新型碳材料的发展及应用(2)

成技术的飞速发展，作为电子期间材料正被用于单晶硅或GaAs半导体不能胜任的领域。根据计算机模拟，人们已经预测到比金刚石还硬的β-C3N4的存在，并逐渐被实验结果证实。

4.3 C/C复合材料的探索与研究

C/C复合材料具有低密度、高强度、高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、尺寸稳定、耐等离子体侵蚀、高热传导率等结构功能多体化优异性能[13]、抗氧化性能好；在2000℃以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性(组织成分及力学性能上均相容)、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能尤其是C/C复合材料强度随温度的升高不降反升的独特性能，使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统具有其它材料难以比拟的优势。因此广泛应用于导弹弹头，固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域[14~15]。

4.4 纳米碳管的探索与研究

碳纳米管是1991年日本NEC公司的电镜专家饭岛博士[16]在氩气氛下电弧放电后的阴极碳棒上发现的管状结构的碳原子簇,直径约几纳米,长约几微米。CNTs是继富勒烯之后碳材料领域的又一项重大发现,并随之引起了科学界的广泛关注。碳纳米管也是一种典型的富勒烯,根据构成碳纳米管石墨烯的层数不同,碳纳米管可以分成单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。从结构上讲,碳纳米管可以看作由单层或多层石墨烯沿着一定的方向卷曲而成的无缝管,是一种具有纳米级孔道

结构的一维碳纳米结构。碳纳米管的制备方法很多,主要有电弧放电法、激光烧蚀法、等离子体法、化学气相沉积法、固相热解法和气体燃烧法以及聚合反应合成法等。到目前为止,碳纳米管主要通过催化裂解和电弧放电法来制备。经过几十年的研究,碳纳米管的研究已经进入了一个新的发展时期,碳纳米管的各种生产方式已经被开发；化学改性、功能化、填充和掺杂已经实现；碳纳米管的单独控制、分离和征已经成为可能[17]。

4.5 二维石墨烯的研究

石墨烯是指由碳原子六角形网格形成的单层二维片层,是一种典型的二维碳纳米材料。它既可以卷曲形成零维的富勒烯和一维的碳纳米管,又可以堆砌成三维的石墨。石墨烯长期以来都被认为是一种不稳定、不可能以游离状态存在的,只是在理论上存在的学术研究材料。直到2004年,英国曼彻斯特大学的Geim领导的课题组[18]采取微机械撕裂方法制备出了二维单层石墨烯材料。之后随着石墨烯一系列独特的光、电、磁、热性质的陆续发现,将碳材料的研究又推向一个全新的领域,被称为是碳材料研究的又一次淘金运动[19~20]。石墨烯的制备方法研究尚处于初级阶段,除了上述的微机械撕裂法外,到目前为止最有希望的是氧化石墨还原法。石墨经过氧化插层解离后,可以在碳层上形成羟基和羧基等含氧官能团,经过化学还原就可以得到分散在水中的二维石墨烯材料[21]。

虽然到目前为,还没有石墨烯材料应用于多相催化的报道,但是,由于石墨材料具有极特殊的电子性质、表面性质、吸附性质、导电导

热性质以及高的化学和热稳定性,使其成为一种非常具有潜力的催化剂和催化剂载体材料。另外,由于氧化石墨具有丰富的表面官能团,可以方便地进行化学修饰,得到具有不同亲疏水性质的碳材料,而分散在不同极性的溶剂中；还可以接枝具有催化功能的基团。另外,由于氧化石墨制备的石墨烯尺度范围在微米级,可以看作是一种特殊的高分子材料,可以分散在溶液中得到均匀溶液。担载了催化功能团后,可以方便地过滤分离,可望成为一种方便回收的类均相催化剂。

4.6柔性石墨的研究

柔性石墨是以膨胀石墨为原料，经加压成型的材料，克服了天然石墨硬而脆的缺点，具有柔韧性。经过深加工的柔性石墨是一种非常优异的密封材料，可以制作加工成各种垫圈以达到密封各种部件的作用。柔性石墨耐腐蚀性强，在酸、碱、盐、有机溶剂、热油、油脂等介质中不发脆、不老化、不变质，是化工、石油、电力等行业高温流体密封的优质无机新型密封材料。由于柔性石墨是通过把经高温膨化后的膨胀石墨压制而成[22]，在柔性石墨中残留的插层剂的量是很小的，但是并不是完全没有，因此插层剂的存在及其成分对于产品的质量和性能就有很大的影响。最初的发明者是用浓硫酸来做氧化剂和插层剂，通过应用到金属部件的密封中后，发现长期使用后柔性石墨中残留的少量的硫对接触的金属存在腐蚀，针对这一点国内有一些学者进行了改善的尝试，发现在利用化学氧化法制备柔性石墨时，由于浓H2SO4 不足以提供插层反应的驱动力，必须加入其他强氧化剂，如发烟HNO3、HClO4、KMnO4 等，以保证反应的进行。

5 总结

新型碳材料和碳素系材料的发现及应用，使得它们组成了一个重要而又发展迅速的家族。让世界各国的十分重视，因此发展的十分迅速，各种新型碳材料不断涌现而出。使现在的生活更轻便、快捷、高效、科学。

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