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碳，生命之源，它是地球上统统有机体生物的骨架元素，

是构成人体最主要的元素。

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而且，“碳”

（图片来自网络侵删）

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？

为了更全面的理解它，

让我们先从碳材料的发展史开始吧。

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碳材料发展简史

A brief history of carbon materials science

碳，是不是很神奇？

看看它的发展史有没有以为它离我们真的很近，

低调的做事于生活的方方面面。

从最贴近我们的生活领域，

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

紧张以木炭、煤炭、墨的形式

被用作

取暖和、烹饪和笔墨记录等。

木炭

木炭（charcoal）是木材或木质质料经由不完备燃烧，或者在隔绝空气的条件下热解，所残留的深褐色或玄色多孔固体燃料。

运用

人们是从什么时候开始利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意见该当说是妥当的。

木炭是保持木材原来布局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期铁器的冶炼都用木炭，利用其吸湿性来不雅观测景象变革等。

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质料。
用作饼干厂、冶炼厂等的燃料，也用于水的过滤、液体的脱色和制备玄色炸药等。
还在研磨、绘画、扮装、医药、炸药、渗碳、粉末合金等各方面运用。

产品分类

木炭产品紧张分为白炭、黑炭、活性炭、机制炭等四大类。

白炭特点：优点燃烧韶光长，不冒烟，无污染，比重大，敲击有金属钢音；缺陷受潮易发爆（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。
黑炭特点：优点易点燃；缺陷易发爆、不耐烧、燃烧时有烟等。
活性炭活性炭可以说是木炭的深加工。
紧张产在我国南方福建、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，国家一样平常限定生产。
机制炭机制炭作为传统木炭（传统木炭：以树木为质料，烧制而成，是一种毁坏资源的家当，已被国家所禁止）的替代产品，它有燃烧韶光长、热值高、不冒烟、不发爆、环保等多种优点。

煤炭

煤炭是古代植物埋藏在地下经历了繁芜的生归天学和物理化学变革逐渐形成的固体可燃性矿物。
是一种固体可燃有机岩，紧张由植物尸首经生归天学浸染，埋藏后再经地质浸染转变而成，俗称煤炭。
煤炭被人们誉为玄色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类天下利用的紧张能源之一。

运用

虽然煤炭的主要位置已被石油所替代，但在相称长的一段韶光内，由于石油的日渐枯竭，导致它一定走向衰败，而煤炭因储量巨大，加之科学技能的飞速发展，煤炭汽化等新技能日趋成熟，并得到广泛运用，煤炭必将成为人类生产生活中的无法替代的能源之一。

煤炭的用场十分广泛，可以根据其利用目的总结为三大紧张用场：（1)动力煤，（2)炼焦煤，（3）煤化工用煤，紧张包括气化用煤，低温干馏用煤，加氢液化用煤等。

产品分类

煤炭是天下上分布最广阔的化石能资源，紧张分为烟煤和无烟煤、次烟煤和褐煤等四类。

墨

墨是中国古代书写和绘画用到的墨锭。
墨的紧张质料是炭黑、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羊毫书写的墨汁，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

紧张以电极、炭黑、电刷的形式

被用作

冶金、橡胶轮胎、电动机械等领域。

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。
焦碳常日按用场分为冶金焦（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、气化焦和电石用焦等。

　运用

针对从17世纪到18世纪木炭资源缺少的实际情形，提出了新炭材料资源即利用煤的哀求，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进。

最初焦炭的利用仅限于生产生铁，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）型炉并运用。
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，把生铁完备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，得到了范例的具有纤维状组织、耐堕落的优质铸造钢。
这项发明使Cort成为近代压延机之父。
此外，这种方法供应的钢是液态的，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世纪木炭资源缺少的实际情形，提出了新炭材料资源即利用煤的哀求，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。
紧张用于固态排渣焦碳的固定床煤气发生炉内，作为气化质料，生产以CO和H2为可燃身分的煤气。

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℃）浸染下，和石灰发生繁芜的反应，天生熔融状态的炭化钙（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，反应紧张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花费，紧张以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。
焦碳中的硫和硅天生硫化硅和二硫化硅后挥发掉。
冶炼不同品种的铁合金，对焦碳质量的哀求不一，生产硅铁合金时对焦碳质量哀求最高，以是能知足硅铁合金生产的铁合金焦，一样平常也能知足其他铁合金生产的哀求。

