第4章 碳时代—从富勒烯、碳纳米管到石墨烯

新型碳材料的发展及简介摘要:碳是世界上含量十分丰富的一种元素。

碳材料在人类发展史上起着主导的作用，其应用最为出众的一次是在第二次工业革命。

现代科技的发展使得人类又获得了几种新型的碳材料--碳纳米管、碳纤维、C60、碳素系功能材料等。

关键词：碳材料碳纳米管碳纤维一、前言碳是世界上含量及广的一种元素。

它具有多样的电子轨道特性（SP、SP2、SP3杂化），再加之SP2的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料，具有各式各样的性质。

在历史的发展中传统的碳材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。

而随着社会的发展人们不断地对碳元素的研究又发明了许多新型炭材料：金刚石、碳纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、核石墨、储能型碳材料、玻璃碳等。

其中新型纳米碳材料有：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯等。

没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此多类结构和性质不同的物质，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质，如最硬--最软、绝缘体--半导体--超导体、绝热-良导热、吸光--全透光等。

随着时代的变迁和科学的进步，人们不断地发现和利用碳，可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性。

自1989年著名的科学杂志《Science》设置每年的“明星分子”以来，碳”相继于1990年和1991年连续两年获此的两种同素异构体“金刚石”和“C60殊荣，1996年诺贝尔化学奖又授予发现C的三位科学家，这些事充分反映了60碳元素科学的飞速发展。

但是由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳元素和碳材料人有许多不为人们知晓的未开发部分。

二、国内外新型碳材料的发展趋势新材料的研究开发包括四方面内容：①新材料的创制；②移植材料的新功能及新性质的发现；③已知材料的改性；④新材料创制和评价技术的开发。

近和几年人们在新材料的创制方面先后划时代地发明了低温气相生长金刚石、C60纳米碳管；在材料新发现方面发现了石墨的插层性质，使锂离子充电电池得以实用化和飞速发展；在材料改性方面提高和改进了石墨电极的性能，使之在超高电流下工作，使电炉炼钢技术出现新的突破；在新材料评价技术方面也有许多进展，如超高温超高压技术用于碳素新相的探索等。

碳纳米管和富勒烯的光电特性和应用一、碳纳米管的结构性能及应用（一）碳纳米管的结构碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物，可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。

管子一般由单层或多层组成，相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管（SWNT和多壁纳米碳管（MWNT）碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，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结构，并且大多数由五边形截面所组成。

管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。

是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量lEjf-级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。

它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。

层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm,直径一般为2〜20nm长度可达数微米，因此有较大的长径比。

资料表明：碳纳米管的晶体结构为密排六,c=0.6852nm,c/a=2.786 , 与石墨相比,a值稍小而c值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力，碳纳米管有极高的同轴向强度。

多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性形纳米管。

由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，女口：其独特的结构是理想的一维模型材料；巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100咅，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。

（二）碳纳米管的主要性质及应用（1）碳纳米管的性质如下：1. 碳纳米管上碳原子的P 电子形成大范围的离域n 键，由于共轭效应显著， 碳纳米管具有一些特殊的电学性质。

碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相 同，所以具有很好的电学性能。

理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋 角。

当CNTs 的管径大于6nm 时，导电性能下降；当管径小于 6nm 时，CNTs 可以 被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

纳米碳材料课程名称：纳米材料和技术学生姓名：XX学号：XXXX班级：XX日期：20XX年X月X日纳米碳材料XX（昆明理工大学，云南省昆明市，650093）摘要：碳纳米材料具有独特的低维纳米结构、优异的性能和潜在的应用价值。

新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景,成为全球科学界各级科研人员争相关注的焦点.。

本文在前人研究的基础上对纳米碳材料的发展历史，几种主要纳米碳材料的特性、应用、制备方面做了一些阐述。

关键词：纳米；碳材料；历史；性质；应用；制备；C60；碳纳米管；石墨烯一概述碳纳米材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。

