【工業創新智庫】2016新年福袋9：二十大炭材料大匯總，居然某炭材料1克能賣10億元！

導讀

炭材料是主要以煤、石油或它們的加工產物等有機物質作為主要原料經過一系列加工處理過程得到的一種非金屬材料，其主要成分是碳。金剛石、石墨、咔賓、石墨烯、碳納米管、炭/炭複合材料都屬於炭材料。本文就來匯總一下二十大碳材料，你可別小看它，最貴的1克能賣10億元！

來源：新材料在線

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什麼是碳材料？

炭材料是主要以煤、石油或它們的加工產物等有機物質作為主要原料經過一系列加工處理過程得到的一種非金屬材料，其主要成分是碳。金剛石、石墨、咔賓、石墨烯、碳納米管、炭/炭複合材料都屬於炭材料。

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炭的起源---「big bang」理論

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炭材料的發展史

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炭材料的應用

1、機械工業：軸承、密封元件、制動元件等；

2、電子工業：電極、電波屏蔽、電子元件等；

3、電器工業：電刷，集電體、觸點等；

4、航空航天：結構材料，絕熱、耐燒蝕材料等；

5、核能工業：反射材料，屏蔽材料等；

6、冶金工業：電極，發熱元件，坩鍋、模具等；

7、化學工業：化工設備，過濾器等；

8、體育器材：球杆，球拍，自行車等；

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第一代炭材料（5千-1萬年前）——木炭

木炭（charcoal）是木材或木質原料經過不完全燃燒，或者在隔絕空氣的條件下熱解，所殘留的深褐色或黑色多孔固體燃料。利用炭的化學性質，作燃料和還原劑煉銅和煉鐵。

CuO C→Cu CO2

Fe2O3 C→Fe CO2

應用領域：燃料、鍊鋼、煉鐵。

未來趨勢：近幾年我國木炭行業發展速度較快，木炭行業在國內和國際市場上發展形勢都十分看好。

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第二代炭材料（十九世紀）

1、燒結型炭材料（人造石墨）

利用炭的物理性質（導電、耐熱、耐腐蝕、耐摩擦等），用於炭磚、鍊鋼、煉鋁等（電極、電刷、各種機械、化工用炭、原子反應堆用炭等）。

主要產品：電極、電刷、各種機械、化工用炭、原子反應堆用炭

應用領域：炭磚、鍊鋼、煉鋁等

2、炭黑

炭黑（carbon black，又名碳黑），是一種無定形碳。輕、松而極細的黑色粉末，表面積非常大，範圍從10-3000m2/g，是含碳物質（煤、天然氣、重油、燃料油等）在空氣不足的條件下經不完全燃燒或受熱分解而得的產物。

應用領域：墨的原料、橡膠工業的輪胎、塑料、化妝品等

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第三代炭材料（第二次世界大戰後）

1、金剛石

金剛石俗稱「金剛鑽」，也就是我們常說的鑽石的原身，它是一種由碳元素組成的礦物，是碳元素的同素異形體。金剛石是自然界中天然存在的最堅硬的物質。

性能：高熱傳導率，低熱膨脹係數，低摩擦係數，高硬度，在可見光和紅外光下高透明性，高折射係數，化學和放射性惰性

應用領域：珠寶首飾、切割工具、研磨料、不利環境中的熱探頭、放射性檢出儀、壓力敏感器、熒光顯增器、光學窗、微型機械元件，以及高密度、高能量電子元件等

2、線型碳（卡賓）

線型碳是元素碳的一種新的同素異形體，以sp雜化成鍵為特徵，呈線型結構。研究表明，線型碳在高溫低密度的液體碳中存在。1968年，在前西德的Ries火山口的石墨片麻岩中發現微量的線型碳。後來，又在隕石和宇宙粉塵中發現這種線型碳分子。前蘇聯學者將之命名為"Carbyne"。最初國內介紹這種物質時譯名為"卡賓"。