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石墨电极

石墨电极，紧张以石油焦、针状焦为质料，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开释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　

电炉炼钢用电极不但用于电弧而且也在炉外精髓精辟的LF（Ladle Furnace）利用。
当初的LF是纯挚对钢脱氧时温度低落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，质量改进，合格率上升，也是实现连铸合营不可短缺的设备。

电极的利用环境

电弧炉中利用的炼钢用电极的浸染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，保持一定的机器强度。
人造石墨电极因符合上述条件而成为唯一的实用材料。

电极花费分正常的连续花费和非常的不连续花费，后者是脱落或折损花费。

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。
其余在追加铁屑，再通电时的急冷急热，大电流利过期电极内部的温度差，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。

电极从机器浸染角度讲也是在过酷条件下利用。
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。

溶化末期是超过1500℃的高温，吹氧精髓精辟或流入的空气使炉内成为氧化性气氛，在这样环境下，电极侧部会连续花费。

此外，电极度部会由于电弧热升华，会因与炉渣或熔钢打仗而遭侵蚀。

　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。

互换电弧炉为降落闪烁，增大有效功率，降落电极花费，也在稳步地向追加电抗器的电弧炉转换。

这样的背景下，日本海内涵履行了夜间操作的基本系统编制下生产率提高，对各种花费哀求进一步降落。
这样一来，就哀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，降落炼钢时的电极花费（19%~50%），延长电极的利用寿命（22%~60%），降落电极的电能花费。

①　石墨电极单位花费的较少，生产本钱有一定的降落。

②　石墨电极所耗电能较少，节约单位炼钢电花费量，节约了生产本钱，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　石墨电极是低花费和低污染产品，在节能减排环保提倡的本日，具有非常主要的社会意义。

这种技能在海内尚处于研究开拓阶段，也有些海内厂家也开始生产。
在日本等发达国家有得到比较广泛的运用。
目前海内也涌现了专门入口这种抗氧化保护涂层的公司。

　产品分类　

普通功率石墨电极

许可利用电流密度低于 17A/厘米2的石墨电极，紧张用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。

高功率石墨电极

许可利用电流密度为18～25A/厘米2的石墨电极，紧张用于炼钢的高功率电弧炉。

超高功率石墨电极

许可利用电流密度大于 25A/厘米2的石墨电极。
紧张用于超高功率炼钢电弧炉。

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碳刷

碳刷（Carbon brush）也叫电刷，作为一种滑动打仗件，在许多电气设备中得到广泛的运用。
碳刷在产品运用材质紧张有石墨，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器的固定部分和迁徙改变部分之间通报能量或旗子暗记的装置，它一样平常是纯碳加凝固剂制成，外型一样平常是方块，卡在金属支架上，里面有弹簧把它紧压在转轴上，电机迁徙改变的时候，将电能通过换相器运送给线圈，由于其紧张身分是碳，称为碳刷，它是易磨损的。
应定期掩护改换，并清理积碳。

　碳刷的功能　

碳刷也被称作电刷，形状如下：

（碳刷形状的观点图）

碳刷是与电机或发电机的旋转部件既整流器（换向器）相打仗、摩擦的同时发挥导电功能的炭素产品。
利用时的功能如下图：

（碳刷功能的观点图）

其组装办法是将碳刷装入刷握（碳刷架）中，用弹簧压住，使碳刷与旋转的换向器保持打仗。

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打仗的换向器表面。
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打仗，就须要在铜制的换向器打仗面上天生稳定的氧化铜皮膜。
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宜的条件。
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浸染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

由于碳刷起着与转子（集电环）之间电流的传导浸染，须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，现在开拓出了天然石墨质、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。
可以根据用场选定适宜的材质。
人造石墨质的碳刷紧张适宜于对换向性能哀求高的用场；而金属石墨质的碳刷则适宜于电流容量大的用场。

　产品分类　

金属石墨碳刷

该类碳刷的紧张材料是电解铜和石墨。
根据利用须要有时也采取银粉（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哀求不高的低电压电机（如汽车启动马达等）。
其圆周速率不超过30米/秒。

