush)也叫电刷,作为一种滑动接触件,在许多电气设备中得到广泛的应用。碳刷在产品应用材质主要有石墨,浸脂石墨,金属(含铜,银)石墨。碳刷是电动机或发电机或其他旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量或信号的装置,它一般是纯碳加凝固剂制成,外型一般是方块,卡在金属支架上,里面有弹簧把它紧压在转轴上,电机转动的时候,将电能通过换相器输送给线圈,由于其主要成分是碳,称为碳刷,它是易磨损的。应定期维护更换,并清理积碳。
碳刷
碳刷的功能 
  碳刷也被称作电刷,形状如下:
碳刷形状的概念图
(碳刷形状的概念图)
  碳刷是与电机或发电机的旋转部件既整流器(换向器)相接触、摩擦的同时发挥导电功能的炭素产品。使用时的功能如下图:
碳刷功能的概念图
(碳刷功能的概念图)
  其组装方式是将碳刷装入刷握(碳刷架)中,用弹簧压住,使碳刷与旋转的换向器保持接触。
  在碳刷的刷体上装有铜制导线。用于电机时,电流经导线通过碳刷导入与其相摩擦接触的换向器表面。用于发电机,与此相反,电流从换向器流向碳刷。
  要使碳刷与换向器保持稳定的摩擦接触,就需要在铜制的换向器接触面上生成稳定的氧化铜皮膜。为此,就有必要寻求碳刷材质、弹簧压力及电流密度等方面的最适合的条件。同时,电机的运转环境(温度、湿度、气氛、尘埃)以及碳刷通过换向器片时因换向作用而产生的火花的大小对氧化皮膜的产生状况也有很大的影响。
碳刷的材料
  因为碳刷起着与转子(集电环)之间电流的传导作用,需要有良好的摩擦性能和导电性能。早期,碳刷的材质以石墨质为主,现在开发出了天然石墨质、人造石墨质、金属石墨质及树脂石墨质(石墨、金属和树脂的结合材质)等各种各样的材质。可以根据用途选定适合的材质。人造石墨质的碳刷主要适合于对换向性能要求高的用途;而金属石墨质的碳刷则适合于电流容量大的用途。
 产品分类 
金属石墨碳刷
  该类碳刷的主要材料是电解铜和石墨。根据使用需要有时也采用银粉(精密仪器上用的,非常贵)、铝粉、铅粉等其他金属,这些碳刷里面又有含黏结剂和不含黏结剂之分。这类碳刷既有石墨的摩擦特性又有金属的高导电性,因此,适用于高负荷和换向要求不高的低电压电机(如汽车启动马达等)。其圆周速度不超过30米/秒。
碳刷
  天然石墨是该类碳刷的主要原材料黏结剂采用沥青或树脂,经过烘焙或1000度烧结而成。这类电机有良好的润滑性能和集流性能。多数用于运行平稳的中小型直流电机和高速汽轮发电机集电环;电气石墨主要成分是碳黑、焦碳和石墨等各种碳素粉末材料组成,这类碳刷具有优异的换向性和自润滑性能,广泛用于各类交直流电机不但寿命长,而且对换向器的磨损小。
 应用 
  大家提供完整系列的碳刷,包括用于一般工业用途、吸尘器、汽车、家电、电动工具、电力供应、微电机等的碳刷。
碳刷应用
  汽车电机用的碳刷如下图:
汽车电机用碳刷
  汽车上有很多电机,不同的电机需要使用与其性能相适应的碳刷。特别是近年来,基于便利性和舒适性的考虑,汽车上辅助类的电机越来越多,1台高级轿车所需要的碳刷甚至超过了100只。由于汽车电机的电源是由电池供给的12~24V低电压,为了尽量减少电损,通常使用电阻率较低的含铜的金属石墨质碳刷。