性能：高熱力學穩定性、生物體的高親和性等

應用領域：常溫超導材料、外科手術的縫合線及動物硬組織材料、隱型眼鏡外框、合成金剛石

3、碳纖維

碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

如今的碳纖維主要包括黏膠基、瀝青基和聚丙烯腈基三大體系，其中前兩種碳纖維主要用於防熱導熱和耐燒蝕等領域，產量較少。而聚丙烯腈基(PAN)碳纖維由於同時具有良好的結構和功能特性成為碳纖維應用的主要品種，其產量達到世界總產量的90%以上。

性能：碳纖維90%以上是碳原子，和鈦、鋼、鋁等其他金屬相比質量較輕。另外，因碳分子是按纖維方向規則排列的二維網狀結構，因而擁有強韌的特性。另外，碳纖維具有強度大、模量高、密度低、線膨脹係數小等特點。

應用領域：目前，聚丙烯腈基碳纖維已成為航天航空和國防工業不可或缺的關鍵原材料，同時在能源交通、海洋工程、建築工業和體育等民用領域得到廣泛應用。

比如在軍事領域，隨著導彈武器的革新換代，以T800和IM7為代表的高強中模型碳纖維複合材料迅速成為結構複合材料的主流，已經成為先進導彈型號的主承力結構部件首選材料。

在航空航天領域，飛機機身結構均大量採用了高性能碳纖維複合材料。

而在近年來炒的火熱的新能源汽車領域，碳纖維複合材料（CFRP）更是「神助攻」，CFRP因為本身輕而強，輕而剛而且具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好以及設計性好、可大面積整體成型等一系列特點，所以在汽車輕量化中得到不斷增長的應用。CFRP還具有非常卓越的能量吸收性能，從而進一步保證了CFRP車輛的安全。

據報道，在柱式撞擊和側面撞擊中，CFRP材料均表現出了優越的安全性能。即使在局部承受較重的點式力量時，CFRP也決不會凹陷。乘客和電池組件能得到完美地保護。

4、活性炭纖維

活性炭纖維（ACF），亦稱纖維狀活性炭，是性能優於活性炭的高效活性吸附材料和環保工程材料。其超過50%的碳原子位於內外表面，構築成獨特的吸附結構，被稱為表面性固體。它是由纖維狀前驅體，經一定的程序炭化活化而成。

性能：比表面積大、吸附性能好

應用領域：環保、儲能材料、隱身材料、核防護材料、催化劑載體、生理除味保健、防毒防化、血液凈化、人工肝臟和腎臟、水果儲存保鮮、除臭除濕、高能電極及雙層電容

5、玻璃炭

玻璃炭(Glassy Carbon)又稱聚合炭(Polymeric Carbon)，它是由高純度的交聯結構的酚醛樹脂(或呋喃樹脂)，經特殊高溫熱解製得。

性能：耐3000℃的高溫，低密度，高透氣性，高耐酸鹼性以及優良的生物相容性

應用領域：實驗室分析器皿、化學分析電極、溫度計的保護管、電池電極隔板、半導體器件

6、金剛石薄膜

金剛石薄膜又稱DLC薄膜，它是一類性質近似於金剛石，具有高硬度、高電阻率、良好的光學性能，同時又具有自身獨特摩擦學性能的非晶碳薄膜。

性能：透光、發光性，硬度高、耐磨、高膜量，光交換性

應用領域：高溫晶體管、激光器件、絕緣材料等

7、石墨層間化合物（可膨脹石墨）

石墨層間化合物 （GIC）是通式為XCy的化合物，它是使具有極性的插入劑(酸、鹼、鹵素) 分子或離子插入石墨層與碳網平面形成石墨層間化合物( GICs) , 也可稱為可膨脹石墨。

性能：輕、高導電性、電化學性，反應性等

應用領域：高導電材料、電池活性物質、催化劑等

8、氣相生長炭纖維

氣相生長碳纖維，是一種採用化學催化氣相沉積技術，在高溫下(873K～1473K)，以過渡族金屬(Fe、Co、Ni)或其化合物為催化劑，將低碳烴化合物(如甲烷、乙炔、苯等)裂解而生成的微米級碳纖維。