碳刷

天然石墨是该类碳刷的紧张原材料黏结剂采取沥青或树脂，经由烘焙或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；电气石墨紧张身分是碳黑、焦碳和石墨等各种碳素粉末材料组成，这类碳刷具有精良的换向性和自润滑性能，广泛用于各种交直流电机不但寿命长，而且对换向器的磨损小。

　运用　

在东洋炭素集团，我们供应完全系列的碳刷，包括用于一样平常工业用场、吸尘器、汽车、家电、电动工具、电力供应、微电机等的碳刷。

汽车电机用的碳刷如下图：

汽车上有很多电机，不同的电机须要利用与其性能相适应的碳刷。
特殊是近年来，基于便利性和舒适性的考虑，汽车上赞助类的电机越来越多，1台高等轿车所须要的碳刷乃至超过了100只。
由于汽车电机的电源是由电池供给的12～24V低电压，为了只管即便减少电损，常日利用电阻率较低的含铜的金属石墨质碳刷。

一样平常工业

直流电机

电力机车

风力发电

电力供应

起重机

真空吸尘器

家电

洗衣机

电动工具

圆盘磨床

微电机等

打印机

东洋炭素集团不断为运用于不同用场的碳刷实现最佳性能而进行研究。
至今，我们已经成功地开拓了一系列新产品，包括分外涂层碳刷、带割断装置的碳刷、汽车燃油泵碳刷和碳盘，等等。

汽车燃油泵碳刷和碳盘

碳知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拓最佳的碳刷材料和低磨损的碳盘。
我们可以供应空想的碳刷材料，以符合利用条件。

带割断装置的碳刷

在其利用寿命结束时，当弹簧压力降落，碳刷由于换流有产生更大火花的方向。
带割断装置的碳刷磨损时，迅速割断电流，以减少换向器丢失。
东洋炭素根据碳刷类型和运用供应割断设计。

分外涂层碳刷

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干系的丢失，而且不影响碳刷的利用寿命和换向性能。
这些碳刷用于小型高速真空吸尘器、电动工具电机等用场。

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活性炭

活性炭又称活性炭黑。
是玄色粉末状或块状、颗粒状、蜂窝状的无定形碳，也有排列规整的晶体碳。
活性炭主身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，紧张是氧和氢，这些元素是由于未完备炭化而残留在炭中，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。

　运用　

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、废气及有害气体的管理、气体净化。

干系行业：

喷鼻香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染掌握，各种浸渍剂液的制备等，比如活性炭可以作为活性碳罐的添补物用光降盆摩托车碳罐汽车碳罐等。

活性炭在初期紧张运用是粉炭在糖业中逐步代替了原来的骨炭。
在20世纪20年代的第一次天下大战中涌现的颗粒大量运用于防毒面具。
这是工业化学史上辉煌的一页。

　历史事宜　

通过防毒面具运用的推动，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浩瀚行业的精制、回收、合成上的运用陆续开拓，美国等的活性炭厂陆续开设。
在20世纪中叶不断拓展运用面的活性炭，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管的自来水恶臭事件，这是由于原水中的苯酚和消毒用的氯天生异臭所致。
德国等地的自来水厂也发生了同样的事件，这些事件都是用活性炭来办理的。

【碳材料发展史】

新兴工业用炭

Carbon in Modern Industries

紧张以

等静压石墨、热解石墨、热解炭的形式

被用作

精密加热器、高强构造、新型电池、核反应器等。

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，具有一系列精良的性能。
等静压石墨的耐热性好，在惰性气氛下，随着温度的升高，其机器强度反而升高，在2500℃旁边时达到最高值；与普通石墨比较，构造风雅致密，而且均匀性好；热膨胀系数很低，具有精良的抗热振性能；各向同性、耐化学堕落性强、导热性能和导电性能良好；具有精良的机器加工性能。
正是由于具有这一系列的精良性能，等静压石墨不仅在民用上大有作为，在国防尖端上霸占主要地位，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。

　运用

太阳能电池及半导体晶片用石墨

在太阳能、半导体行业中，大量利用等静压石墨，制作单晶直拉炉热场石墨部件，多晶硅熔铸炉用加热器，化合物半导系统编制造用加热器、坩埚等部件。
近年来，太阳能光伏发电发展迅猛，光伏家傍边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哀求，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，降底本钱，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。