一般工业
直流电机
直流电机
电力机车
电力机车
风力发电
风力发电
电力供应
起重机
超重机
真空吸尘器
真空吸尘器
真空吸尘器
家电
洗衣机
洗衣机
电动工具
圆盘磨床
圆盘磨床
微电机等
打印机
打印机
  东洋炭素集团不断为应用于不同用途的碳刷实现最佳性能而进行研究。至今,大家已经成功地开发了一系列新产品,包括特殊涂层碳刷、带切断装置的碳刷、汽车燃油泵碳刷和碳盘,等等。

汽车燃油泵碳刷和碳盘
汽车燃油泵碳刷和碳盘
  碳满足汽车燃油泵换向器所需的许多条件。东洋炭素已为换向器开发最佳的碳刷材料和低磨损的碳盘。大家可以提供理想的碳刷材料,以符合使用条件。
带切断装置的碳刷
带切断装置的碳刷
  在其使用寿命结束时,当弹簧压力降低,碳刷由于换流有产生更大火花的倾向。带切断装置的碳刷磨损时,迅速切断电流,以减少换向器损失。东洋炭素根据碳刷类型和应用提供切断设计。
特殊涂层碳刷
特殊涂层碳刷
  此碳刷表面有一层导电金属薄膜涂层。涂层可以减少与电阻和温度上升相关的损失,而且不影响碳刷的使用寿命和换向性能。这些碳刷用于小型高速真空吸尘器、电动工具电机等用途。

活性炭
  活性炭又称活性炭黑。是黑色粉末状或块状、颗粒状、蜂窝状的无定形碳,也有排列规整的晶体碳。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。活性炭中除碳元素外,还包含两类掺和物:一类是化学结合的元素,主要是氧和氢,这些元素是由于未完全炭化而残留在炭中,或者在活化过程中,外来的非碳元素与活性炭表面化学结合,如用水蒸气活化时,活性炭表面被氧化或水蒸气氧化;另一类掺和物是灰分,它是活性炭的无机部分;灰分在活性碳中易造成二次污染。
活性炭
 应用 
石化行业:
  无碱脱臭(精制脱硫醇)—— 重催的精制装置;乙烯脱盐水(精制填料)——乙烯装置;催化剂载体(钯、铂、铑等)——苯乙烯、连续重整装置、水净化及污水处理——上水及下水的深度处理。
电力行业:
  电厂水质处理及保护— —锅炉装置。
化工行业:
  化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收、及油脂等的脱色、精制。
食品行业:
  饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色、提纯、除臭。
黄金行业:
  黄金提取——适用炭浆法、堆浸法提金工艺;尾液回收——金矿的废物利用及环境保护。
环保行业:
  用于污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化。
相关行业:
  香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染控制,各种浸渍剂液的制备等,比如活性炭可以作为活性碳罐的填充物用来生产摩托车碳罐汽车碳罐等。
  活性炭在初期主要应用是粉炭在糖业中逐步代替了原来的骨炭。在20世纪20年代的第一次世界大战中出现的颗粒大量应用于防毒面具。这是工业化学史上辉煌的一页。
 历史事件 
  通过防毒面具应用的推动,活性炭历史进入了第二阶段,活性炭市场不断扩大,活性炭的吸附和催化功能在众多行业的精制、回收、合成上的应用陆续开发,美国等的活性炭厂陆续开设。在20世纪中叶不断拓展应用面的活性炭,被视为“万能吸附剂”。
  1927年美国芝加哥自来水厂发生了广大居民难以接受的自来水恶臭事故,这是由于原水中的苯酚和消毒用的氯生成异臭所致。德国等地的自来水厂也发生了同样的事故,这些事故都是用活性炭来解决的。

