碳素材料

[拼音]：tansu cailiao

[外文]：carbons

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。

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。

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）、

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％。

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。

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