分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。

纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。

碳是自然界中极其丰富的元素之一，也是同素异形体最为丰富的元素之一。

金刚石和石墨是被大家所熟知的碳的最常见的两种同素异形体。

1985年富勒烯的发现让人们认识了碳家族的一位新成员，并促使人们去发现更多碳的同素异形体。

1991年碳纳米管的问世进一步丰富了碳家族，碳纳米管因其优异的电学、力学、热学和物理化学等性能在众多领域都有着潜在的应用前景，在过去的2O年问受到研究者们广泛的关注。

2004年石墨烯的发现在完善碳家族成员的同时也将人们对碳纳米材料的研究推向了一个新的高度。

二碳纳米材料的发展历史人工制备纳米材料的历史有1000多年，如中国古代碳黑制墨，铜镜表面的纳米氧化锡薄膜防锈等，直至胶体化学的建立。

从60年代起人们开始自觉地把纳米微粒作为研究对象进行探索，但正式把纳米材料科学作为材料科学一个新的分支公布于世的是在1990年7月于美国巴尔基摩召开的国际第一届纳米科学技术会议上。

各种形态的纳米晶体。

作为一类很重要的材料，很早之前，人们就开始了相关领域的研究：1984年，德国H. Gleiter等首次采用惰性气体蒸发冷凝法制备了具有清洁表面的Fe、Cu、Pd等纳米金属微粉。

碳纳米材料简介第一章碳纳米材料简介碳元素碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。

尽管它在地壳中含量仅为0.027%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。

碳元素是元素周期表中ⅣA族中最轻的元素。

它存在三种同位素：12C、13C、14C。

碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。

如零维的富勒烯（fullerenes），一维的碳纳米管（carbon nanotubes），二维的石墨烯（graphene），三维的金刚石（diamond）和石墨（graphite）等。

碳纳米材料富勒烯富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。

1985年，Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子——C60。

这一发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。

C60由60个原子组成，包含20个六元环和12个五元环。

这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样，因此也也被称为足球烯。

从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备出来。

C60的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。

由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质（表1-1）表1-1 C60的一些基本物理和化学性质形态密度电阻率相变温度溶解性化学特性范德华直径毒性黑色固体 1.65g/cm3 4.5*103Ω·cm 800℃升华可溶于常见有机溶剂具有芳香性、多烯特性及优良的电化学特性 1.1nm 无毒碳纳米管碳纳米管（carbon nanotubes）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）。

碳纳米管的性质及其应用碳纳米管的性质及其应用【摘要】综述了碳纳米管的结构、性质及其应用，指出碳纳米管可看作是石墨烯片按照一定的角度卷曲而成的纳米级无缝管状物，根据层数不同可分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。

碳纳米管具备良好的电学性能、热学性能及化学与电化学性能，在各个领域应用广泛。

【关键词】碳纳米管性能应用碳是地球上最丰富的元素之一，它以多种形态广泛存在于大气和地壳之中。

自1985年Smalley用烟火法成功制得C60以来，碳纳米管、碳微米管和石墨烯等多种碳结构逐渐进入人们的视线。

碳纳米管作为C60制备的副产物，较早被人们发现。

一、碳纳米管的结构碳纳米管，又称巴基管，属于富勒碳系，是在C60不断深入研究中发现的。

碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面。

CNT 根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

二、碳纳米管的性能及应用电学性能及应用碳纳米管是优良的一维介质，由于碳纳米管的特殊管状结构，管壁上的石墨片经过了一定角度的弯曲，导致量子限域和σ-π再杂化，其中3个σ键稍微偏离平面，而离域的π轨道那么更加偏离管的外侧，这使得π电子能集中在碳纳米管管壁外外表上高速流动，但在径向上，由于层与层之间存在较大空隙，电子的运动受限，因此它们的波矢是沿轴向的，这种特殊的结构使得碳纳米管具有优异的电学性能，可用于量子导线和晶体管等。

量子导线。

CNT可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线，Tang等在研究具有较小直径的SWNT磁传导特性时发现，在温度低于20K时，直径为0.4nm的CNT具有明显的超导效应，这也预示着CNT在超导领域的应用前景。