【碳材料发展史】
新兴工业用炭
Carbon in Modern Industries

主要以
等静压石墨、热解石墨、热解炭的形式

被用作精密加热器、高强结构、新型电池、核反应器等。
工业用炭
等静压石墨
  等静压石墨是上世纪40年代发展起来的一种新型石墨材料,具有一系列优异的性能。等静压石墨的耐热性好,在惰性气氛下,随着温度的升高,其机械强度反而升高,在2500℃左右时达到最高值;与普通石墨相比,结构精细致密,而且均匀性好;热膨胀系数很低,具有优异的抗热振性能;各向同性、耐化学腐蚀性强、导热性能和导电性能良好;具有优异的机械加工性能。正是由于具有这一系列的优异性能,等静压石墨不仅在民用上大有作为,在国防尖端上占有重要地位,属新型材料,令人瞩目。它是制造单晶炉、金属连铸石墨结晶器、电火花加工用石墨电极等不可替代的材料,更是制造火箭喷嘴、石墨反应堆的减速材料和反射材料的绝好材料。
等静压石墨
 应用 
太阳能电池及半导体晶片用石墨
  在太阳能、半导体行业中,大量使用等静压石墨,制作单晶直拉炉热场石墨部件,多晶硅熔铸炉用加热器,化合物半导体制造用加热器、坩埚等部件。近年来,太阳能光伏发电发展迅猛,光伏产业中的单晶硅和多晶硅生产对石墨需求量巨大。目前,单晶、多晶硅产品均朝大型化、高端化发展,对等静压石墨也有了更高的要求,即:更大规格、更高强度、更高纯度。
有色冶金连铸用石墨结晶器
  为了缩短生产工艺流程,降底成本,提高质量,减少劳动强度和对环境的污染,20多年来金属材料生产逐渐向连铸方向发展。
  等静压石墨主要用于大型铜材生产线。自1985年开始,我国从奥地利、法国、瑞士、日本等国先后引进30多条生产线,而国内自行设计制造的生产线已达到100多条,均采用石墨结晶器。
电极石墨
  电火花加工是当今模具行业的一次革命,它不仅简化了传统工艺手段,而且使制造异形模具成为可能。石墨无熔点,是电的良导体,抗热振性好,是极佳的电火花加工电极材料。普通石墨材料,为粗颗粒结构低密度各向异性石墨,不能满足电火花加工的需求,而等静压石墨因具有各向同性,是制造电火花石墨电极的最佳材料。
单晶硅生产石英坩埚模具用石墨材料
  石英坩埚是直拉单晶硅的容器,而制造石英坩埚用石墨坩埚作为成型材料。
高气冷堆堆芯结构石墨材料
  等静压石墨具有中等的力学性能,特别出色的高温力学性能,导热系数大,线膨胀系数低。在高温气冷堆中,主要用作反射剂、慢化剂及活性区结构材料,同核燃料一道构成核燃料组件。在400~1200℃的温度下,受高能γ射线和快中子的放射线,时间长达数年之久,容易造成辐照损伤,从而改变石墨的结构和性质,所以要求材料的石墨化度高、各向同性度好、组成均一、弹性模量低。
  核石墨与常规工程用石墨的主要区别有两点,核纯和耐辐照损伤。当前,国内核石墨材料的研制尚缺辐照试验这一环节,这是下一步研制中必须面对过程,除辐照要求外,核石墨在冷态状态下的质量要求是:规格大型化、质量稳定、热稳定性好、热膨胀系数低。目前,我国只能生产少量的高温气冷堆反应用核石墨,主要还是依赖进口。

热解石墨
  热解石墨是新型炭素材料,是高纯碳氢气体在一定的炉压下,在1800℃~2000℃的石墨基体上经化学气相沉积出的较高结晶取向的热解碳,它具有高密度(2.20g/cm)、高纯度(杂质含量(0.0002%)和热、电、磁、力学性能各向异性。在1800℃左右仍能维持10mmHg的真空度。
热解石墨

 应用  
主要应用
 石墨加热器、导流桶、PBN/PG复合加热器、原子吸取管。
涂层产品应用
 半导体行业中,拉制硅单晶导流筒。
 半导体行业石墨加热器涂层。
 晶片退火工艺PBN/PG复合加热器涂层。
 分析仪器用的原子吸取管热解石墨涂层。
 电子束蒸发蒸铝坩埚。

