碳素材料，按其原子在结构中排列不同，碳有三种同素异形体，即金刚石、石墨和无定形碳，它们的物理性能、化学性质及用途也各不相同。

中文名

碳素材料

外文名

carbons

功能

有色金属和无色金属的冶炼

运用领域

冶金

材质

以炭和石墨材料是以碳元素为主的非金属固体材料

主要成分

金刚石

学科

化学

类型

材料

概述

1、金刚石：是目前所知自然界中最硬的物）质，其晶体构造基本上为面心立方格子，每个碳原子都被周围四个碳原子所围绕，以共价键相连，强度高，莫氏硬度为10，所以通常用作切削、磨削和切割材料。当金刚石中含有微量杂质时，有半导体的性能，可以做高温整流器或固体微波器件等。天然金刚石又是贵重宝石(金刚钻)。金刚石分为Ⅰ型、Ⅱ型和六方型三种。Ⅰ型的杂质含量较高，其中氮的含量在0.0025％～0.2％,绝大多数天然金刚石属此型。Ⅱ 型是极纯的金刚石，结晶完整，氮的含量少于0.001％，导热性良好，具有半导体性能。天然金刚石中1％～2％属此型。用特殊的人工方法（如超高压高温法）可以将非金刚石结构的碳转化为金刚石，即人造金刚石。

2、石墨：碳原子以四配位多面体组成网层，网层之间以分子键联结，形成六方晶片。石墨是特殊的无机非金属材料，兼有金属和塑料的性能和其他一系列特性，在冶金、化工、电力和电子、机械、纺织和原子能等工业部门获得广泛应用。

石墨的用途与其性质密切关联。①耐高温、热稳定性良好，在3600℃下也不熔化，因此用作冶金工业中坩埚（见彩图）、

碳素材料

炉内的耐火材料等。②有良好的导热和导电性（比不锈钢高4倍）,导电系数随温度升高而降低。用来制造电极、电刷、碳棒、换热器、冷却器等。③化学稳定性好，能耐酸、碱和有机介质的侵蚀，普遍用以制造酸碱工业、石油化工、纺织、造纸等工业的换热器、燃烧塔、反应槽、冷却器、吸收塔、泵和加热器等。④润滑性能与二硫化钼相近，耐磨，摩擦系数小于0.1,可在-200～2000℃和100m/s转速下使用，用来制作密封圈和轴承时，不用加润滑剂。⑤可塑性好，能延展成透光、透气的薄片。⑥有良好的中子减速性，用做原子反应堆中减速材料。此外，还用做固体燃料火箭中的喷嘴、航天设备的零件、隔热和防射线材料。石墨最大的缺点是在高温下易氧化，需要在保护气氛下使用。石墨矿有晶质和隐晶质之分。晶质石墨矿有致密结晶和鳞片结晶两种，前者晶粒大于0.1mm,含碳量在60％～65％，甚至高达80％～90％，但可塑性、可浮选性差。鳞片结晶石墨矿的品位虽低（3％～5％或10％～25％），但性能好。隐晶质石墨又称土状石墨，含碳量可高达90％以上，但性能差。世界上所产石墨半数为土状。苏联是石墨矿储量和产量最大的国家。中国石墨资源也较丰富，多半是鳞片和隐晶石墨。由于石墨矿品位不高，需经选矿和提纯，常用的浮选法（石墨为疏水性）和重选法（石墨相对密度小，为1.9～2.3），可使成品中的含碳量达90％,有些制品还需采用化学提纯，使含碳量提高到97％～99％或高温提纯至99.9％。

3、无定形碳：碳原子排列无序，或构成的晶粒过小。煤、天然气、石油或其他有机物在1000℃左右碳化得到的无定形碳是多孔材料，其表面积很大。产品有炭黑、活性炭等。

发展方向

1、炭素材料和技术的推广

（1）煤系针状焦生产技术（提高单套装置能力）；（2）微孔炭块、半石墨质炭砖生产技术；（3）炭质中间相制备技术（100ｔ／ａ先进电源负极材料）；（4）高功能电极生产技术（稳定接头质量）；（5）高温气冷堆专用炭及石墨材料；（6）高强高密（细结构）炭材生产技术； （7）热解炭制备及应用技术；

2、炭素材料和技术研究

（1）超高功率石墨电极（φ500、600、700毫米）生产技术；包括优质针状焦制备技术，优质沥青浸渍剂和粘结剂制备技术，内串石

墨化工艺及装备开发和生产技术集成等。

（2）超微孔炭砖生产工艺，装备技术；

（3）聚丙烯腈素炭纤维制备技术；

（4）包括原丝及炭化级纤维适应性评价，高强中模（σｂ≥5ＧＰａ、

Ｅ ≥250ＧＰａ）制备技术、石墨纤维（σｂ≥2．5ＧＰａ、Ｅ≥400

ＧＰａ）制备技术；

（5）炭质中间相生产技术（＞500ｔ／ａ）；包括先进电池专用电极材料生产技术（电容量≥350ｍＡｈ／ｇ，能力＞300ｔ／ａ），自焙性炭质中间相生产技术（各向同性炭材的体积密度≥

1．86ｇ／立方厘米、能力＞200ｔ／ａ）和生产技术集成等。

（6）全炭人工心瓣生产技术；包括超低温沉积技术和加工装配技术。

（7）低成本中间相沥青炭纤维生产技术；包括低成本可纺中间相沥青生产和熔纺技术。

（8）大尺寸高强高密（细结构）炭材生产技术；包括主要装备配套及工艺稳定性。

3、炭素材料前沿材料和技术

（1）炭合金（功能、结构材料）制备技术；包括飞机制动炭－－炭系合金，炭－－陶瓷系抗氧化、抗辐照材料，特殊

场合用炭－－金属系抗疲劳材料和电触头材料。

（2）纳米炭制备技术；炭母体形成超微米、纳米空间控制技术，超微米、纳米空间表征、功能评价

及纳米炭（管、球）的制备技术。（完）