性能：極細、比表面積大、中空、結晶性好

應用領域：增強材料、催化材料、導電材料等

9、中間相瀝青基炭纖維

瀝青基炭纖維是以燃料系或合成系瀝青原料為前驅體，經調製、成纖、燒成處理而製成的纖維狀炭材料。

性能：原料便宜、碳收率高、易製得超高模型炭纖維

應用領域：航天、航空及高級運動器材；民用工業領域的隔熱材料、磨耗制動材料、耐腐蝕材料、導電和屏蔽材料、音響材料；建築材料的水泥增強材料

10、碳化硅晶體

早在1824年，瑞典科學家Berzelius(1779一1848)在人工合成金剛石的過程中就觀察到了SiC的存在，但是因為天然的SIC單晶極少，當時人們對SIC的性質幾乎沒有什麼了解。直到1885年，Acheson首次生長出SiC晶體之後，人們才開始對SIC的特性、材料製備方法及應用前景等多方面開始了深入研究。

性能：化學性能穩定、導熱係數高、熱膨脹係數小、耐磨性能好

應用領域：磨料、高級耐火材料、脫氧劑、電熱元件硅碳棒、半導體、用於水輪機葉輪或汽缸體的內壁的碳化硅粉末塗布

11、炭/炭複合材料

碳/碳複合材料（c-c composite or carbon-carbon composite material）是碳纖維及其織物增強的碳基體複合材料。

性能：低密度(<2.0g/cm3)、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹係數、摩擦性能好，以及抗熱衝擊性能好、尺寸穩定性高

應用領域：火箭發動機噴管及其喉襯、太空梭的端頭帽和機翼前緣的熱防護系統、飛機剎車盤等

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第四代炭材料——新型炭材料

1、富勒烯

富勒烯（Fullerene)是一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結構存在的物質，都可以被叫做富勒烯。富勒烯與石墨結構類似，但石墨的結構中只有六元環，而富勒烯中可能存在五元環。

性能：具有線性和非線性光學特性，鹼金屬富勒烯超導性等

應用領域：非線性光學器件、光導體、超導材料、護膚品、有機太陽能電池、催化劑、抗癌藥物、CVD金剛石膜、高強度碳纖維、高能轟擊粒子

2、碳納米管

碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2-20 nm。

性能：高電導率、高熱導率、高彈性模量、高抗拉強度等

應用領域：納米複合材料、新能源，感測器，超級電容器，場發射管

3、石墨烯

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。

性能：非同尋常的導電性能、極低的電阻率極低和極快的電子遷移的速度、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性

應用領域：光電顯示、半導體、觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、感測器、航天、軍工、複合材料、生物醫藥等領域

4、碳納米洋蔥

碳納米洋蔥是指尺寸為納米級，即十億分之一米的金剛石，是近年來用爆炸技術合成的新材料，它不但具有金剛石的固有特性，而且具有小尺寸效應、大比表面積效應、量子尺寸效應等，因而展現出納米材料的特性

性能：高硬度

應用領域：納米金剛石與金屬複合鍍層、納米金剛石拋光液、納米金剛石-聚合物複合體、潤滑油、燒結體、磁性記錄系統、醫學

5、碳包覆納米金屬顆粒

碳包覆納米金屬顆粒（CEMNP）又稱碳包覆納米金屬晶，是一種新型的碳/金屬納米複合材料，其中數層石墨片層緊密圍繞納米金屬顆粒有序排列，形成類洋蔥結構，納米金屬粒子則處于洋蔥的核心。

性能：可避免環境對納米金屬材料的影響；可提高某些金屬與生物體之間的相容性

應用領域：磁記錄材料、鋰離子二次電池負極材料、電波屏蔽材料、氧化還原催化劑、核廢料處理材料、精細陶瓷材料和抗菌材料

6、碳氣凝膠

2013年，浙江大學的科學家們研製出了一種超輕材料，這種被稱為「全碳氣凝膠」的固態材料密度僅每立方厘米0.16毫克，是空氣密度的六分之一，也是迄今為止世界上最輕的材料。

性能：高彈性、強吸附

應用領域：海水淡化、相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效複合材料

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