等静压石墨紧张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，而海内自行设计制造的生产线已达到100多条，均采取石墨结晶器。

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，为粗颗粒构造低密度各向异性石墨，不能知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。

高气冷堆堆芯构造石墨材料

等静压石墨具有中等的力学性能，特殊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，紧张用作反射剂、慢化剂及活性区构造材料，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，韶光长达数年之久，随意马虎造成辐照损伤，从而改变石墨的构造和性子，以是哀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紧张差异有两点，核纯和耐辐照损伤。
当前，海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，除辐照哀求外，核石墨在冷态状态下的质量哀求是：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，紧张还是依赖入口。

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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℃旁边仍能坚持10mmHg的真空度。

　运用　　

紧张运用

　石墨加热器、导流桶、PBN/PG复合加热器、原子接管管。

涂层产品运用

　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。

　剖析仪器用的原子接管管热解石墨涂层。

　电子束蒸发蒸铝坩埚。

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热解碳

热解碳和热解石墨是一种具有分外构造和性能的气相沉积碳。

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。
其性能和构造取决于热解温度。
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。
热解碳的性子构造取决于其制造条件，个中以沉积温度为重。

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, 天生焦碳和分离的挥发产物。

2 天生的产物降解成热解碳、水、气体。

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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，并且具有耐堕落、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是主要材料。
它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的优柔可加工性，是新一代增强纤维。

　运用

碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛运用。
从航天、航空、汽车、电子、机器、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。
碳纤维增强的复合股料可以运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。
碳纤维是范例的高科技领域中的新型工业材料。

复合股料

由于碳纤维复合股料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐堕落、耐疲倦、构造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运用。
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前辈复合股料最主要的增强材料。

土木建筑

碳纤维也运用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔构造等的加固补强，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运用，这些也将是碳纤维很有前景的运用方面。
其余，碳纤维做补强混凝土构造时，不须要增加螺栓和铆钉固定，对原混凝土构造扰动较小，施工工艺简便。

　产品分类　

压力容器

压力容器采取碳纤维复合股料制作，紧张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运用表现出了极大的兴趣。

风力发电机叶片

天下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取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运用前景看好。

碳纤维在风能、核能和太阳能等新能源领域也具有广阔的运用前景。
当风力发电机功率超过3MW，叶片长度超过40米时，传统玻璃纤维复合股料的性能已经趋于极限，采取碳纤维复合股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，又能知足强度和刚度的哀求。

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，常日采取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、三角架基本利用3K碳布。
1K碳纤维管材由于从碳丝的等级，树脂的身分，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。
可供应两种厚度：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构造类型、构造形状的加固修复和抗震加固及节点的构造加固。

碳纤维复合股料抽油杆

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股料抽油杆取代，共需碳纤维320到420t。
预测至2010年如果按15%的取代量打算，则碳纤维花费量可达624吨。

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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、耐堕落、自润滑等优秀性能以外，还具有天然石墨所没有的优柔、压缩回弹性、吸附性、生态环境折衷性、生物相容性、耐辐射性等特性。

　运用　

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撤除非水性的溶液,如从海上、河流、湖泊中撤除浮油。

密封材料

膨胀石墨可后处理成柔性石墨作为密封材料利用。

生物医学

膨胀石墨有良好的生物相容性、无毒、无味、无副浸染等特点,是一类非常主要的生物医学材料。

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,并能供应良好的成型特性,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,这些缺陷都限定了该材料的运用和发展。
膨胀石墨丰富的孔隙构造、高导热性能，可以很好的填补这些毛病。

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,一旦动怒迅速膨胀,堵塞失火蔓延通道,达到灭火目的。
此外,将可膨胀石墨的细颗粒加入到普通涂估中,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场，紧张分为两大类：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

常日可分为两种，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，因此金属带和膨胀石墨重叠卷成，可以在较高压力下利用。

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，打仗介质可为河水、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，打仗介质除了各种水、油类外，还可以打仗酸碱物质。

【碳材料发展史】

未来用炭

Carbon in Future

紧张以

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。

富勒烯

　　富勒烯（Fullerene) 是单质碳被创造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，或管状构造存在的物质，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一类物质。
富勒烯与石墨构造类似，但石墨的构造中只有六元环，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的实验证明了C60的笼型构造，从此物理学家所创造的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。
富勒烯的构造和建筑师Fuller的代表作相似，以是称为富勒烯。

