新型碳材料的发展

织—中国电工学会碳~石墨材料专业委员会和中国金属学会碳素材料学会,每年召开全国性学术会议,并定期出版《碳素》、《炭素技术》和《新型碳材料》三种专业学术期刊。

当前国际碳素研究与开发的几个热点领域及进展

碳素系功能材料在周期表中由以碳元素为中心的元素如硼、氮、硅等元素组成的材料,我们可以称之为碳素系材料。科学家们逐渐发现碳素系材料在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面比其他材料优异,具有广泛的用途。此外碳素系材料还具有资源丰富、废弃后不污染环境等突出优点,因而受到材料学界的极大重视。例如随着金刚石、SIC等薄膜合成技术的飞速发展,作为电子器件材料正在被用于单晶硅或GaAs半导体不能胜任的应用领域。根据计算机模拟,人们已预测到比金刚石还硬的卜C3N4的存在,并逐渐被实验结果所证实。今后碳素系功能材料的研究与开发方向,主要是发现和应用已知材料所具有的尚未充分利用的功能,以及新物质的创制和新功能的发现与应用。

结构功能型C/C复合材料C/C复合材料是国内外新材料技术中重点研究与开发的一个重要领域,已有近30年的研究开发历史。但随着应用的扩大,对其性能特别是多功能的要求也越来越苛刻。例如为了满足全天候战略导弹烧蚀防热材料和核聚变反应堆面等离子体第一壁材料等的要求,C/C复合材料必须具有结构和功能两方面的多种优异特性。C/C复合材料在70年代初主要考虑防热/结构双功能一体化问题;70年代中期作为战略导弹的防热材料,需要抗粒子云侵蚀,故必须三功能一体化;70年代末到80年代初又需要解决抗核爆和抗激光等问题;90年代作为核聚变炉第一壁材料,要求具有抗热冲击性、抗中子辐射损伤、耐等离子体侵蚀、高热传导率等结构功能多体化优异性能。事实上通过各种改进,C/C复合材料可具有防热、耐烧蚀、抗粒子云侵蚀、抗核爆、抗射线辐射、抗等离子体侵蚀等多种功能。改进C/C复合材料的多功能性能主要采用选择碳纤维和基质的种类、加入其他组分等方法。总之,结

构功能型C/C复合材料的研究与开发将随着应用领域的扩大和条件的苛刻而不断深入。 碳合金(CarbonAlloy)材料1992年日本碳素有关的学者在日本碳素材料学会中成立了“碳合金研究会”,经过他们的研究与讨论,1994年将碳合金定义为:所谓碳合金就是以碳原子的集合体为主体的、由多成分组成的、在构成单元之间存在物理和化学相互作用的材料。并且具有不同杂化轨道的碳被认为是不同的成分单元。也就是说,根据碳元素具有多种杂化轨道和晶体结构特征,把不同杂化轨道或结构特征的碳进行适当组合,或在以碳为主的集合体中导入其他异类元素而形成的材料称之为碳合金。碳合金大致可分为两大类别:一类为碳元素不同轨道与结构之间合金化而得的材料,如轨道杂化型碳合金和空间、结构控制型碳合金;另一类为异类原子合金化而得的材料,如异类原子置换型碳合金和异类原子插入型碳合金等。碳合金这一新概念的提出主要是为了更充分体现和利用碳元素结构和性能的多样性,系统地实现碳材料的功能扩张和新功能的发现以及新型碳材料的创制,并有别于诸如复合材料、组合材料等传统方式,而使碳材料的研究进入一个全新的、系统的境界。如图1所示,人们可从各个层次探索和创制新型碳材料—碳合金。 结束语

新型碳材料和碳素系材料是新材料家族的一个重要成员,世界各国均十分重视其研究与开发,因而进展很快,各种新型碳材料不断涌现。本文旨在指出新型碳材料的最新研究状况及发展趋势与动向,以引起我国材料科学界的关注,促进我国新型碳材料的发展。