晶体管。

Soh等成功制备出碳纳米管晶体管阵列，这种单分子晶体管是现有硅晶体管尺寸的1/500，可使集成电路的尺寸降低2个数量级以上。

纳米材料—石墨烯/碳纳米管1. 前言由于碳单质和化合物组成的多样性，碳及其化合物一直是材料、物理和化学领域的研究重点之一。

特别近三十年来，随着C60、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)等明星材料的相续发现，逐次将碳材料的研究推向高潮。

碳纳米管(CNT)和石墨烯(Graphene)分别在1991年和2004年被人们所发现。

碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，它的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维碳材料。

零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯共同组成了骨干的碳纳米材料家族，并且它们之间可以在形式上转化（图1）。

图1 石墨烯及各种石墨形体石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质，但由于结构不同，它们也有很多不同之处。

碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料，它们分别体现出了一维的和二维的各向异性，如导电性、力学性能和导热性等。

为了结合两者的优点，人们将石墨烯和碳纳米管共同用于复合材料。

石墨烯和碳纳米管复合材料形成三维网状结构，通过它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。

基于以上性质，使得石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。

此外，掺杂一些改性剂的石墨烯/碳纳米管复合材料也受到人们的广泛关注，例如在石墨烯/碳纳米管复合电极上添加CdTe量子点制作光电开关、掺杂金属颗粒制作场致发射装置。

由此可见，石墨烯/碳纳米管复合材料越来越多的被人们所应用，也使得石墨烯/碳纳米管复合材料的制备和应用得到更加广泛的关注。

2. 石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法2.1 化学气相沉积法（CVD）CVD法因易于控制膜的组成及成份分散度而被广泛应用于制备石墨烯/碳纳米管复合膜。

新材料石墨烯石墨烯及其应用石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，以sp2杂化轨道组成，六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。

因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。

石墨烯的结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。

这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。

石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。

完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。

12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。

石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管并且吸引了大批科学家的兴趣。

在2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路.一特性1电子运输在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。

碳纳米材料综述课程：纳米材料日期：2015 年12 月碳纳米材料综述摘要：纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。

物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。

毫无疑问，基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。

因此，对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。

其中，碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。

我们知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有sp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。

因此，以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。

关键词：纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯1．前言从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今）。

自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。

纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1—100 nm）的极细颗粒组成的固体材料。

从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。

通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。

从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。

碳时代开启：碳纳米管与石墨烯技术分析利用已发现20多年的碳纳米管和发现10年的石墨烯等微细碳材料，电子部件终于开始实用化。

包括最近性能大幅提高的金刚石半导体在内，碳电子将大大改变电子部件和电子电路的形态。

我的梦想是用碳（C）取代硅（Si），实现全部用碳制造电子电路的全碳化、3000年前是青铜器（Cu）时代，20世纪前半期是铁（Fe）时代，之后是硅时代，而今后将是碳时代。