热解碳
  热解碳和热解石墨是一种具有特殊结构和性能的气相沉积碳。
热解炭

  热解碳按其特性可以分为高密度的致密热解碳与低密度的疏松热解碳和各向同性与各向异性热解碳。其性能和结构取决于热解温度。800-1000℃以下热解的是热解碳,在 1400-2000 ℃ 热解或更高温度下处理的叫热解石墨。热解碳的性质结构取决于其制造条件,其中以沉积温度为重。
  从其反应机理上说,制备热解碳要经历两个阶段:
1 发生炭化过程, 生成焦碳和分离的挥发产物。
2 生成的产物降解成热解碳、水、气体。

碳纤维
  碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。
碳纤维
 应用    
  碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。从航天、航空、汽车、 电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。碳纤维增强的复合材料可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。球棒等体育领域。碳纤维是典型的高科技领域中的新型工业材料。
复合材料
  由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点,已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料。
土木建筑
  碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强,在铁路建筑中,大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用,这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。另外, 碳纤维做补强混凝土结构时, 不需要增加螺栓和铆钉固定,对原混凝土结构扰动较小, 施工工艺简便。
 产品分类  
压力容器
  压力容器采用碳纤维复合材料制作,主要用在汽车的压缩天然气罐上,而且还用在救火队员的固定式呼吸器上。CNG罐源于美国和欧洲国家,日本和其他的亚洲国家也对这项应用表现出了极大的兴趣。
风力发电机叶片
  世界上风力发电机组的发电机额定功率越来越大,与其相适应的风机叶片尺寸也越来越大。为了减少叶片的变形,在主乘力件如轴承和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度。中国‘十五’期间的风机装机总容量已达到1。5G瓦,因而碳纤维在风力发电机叶片上的应用前景看好。
  碳纤维在风能、核能和太阳能等新能源领域也具有广阔的应用前景。当风力发电机功率超过3MW,叶片长度超过40米时,传统玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限,采用碳纤维复合材料制造叶片是必要的选择。只有碳纤维才能既减轻叶片的重量,又能满足强度和刚度的要求。
碳纤维布
  碳纤维布又称碳素纤维布,碳纤布,碳布,碳纤维织物,碳纤维带,碳纤维片材(预浸布)等 。碳纤维布是一种单向碳纤维产品,通常采用12K碳纤维丝织造。重量最轻的是1K碳布,中国碳纤维车架单车、三角架基本使用3K碳布。1K碳纤维管材由于从碳丝的等级,树脂的成分,碳布的密度,成型的压力温度等等工艺都非常严格,1K碳布价格是3K碳布的3倍。可提供两种厚度:0.111mm(200g)和0.167mm(300g)。碳纤维布强度高,密度小,厚度薄,基本不增加加固构件自重及截面尺寸。碳纤维广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修复和抗震加固及节点的结构加固。
碳纤维复合材料抽油杆
  有关数据表明,至2008年有8%到10%更新或新增的抽油杆用碳纤维复合材料抽油杆取代,共需碳纤维320到420t。预测至2010年如果按15%的取代量计算,则碳纤维消耗量可达624吨。

膨胀石墨
  作为一种新型功能性碳素材料,膨胀石墨(Expanded Graphite,简称EG)是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG 除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外,还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。
膨胀石墨
 应用  
环保领域
  膨胀石墨有疏水性和亲油性,可以在水中有选择性地除去非水性的溶液,如从海上、河流、湖泊中除去浮油。
密封材料
  膨胀石墨可后处理成柔性石墨作为密封材料使用。
生物医学
  膨胀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。
高能电池材料
  在可充锌锰电池的锌阳极中添加膨胀石墨可以减小锌阳极充电时的极化,增强电极及电解液导电性,抑制枝晶形成,并能提供良好的成型特性,抑制阳极溶解和变形,延长电池寿命。
相变储热材料
  相变储热材料的导热性能不好,换热性能差,影响其储能和释能效率。同时复合相变材料中多孔介质的孔隙率较小,内含相变材料少,导致其储能量低,这些缺点都限制了该材料的应用和发展。膨胀石墨丰富的孔隙结构、高导热性能,可以很好的弥补这些缺陷。
防火安全材料
  国外已于机舱座椅的夹层中添加部分可膨胀石墨,或将其制成防火密封条、防火堵料、阻火圈等,一旦起火迅速膨胀,堵塞火灾蔓延通道,达到灭火目的。此外,将可膨胀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。
  蔡晓霞等对聚磷酸铵(APP)和膨胀石墨(EG)协同阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)及其阻燃机理进行了研究。结果表明,APP和EG对EVA具有良好的协同阻燃效果。
 产品分类
  柔性石墨密封材料按其用途,主要分为两大类:一类用于各种泵、阀门、反应釜上的密封填料;另一类是用于各种管道法兰上的石墨垫片。