　运用　

工业

富勒烯是一种新创造的工业材质，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.它的身分是碳，以是可从废弃物中提炼。

可想像我们的未来生活中将有“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”亦将富勒烯列为紧张建材，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，以是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子。
作为一种新的化合物，研究其电、磁、光等运用是非常主要的，实际上C60便是由于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。

物理性子的运用

润滑剂和研磨剂C60具有分外的圆球形状，是所有分子中最圆的分子；其余， C60的构造使其具有分外的稳定性。
在分子水平上，单个C60分子是非常坚硬的，这使得C60可能成为高等润滑剂的核心材料。

•CVD金刚石膜

富勒烯的另一潜在的运用是它们可作为金刚石薄膜成长的均匀成核位置而起主要浸染。

金刚石薄膜在军事方面具有许多运用代价，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年日本电气公司的饭岛创造了一种管状碳——巴基管，巴基管具有独特的几何构造和奇妙的导电性子，同时具有高抗张强度和高度热稳定性。
巴基管的这种分外的电学和机器性能使其具有巨大的运用代价。

•高能轰击粒子

C60能够得到或失落去电子形成离子，带电巴基球可以用作物理碰撞的高能轰击粒子。

在电化学方面的的运用

•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，旧的光导材料利用硒作为感光剂，较为前辈的有机光导聚合物已经代替了硒材料。
美国杜邦公司的研究职员创造用1%的C60（可能是C60和C70的稠浊物）掺杂的PVK聚合物是一类全新的高性能光导体，类似的产品已经运用于静电复印技能中。

•超导材料

掺杂C60超导体的创造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创造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稠浊物（ C70约占10%）的非线性光学系数约为1.1×10-9esu， C76乃至还具有光偏振性。

C60薄膜具有很高的光学效率，这一性子使得 C60在激光光学通信和光学打算机方面有着重要的潜在运用，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，预防肌肤衰亡的浸染。
关于富勒烯在打消自由基方面的功效目前已有近3万篇论文被揭橥，近3千个专利得到了认可。
正因如此，21世纪以来富勒烯开始被用作扮装品质料，具有抗皱、美白、预防朽迈的卓越代价，成为备受瞩目的尖端美容身分。

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，个中有三家公司已经将掺杂PCBM的有机太阳能电池商用，迄本年夜部分有机太阳能电池以富勒烯做为电子受体材料。

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碳纳米管

1991年日本NEC公司实验室的专家饭岛（Iijima）创造了由管状的同轴纳米管组成的碳分子即碳纳米管。
碳纳米管具有范例的层状中空构造特色,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构造，并且大多数由五边形截面所组成。
管身由六边形碳环微构造单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形构造，或者称为多边锥形多壁构造。
是一种具有分外构造（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，层与层之间很随意马虎成为陷阱中央而捕获各种毛病，因而多壁管的管壁上常日布满小洞样的毛病。
与多壁管比较，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，毛病少，具有更高的均匀同等性。

　运用前景　　

炭纳米管可实现存储器微型化

碳纳米管自身重量轻，具有中空的构造，可以作为储存氢气的优秀容器，储存的氢气密度乃至比液态或固态氢气的密度还高。
适当加热，氢气就可以逐步开释出来。
研究职员正在试图用碳纳米牵制作轻便的可携带式的储氢容器。

在碳纳米管的内部可以添补金属、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，再把碳层堕落掉，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运用。

利用碳纳米管的性子可以制作出很多性能精良的复合股料。
例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优秀、导电性好、耐堕落、屏蔽无线电波。
利用水泥做基体的碳纳米管复合股料耐冲击性好、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供应了研究毛细征象机理最细的毛细管，给化学家供应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革，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”。

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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，其创造者英国曼彻斯特大学安德烈-海姆教授于2010年得到诺贝尔物理学奖。

　分类

单层石墨烯（Graphene）

指由一层以苯环构造（即六角形蜂巢构造）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）

指由两层以苯环构造（即六角形蜂巢构造）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛办法（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层以苯环构造（即六角形蜂巢构造）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛办法（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以下苯环构造（即六角形蜂巢构造）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛办法（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。