一位碳材料研究人员就研究的意义和目标如此说道。

尤其是电子电路的全碳化，可以说是碳材料研究人员的共识。

如今，这个梦想正朝着实现奋进。

如果全碳化成为现实，电子产品将比现在更轻量、更结实，柔性产品也能实现超高性能，而且价格会大幅降低。

鸿海开发，华为采用碳化的动向似将从电子产品的外围向中心进发。

个人电脑等的机壳材料就常使用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）。

其最大优点是，既轻又结实。

在电子产品的内部，碳作为导电材料的使用虽未能取得进展，但2013年中期终于在触摸面板和太阳能电池等上开始了实用化。

触摸面板配备在了中国华为技术有限公司于2013年5月上市的智能手机上。

触摸面板的开发商是台湾鸿海精密工业在中国大陆的集团公司中国富纳源创（CNTouch）。

为高度兼顾透明性和导电性而采用了管状碳材料碳纳米管（CNT）。

备注：碳纳米管（CarbonNanotube）即管状碳材料。

把碳原子以蜂窝状相连的薄膜（石墨烯）再制成管状。

管的直径细至0.4nm～50nm。

根据把薄膜卷成管状的方法的不同（手性），分为金属型和半导体型。

半导体型的带隙因直径而异。

碳纳米管是名城大学研究生院理工学研究科教授、NEC特别研究员饭岛澄男1991年发现的。

太阳能电池方面，从前有机薄膜太阳能电池就一直将称为富勒烯*的足球状碳材料作为n 型半导体使用。

经过长期的研究开发，2013年三菱化学开始量产并开始了样品供货。

富勒烯（Fullerene）即组成五元环或六元环的碳原子相互连接形成的球状或椭球状材料的总称。

化学与材料论文——石墨烯一( 前言石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。

因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。

本文介绍了近几年石墨烯的研究进展, 包括石墨烯的合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。

石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的热潮。

二(石墨烯的生产加工方法及化学原理物理方法:1.微机械剥离法:通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。

2.印章切取转移印制法: 在印章突起的表面上涂上一层转换层( 可用树脂类材料通过旋转涂布法均匀涂于表面, 其作用像胶水那样黏附石墨烯) , 在300psi 及室温下, 将这种印章按压在石墨上, 高压下印章边缘产生极大的剪应力, 使得石墨烯层从石墨上分离下来。

类似地, 将石墨烯层从印章上转移到器件上同样需要固定层0( 要求这种转换层0与石墨烯间的作用力远大于转换层0与石墨烯间的作用力) , 经类the real implementation of the "quasi, ruthless. Tough," requirement, carry forward the spirit of a nail, and the corrective measures The implementation of the nerve endings, do not let the rectification is not in place, not to retreat, the people are not satisfied. Pin four is to adhere to the reform and innovation. To reform the way of thinking and innovative courage to turn style, against four winds, the courage toface the contradictions, good at solving the chronic ills, dare to break the outdated customs and bad habits Hensha unhealthy tendencies, trees, fresh healthy. The five is to adhere to tackling the problem. That is the wind Su Ji and the education supervision combined, in order to establish a new system to promote the normalization of style building, long-term, to enhance the party spirit of honest and pragmatic people thought conscious action. The six is to insist on the completion of the third grasp the overall situation. Activity and end This year the goal of safety production work plan for next year, work together, to promote the activities and the work of production safety with both hands, two promotion, two not mistake. Two, rectification of the overall objectives and specific objectives: (a) the overall path around the "four focus", carried out the outstanding problems of the special rectification, the full implementation of the central and provincial Party committee clear the rectification task, effectively curb the "four winds", realize the overall improvement of Party and government. The point is: focus on the people, the people, convenience, and resolutely curb the bureaucratic style of work; looking to stimulate grassroots vitality, resolutely curb the Wenshan sea; focus on the cadres honest, clean government, politics, and resolutely curb exceed the standard Quasi occupied office space, Gongjusiyong, public funds, extravagance of the wind; focus on establish a correct view of achievements, the concept of power, and resolutely curb acts against the interests of the masses. Accelerate the system reform and construction, improve the people honest and pragmaticnormalization system, constantly consolidate and expand educational practice achievements, make people satisfied. The recent reform goal: Political Quality Bureau and all Party members and cadres, further improve the quality of the business; the "four winds", "two" problem has been effectively solved. The middle goal of the reform: "opposition party and government austerity waste似的操作使得石墨烯从印章上剥落下来。

“碳”的前世今生作者：苏格拉伟来源：《中国自行车·骑行风尚》2016年第01期碳的“前世”中国是人类历史上最早利用碳的民族，有文献记载和考古发掘证明，起码在汉代就已经开始使用煤了。