密封填料
  密封填料是将切成适当宽度和长度的膨胀石墨带缠绕在不同规格的金属模中,在压力机上直接成型的预成填料,适用于各种截止阀、闸阀、调节阀、球阀、加阀等。
密封垫片
  通常可分为两种,一种是纯石墨垫片,它是用膨胀石墨粒料直接在金属模中压制成型,也可用膨胀石墨板材直接冲裁或切割而成;另一种是石墨缠绕垫,是以金属带和膨胀石墨重叠卷成,可以在较高压力下使用。
石墨盘根
  石墨盘根是用棉纤维或石墨纤维同石墨卷箔编织而成的密封材料。以棉纤维为芯的石墨盘根(SPM型)适用于压力12MPa、温度200℃以下的管道、阀门、机泵等的密封,接触介质可为河水、自来水、地下水、海水、油类等。以石墨纤维为芯的石墨盘根(SPS型)适用于压力12MPa、温度350℃以下的管道、阀门、机泵等的密封,接触介质除了各种水、油类外,还可以接触酸碱物质。

【碳材料发展史】
未来用炭
Carbon in Future

主要以
富勒烯、炭纳米管、石墨烯的形式

被用在通讯、太空探索、生物医药等领域。
未来用碳
富勒烯
  富勒烯(Fullerene) 是单质碳被发现的第三种同素异形体。任何由碳一种元素组成,以球状,椭圆状,或管状结构存在的物质,都可以被叫做富勒烯,富勒烯指的是一类物质。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。1985年Robert Curl等人制备出了C60 。1989年,德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构,从此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。富勒烯的结构和建筑师Fuller的代表作相似,所以称为富勒烯。
富勒烯
 应用   
工业
  富勒烯是一种新发现的工业材质, 它的特性: 1.硬度比钻石还硬2.轫度(延展性)比钢强100倍 3.它能导电,导电性比铜强,重量只有铜的六分之一4.它的成分是碳,所以可从废弃物中提炼。
  可想像大家的未来生活中将有“无金属电线”“富勒烯(非金属)钢筋的建筑物”“富勒烯防弹背心”“富勒烯汽车壳”……
  构想中的“东京湾金字塔城”亦将富勒烯列为主要建材,纳米巴克管(富勒烯)分子可无限延伸(巴克管长度越长,其原子数越多,所以巴克管的原子数不一定是C60),且巴克管分子是碳原子自动组合而成。
电、光、磁
  C60本身的对称性决定了C60自身有非线性光学性质。作为一种新的化合物,研究其电、磁、光等应用是非常重要的,实际上C60就是因为掺杂碱金属在一定条件下具有超导电性,其电荷转移复合物有铁磁性而引起人们极大兴趣和关注。
物理性质的应用
  润滑剂和研磨剂C60具有特殊的圆球形状,是所有分子中最圆的分子;另外, C60的结构使其具有特殊的稳定性。在分子水平上,单个C60分子是异常坚硬的,这使得C60可能成为高级润滑剂的核心材料。
•CVD金刚石膜
  富勒烯的另一潜在的应用是它们可作为金刚石薄膜生长的均匀成核位置而起重要作用。
  金刚石薄膜在军事方面具有许多应用价值,如作为装甲车表面的抗冲击覆盖层,用于制成光学(X射线,粒子束)窗口,半导体晶片,高硬度表面齿轮,金刚石-纤维合成材料,以及高温和防辐射电子器件等。
•高强度碳纤维
  1991年日本电气企业的饭岛发现了一种管状碳——巴基管,巴基管具有独特的几何结构和奇妙的导电性质,同时具有高抗张强度和高度热稳定性。巴基管的这种特殊的电学和机械性能使其具有巨大的应用价值。
•高能轰击粒子
  C60能够得到或失去电子形成离子,带电巴基球可以用作物理碰撞的高能轰击粒子。
 
