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粉体百科丨“炭”和“碳”有何区别?炭素和石墨有何区别?

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  1、炭和碳的区别与使用


  由于汉字的独特性以及长期以来人们对“炭”和“碳”字的区别与用法重视程度不足,造成了长期以来人们在使用炭和碳上较为混乱,这在众多的文章、书刊以及名称的使用上可以清楚地看到。从化学的角度上,炭和碳是有着严格的本质区别和使用范畴的。


  凡是能完全体现碳元素性质的或碳原子性质的,或者由碳原子或碳离子与其他离子或离子团组成的化合物的纯净物,在表述上、名称上一律用带石旁的“碳”。如:碳元素、碳原子、碳六十、纳米碳、碳同位素、碳化物、芳香碳、环烷碳、碳网平面、芳碳率、伯碳、端碳、二氧化碳、碳含量、碳素钢、碳链、碳环、碳水化合物、碳氢化合物、渗碳、碳酸钙、碳酸盐、无定型碳、碳单质、碳的其他化合物等等。


  凡是不能完全体现碳元素性质的或碳原子性质的,或者由碳原子或碳的化合物组成的混合物,在表述上、名称上一律用“炭”。如:木炭、煤炭、焦炭、活性炭、玻璃炭、热解炭、生物炭、炭砖、炭块、炭石墨材料、炭棒、炭杆、同性炭、炭黑、炭糊、炭素厂、炭素技术、炭素工艺、炭渣、炭素材料、炭素学会、炭素年会、炭电极、炭阳极、炭阴极、炭糊等等。


  2、炭素材料的定义与分类


  广义上,炭素材料是所有纯碳材料和含碳的混合物的炭素物质的统称。


  狭义上,炭素材料是指选用石墨或者无定型碳作为主要固体原料,辅以其他原料,经过特定的生产工艺过程而得到的无机材料。在工业上,一般都采用后者的概念。


  炭素材料包括炭素原料和炭素制品两大类。


  炭素原料主要有煤炭、焦炭、石油焦、沥青、煤沥青、石墨、金刚石、煤焦油等。


  炭素制品种类繁多,规格、型号和物理化学性能迥异,用途也十分广泛。由于产品的用途不同,采用的原料及加工工艺就存在差异,其产品本身的物理化学性能也存在明显的差别。


  炭素制品按材质分,可分为炭质制品、半石墨质制品、天然石墨制品和人造石墨制品。若按使用功能可分成导电材料、结构材料和特殊功能材料3大类:


  (1)导电材料:如电弧炉用石墨电极、炭质电极、天然石墨电极、电极糊和阳极糊(自焙电极)、预焙炭阳极、炭阴极、石墨阴极、半石墨阴极,电解用石墨阳极,电刷及电火花、加工用模具材料,干电池炭棒等。


  (2)结构材料:如炼铁还原炉、铁合金炉、电石炉、铝电解槽侧部炭砖、精炼炉和有关提纯冶炼炉等的炉衬(也称炭质耐火材料),核反应堆的减速材料和反射材料,火箭或导弹的头部或喷管内衬材料,化学工业的耐腐蚀设备,机械工业的耐磨材料,钢铁及有色金属冶炼工业连续铸造用的结晶器石墨内衬,炭坩埚,半导体及高纯材料冶炼用器件等。


  (3)特殊功能材料:如生物炭(人造心脏瓣膜、人工骨、人工肌腱),隐型飞机用材料,各种类别热解炭和热解石墨,再结晶石墨,炭纤维及其复合材料、石墨层间化合物、C60族系、纳米碳等。


  3、炭素材料的三大研究热点


  (1)多孔碳材料


  多孔碳材料,从能源角度出发,它主要应用于双电层电容器的电极材料和清洁能源中,是清洁能源氢气和天然气存储的主要载体。前者是利用外界电压对金属离子产生作用来完成存储功能,这种方法可以有效地通过电压将其转化电化学的方式,极大地延长了其循环使用的寿命,具有很好的发展前景。后者就利用多孔原理将其气体很好地吸附在能源物质上来加以存储,这种方法尤其是在常温下,能充分发挥存储的功能,实现其环境存储。


  (2)纳米碳材料


  自富勒烯出现以来,研究学者就将其与纳米碳管联系在一起,不断对其研究,其中也包括储氢性能、电化学性能、场发射性能和填充增强性能等。通过研究发现,这种结合材料使其具有了一些传统所不具备的性质-场发射性能。对于这类的研究还需要进一步去关注。就目前而言,研究最多的则是纳米碳材料的提取及净化,主要原理则是利用酸和氧化的方式进行处理。


  纳米碳管的应用研究包括用作电子器件、电极材料、催化剂载体、填充物、气体传感器、气体存储、贵金属提取吸附剂等。由上述可知,这种材料的使用将越来越广,尤其是在能源日益紧张的情况下,它能充分发挥其效用,得到极大的重视。


  (3)复合材料


  在复合材料的研究中,其抗氧化性能的研究最多,与炭素材料本身的特性及在复合材料中的氧化性的要求从某种程度上说是一致的。炭素材料虽然具有一定的抗氧化能力,但随着环境温度的提高和抗氧化强度的提高,炭素材料的烧蚀率明显提高。作为炭素材料的烧蚀,其机械性能将逐渐变差,缩短其使用寿命。同时,复合材料具有优异的力学性能和耐热性能,在航空航天上得到了广泛的应用。为了解决高温下氧化烧蚀问题,现在采取的氧化技术主要是在复合材料表面添加氧化层,主要是对碳化硅涂层材料和复合涂层的组合物进行抗氧化剂。


  复合材料研究的另一重要内容是其耐磨性,提高复合材料的使用寿命,从而使复合材料能成功地应用于摩擦材料的研究中。为了达到良好的结合和增强体质,提高复合材料的综合性能,增强表面改性处理或使用阶段的化学气相渗透复合材料的致密化加工技术,这也是当前的重要课题。


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