《汉书地理志》中有记载：“豫章郡出石，可燃为薪。

”这就是说在豫章郡开采出了一种石头，能像柴火一样燃烧，这其实就是煤。

18世纪欧洲的工业革命，开启了煤作为工业燃料的时代。

煤直到今天也是我们最为重要的能量来源，火力发电到今天为止依然占全国发电总发电量的80%以上，看看最近华北上空日日不灭的雾霾神话，大部分都是煤的“功劳”。

我们另一种最常见的碳是金刚石，也就是我们常说的钻石。

几千年前，印度是世界上最早发现钻石的地方，也几乎是唯一的钻石产地。

但从1725年开始，巴西开采出了大量的钻石，这使得巴西取代印度成为了当时全球最重要的钻石产地。

直到1867年，真正的钻石王国登上了历史舞台，它就是南非。

1905年，在南非阿扎氏亚发现了世界上最大的金伯利岩岩筒-普列米尔岩筒，并在此发现最大的钻石：库利南钻石。

这颗钻石的大小超出了一般钻石的概念，大小和一个成年男子的拳头相当。

最后库里南钻石被分割成了9大块和96小块，其中享有“世纪之最”美誉的是“库里南一号”，又称“非洲之星”，重达530.2克拉。

英王室为显示其权势，将这颗巨钻镶嵌在1661年制作的象征英王权势的权杖上。

南非的钻石产量到现在依然处于世界前列，并由此开创了钻石业的新纪元。

碳纤维是现代自行车最主流的生产材料，没有之一。

要说起碳纤维中的这个“碳”，大家肯定会想到煤炭，其实“碳”还有非常多的存在方式。

从石墨到金刚石、从活性炭到碳纳米管、从富勒烯到石墨烯，碳的大家庭可谓五彩缤纷，各行各业都有碳的应用。

碳也是人类最早利用的元素，人类对碳的利用伴随着人类文明史的发展，本篇我们回顾一下“碳”的前世今生。

真正认识“碳”虽然人类使用碳的时间非常早，但是真正认识碳，并使用碳的时间并不长。

1722年，法国科学家瑞尼·瑞欧莫发现，碳在使铁变为钢的过程中起到了至关重要的作用。

碳纳米管（CNTs）—— “新时代的宠儿”2006 级普化论文碳纳米管（CNTs）—— “新时代的宠儿”赵婧 李坤桦 宋杨 刘涛北京大学化学与分子工程学院 一个崭新的碳纳米管世界提供给人类的将是不同于任何以往经验的东 西，它不仅会给人类生活带来一场革命，还会使我们再一次地感受到：科学与 技术正以日新月异的速度发展着，远没有终结的时候 ……摘要 Abstract:1991 年日本 NEC 公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空碳纤 维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管” 。

从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。

本文主要 分为三部分： 1． 对纳米材料及碳纳米管的相关知识进行介绍 2． 于应用层次，讨论纳米材料及碳纳米管的应用前景 3． 客观比较各国研究现状，并预测纳米科技面临的机遇与挑战（见附文）关键字 Keywords： 纳米材料概述碳纳米管热点及应用现状与发展引言：生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。

生 物科学技术中对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界 不存在的生物； 信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事， 因特网几乎可以改变人们 的生活方式。

而纳米科学技术作为二十一世纪的主导产业， 又将给人们带来怎样天翻地覆的 改变呢？……理论知识： 1.纳米材料概述： 纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9 米)的超细材料。

从材料的结构单元层次来说， 它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。

在纳米材料中，界面原子占极大比例，而 且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一 种新的结构状态。

纳米科学技术：研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9 米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问； 同时在这一尺度范围内对原子、 分子进行操纵和加工又 被称为纳米技术。

神奇的碳材料、摘要：碳元素作为地球上丰富的元素之一，其性质多样，应用广泛。

对碳材料的研究有着深远的意义与价值。

近年来，碳材料的研究相当活跃，出现了多种多样的新型碳材料。

其中包括石墨烯、富勒烯等，这些新型的碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。

关键词：石墨烯、富勒烯、碳纳米管、应用石墨烯【1】在2004年，英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。

他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。

不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。

而后制得是摩西的方法多种多样。

石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。

人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。

当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨石墨烯特性（1）比钻石还要坚硬科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。

让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。

其完美的晶格结构，常被误认为很僵硬，但事实并非如此。

石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。

这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。

新型碳材料的发展及简介摘要:碳是世界上含量十分丰富的一种元素。

碳材料在人类发展史上起着主导的作用，其应用最为出众的一次是在第二次工业革命。

现代科技的发展使得人类又获得了几种新型的碳材料--碳纳米管、碳纤维、C60、碳素系功能材料等。

关键词：碳材料碳纳米管碳纤维一、前言碳是世界上含量及广的一种元素。

它具有多样的电子轨道特性（SP、SP2、SP3杂化），再加之SP2的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料，具有各式各样的性质。