在电化学方面的的应用
•光导体
  光导材料是复印机、传真机和激光打印机的基本部分,旧的光导材料使用硒作为感光剂,较为先进的有机光导聚合物已经代替了硒材料。美国杜邦企业的研究人员发现用1%的C60(可能是C60和C70的混合物)掺杂的PVK聚合物是一类全新的高性能光导体,类似的产品已经应用于静电复印技术中。
•超导材料
  掺杂C60超导体的发现是超导领域的又一重大成果,这种超导体具有相对较高的临界温度,掺杂C60超导体的临界温度不仅远远高于所有的有机分子超导体,而且也大大高于以前发现的金属和合金超导体,只比炙手可热的氧化物陶瓷超导体低。
•非线性光学器件
  实验和理论研究表明,C60和C70等富勒烯都是良好的非线性光学材料, C60 /C70混合物( C70约占10%)的非线性光学系数约为1.1×10-9esu, C76甚至还具有光偏振性。
   C60薄膜具有很高的光学效率,这一性质使得 C60在激光光学通信和光学计算机方面有着重要的潜在应用,并有望在短期内付诸实现。

护肤品
  由于富勒烯能够亲和自由基,具有极强的抗氧化能力,能够起到活化皮肤细胞,预防肌肤衰亡的作用。关于富勒烯在清除自由基方面的功效目前已有近3万篇论文被发表,近3千个专利获得了认可。正因如此,21世纪以来富勒烯开始被用作化妆品原料,具有抗皱、美白、预防衰老的卓越价值,成为备受瞩目的尖端美容成分。

多元体研究
  富勒烯衍生物与卟啉、二茂铁等富电子基团共价或非共价形成多元体,用于研究分子内能量、电荷转移、光致能量和电荷转移。

有机太阳能电池
  自1995年俞刚博士将富勒烯的衍生物PCBM([6,6]-phenyl-c61-butyricacid methyl ester,简称PC61BM或PCBM)用于本体异质结有机太阳能电池以来,有机太阳能电池得到了长足的发展,其中有三家企业已经将掺杂PCBM的有机太阳能电池商用,迄今大部分有机太阳能电池以富勒烯做为电子受体材料。

碳纳米管
  1991年日本NEC企业实验室的专家饭岛(Iijima)发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子即碳纳米管。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构,并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构,或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。

 分类  
  碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为:单壁碳纳米管(Single-walled nanotubes, SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled nanotubes, MWNTs),多壁管在开始形成的时候,层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷,因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比,单壁管是由单层圆柱型石墨层构成,其直径大小的分布范围小,缺陷少,具有更高的均匀一致性。
 应用前景  
炭纳米管可实现存储器微型化
  碳纳米管自身重量轻,具有中空的结构,可以作为储存氢气的优良容器,储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热,氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。
  在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质,这样碳纳米管可以作为模具,首先用金属等物质灌满碳纳米管,再把碳层腐蚀掉,就可以制备出最细的纳米尺度的导线,或者全新的一维材料,在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。
  利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高,不易对环境造成影响。
  碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管,给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化,利用这一点,1999年,巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”,能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。


石墨烯
  石墨烯(Graphene)是一种二维碳材料,是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。于2004年问世,其发现者英国曼彻斯特大学安德烈-海姆教授于2010年获得诺贝尔物理学奖。
石墨烯
  分类    
单层石墨烯(Graphene)
  指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯(Bilayeror double-layer graphene)
  指由两层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛,AA堆垛,AA‘堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。
少层石墨烯(Few-layer)
  指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。
多层或厚层石墨烯(multi-layer graphene)
  指厚度在10层以上10nm以下苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。
  主要应用    
  随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。
  消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。
  新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。表面附有石墨烯纳米图层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题。
  由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。

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