在历史的发展中传统的碳材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。

而随着社会的发展人们不断地对碳元素的研究又发明了许多新型炭材料：金刚石、碳纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、核石墨、储能型碳材料、玻璃碳等。

其中新型纳米碳材料有：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯等。

没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此多类结构和性质不同的物质，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质，如最硬--最软、绝缘体--半导体--超导体、绝热-良导热、吸光--全透光等。

随着时代的变迁和科学的进步，人们不断地发现和利用碳，可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性。

自1989年著名的科学杂志《Science》设置每年的“明星分子”以来，碳”相继于1990年和1991年连续两年获此的两种同素异构体“金刚石”和“C60殊荣，1996年诺贝尔化学奖又授予发现C的三位科学家，这些事充分反映了60碳元素科学的飞速发展。

但是由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳元素和碳材料人有许多不为人们知晓的未开发部分。

二、国内外新型碳材料的发展趋势新材料的研究开发包括四方面内容：①新材料的创制；②移植材料的新功能及新性质的发现；③已知材料的改性；④新材料创制和评价技术的开发。

近和几年人们在新材料的创制方面先后划时代地发明了低温气相生长金刚石、C60纳米碳管；在材料新发现方面发现了石墨的插层性质，使锂离子充电电池得以实用化和飞速发展；在材料改性方面提高和改进了石墨电极的性能，使之在超高电流下工作，使电炉炼钢技术出现新的突破；在新材料评价技术方面也有许多进展，如超高温超高压技术用于碳素新相的探索等。

碳材料的前世今生要说碳材料大家肯定会想到煤炭，但碳材料大家庭可不止煤炭一种。

从石墨到金刚石、从碳纤维到碳纳米管、从富勒烯到石墨烯，碳材料大家庭可谓五彩缤纷，各行各业都有碳材料的应用。

碳材料是人类最早利用的元素，人类对碳材料的利用伴随着人类文明史的发展，本篇我们回顾一下碳材料的前世今生。

中国人是最早利用碳材料的，从文献记载和考古发掘来看，至迟在汉代就已用煤了。

《汉书。

地理志》说：“豫章郡出石，可燃为薪。

”豫章郡在今江西省南昌附近，这里所说的可燃为薪的石头，其实就是煤。

可见这时煤已用于群众的日常生活。

18世纪工业革命，开启了煤炭作为工业燃料的时代，直到今天煤炭也是我们重要的能量来源，全国煤炭发电占总发电量的80%。

碳材料的另一种存在形式是金刚石，印度是世界上最早发现钻石的国家，3000年前，印度是钻石的唯一产地。

自2500年前至18世纪初印度克里希纳河、彭纳河及其支流是世界唯一产出钻石的地方，历史上许多著名钻石如光明之山（kohi-noor）、奥尔洛夫（orloff）和大莫卧儿（great mogul）都来自印度，但印度的钻石产量很小。

至1725年巴西钻石的发现及开采，使巴西取代印度，成为当时全球钻石的最重要产地。

1867年以后，南非发现了冲积砂矿床和大量原生金伯利岩筒使得南非成为世界上最重要的钻石生产国，其产量长期处于世界前列，并由此开创了钻石业的新纪元。

1905年，在南非阿扎氏亚发现了世界上最大的金伯利岩岩筒—普列米尔岩筒，并在此发现最大的钻石（库利南钻石）。

南非拥有世界上产量最大、且最现代化的维尼蒂亚钻石矿。

虽然人类对碳材料的利用非常早，但是人类真正对碳材料的认识却是最近200-300年的事。

1722年，瑞尼·瑞欧莫发现铁在转变为钢的过程中会吸收一种物质，今天人们知道这就是碳。

1772年，安东万·拉瓦锡证明钻石是完全由碳组成的。

他燃烧了木炭和钻石，发现两者都没有产生水，而且形成的二氧化碳质量相同。