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你不知道的碳家族

2018-12-02  来自: 山东华 企新材料科技有限公司. 浏览次数:133

大家知道吗?钻石和石墨两种材料,他们都是由碳构成的,但是这 种两种材料在我们日常生活中价值似乎完全不同。

      钻石颜值很高,价格很贵,它透明、坚硬、绝缘。相反,石墨是什么?它是黑色的、 松软的、导电的,两种材料完全相反,然而它 们都是实实在在由碳组成的材料。

碳家族

开个玩笑,如果我 说这位女士你带的0.2克的这 块碳是从哪里买的?你肯定感到不高兴,“我这是钻石”。


然而这些钻石也好,石墨也好,和我们 呼出的二氧化碳里面的碳都是一样的。好比说,X天你大概呼出了2000多克拉的碳,那么你 就觉得这个呼吸好值钱。


结构不 一样造成了性质的不一样,我们可以看到,在图中 钻石是一个三维结构,而石墨 在二维层面有一个很强的化学键连接,在层和 层之间是一种很弱的化学键,叫范德华力[1]的连接,这就造 成了它们性质的巨大的不同。


我们x天要谈 的是碳家族里面的——纳米碳材料,包括我 们华企新材料生产经营的产品,那我们 就看看在纳米的结构里面,材料的 结构对材料的性质究竟会造成什么样的影响。


为什么〇维碳获得了诺 奖,而一维碳却失之交臂?


碳家族碳家族


第 一,〇维碳,也叫碳60。我们看 到它是笼子状的结构,它是一 种五边形和六边形拼凑起来的,跟足球非常像,所以它 有一个另外的名字叫“足球烯”。


如果我 们在足球的每一个拼凑的键点上放一个原子,我们就 完全相同地制造了一个碳60的这样 的一个分子结构。

这个分子是在1986年被两 位美国科学家和一位英国科学家发现的,并由此 获得诺贝尔化学奖。富勒烯的发现 加深了我们对宇宙中含碳分子的认识、碳的演化的认识,以及对芳香族物质的理解。

1991年,当时由 于透射电镜的技术的发展,他可以 很清楚地看到这样的一个管式结构。这个碳 管在我们做纳米材料的领域中非常重要,因为他 使纳米材料进入了普通人的视野,而他在 科学界也掀起了纳米材料的高潮。


纳米管 有很多奇异的性质,我们似乎觉得碳60获了诺 奖,碳管是 不是也应该获得诺 奖呢?但他并没有,当然诺 奖的委 员会有不同的考虑,但是有 一个原因可能让大家对它有点忧虑。


饭x澄男发 现了碳管的时候,有许多人跳出来说,我早就发现了,我冤枉。也有好 多团队这样跳出来,x  著名的 应该是前苏联的科学家,在1952年的时 候他们就看见了纳米碳管的影子。


但由于 当时他们是用俄语写的论文,不能被 世界其他地方人读到,而且当 时的苏联跟其他国 家的交 往也没有那么多,他们就 错过了把这个科研成果公之于众的机会。


大家为 此争论不休的时候,科学家 忽然在久远的大 马士革钢 刀里面发现了碳纳米管,当时的 这个技术已经失传了。


大 马士革钢 x存在于 公元三世纪到十七世纪,现在我 们又找回了这项技术,在那里 我们也发现了碳纳米管,而且碳 纳米管在里面是有一个增强和增韧的作用的。


大马士革 x非常锋利,我找到 的英文资料是这样形容它的,一根头发落在大 马士革钢 x上面会被削成两半,如果用大马士革钢x去削一个步 枪的枪 管可以把它削断。这跟我 们中文形容刀快不是一样的吗?吹毛断发,削铁如泥。



碳家族



碳纳米 管为什么会出现在大 马士革钢 x里面呢?这个并不难理解,是因为 我们在炼铁炼钢的过程中有碳的存在,它就提供了碳源,同时有铁的存在,铁是一种催化剂,在今 天讲碳管的时候,还要大量地使用铁。


所以那个时候,在一定 的工艺条件下生产出的大 马士 革钢x里面有 碳纳米管就不奇怪了。


      石墨我 们大家非常熟悉,石墨烯 大家也不太陌生了,然而石 墨烯是不是也像石墨那么普通?实际上不是的,石墨烯 从石墨里面是分离出来的,我们承认这一点。然而石 墨烯给我们打开了一个广阔的视野,告诉我 们材料可以是以二维形式存在的。碳家族2014年,英国曼 彻斯特大学的两位科学家Dr. Geim和Novoselov,他们两 个人在石墨里面分离出了石墨烯,给我们 开阔了一个新的视野,以此为发端,至今为止,我们找 到了上千种二维材料。

     

石墨烯 的力学性质非常之强,它的力 学拉伸强度达到130GPa,相当于钢铁的一百倍。理论计算得到,如果石 墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米,它都能 够撑起一只大象的重量。它这么 强的力学性能从何而来?就像我们开始讲的——结构决定了性质。


它是一个二维结构,碳和碳 之间的链非常之强。在每一 个碳周围有三个邻居,这三个 邻居形成的碳的键非常短,非常强,支撑了 石墨烯的高强的力学性质。

       

它的电 学性质很值得一提,它的电 子迁移率可以达到200,000cm2/Vs,是硅的一百倍。


什么是电子迁移率呢?就是说 电子在这种材料里可以跑得多快。一个材 料的导电性由两件事情决定,一个是 电子在里面跑多快,二是有 多少电子在里面跑。


大家可 以想象一下高速公路,这条公 路上限速是多少,车可以跑多快,以有多 少车在上面跑决定了这条高速公路的运力。所以我 们在电子器件制造中,很多的 时候我们希望有一个高运力,这样的 话能加速器件的运算速度。

第 二,它的电 流密度的承受能力非常之大。好比说 我们有一个常用的导线,比如说金属线铜线,我们通电流,如果电压增加,电流增加到一定程度,电流会把铜丝烧断。


但是石 墨烯抗烧断的能力非常之高,它可以达到铜的100万倍!如果我 们用石墨烯做导线的话可以大大降低导线的重量。而且最 近的一个新发现,在双层石墨烯里面,如果转动一个角度,它会有 一些超导现象出现。


但在电 学性能中它有一项不足,就是它的零能带隙,能带[4]是关系 到一个半导体的存在的。如果这个能带合适,这就是个好的半导体。由于石墨烯是零能带,它就不是半导体,它是个金属性质,那么做 电子器件还是有一定的困难。科学家 们正在克服这些零能带造成的问题。


3.致密与大比表面积


它石墨 烯是一个很致密的材料,由于它的键很短,就是原 子和原子之间的距离很近,只有0.142nm。也就是说,包括氢气、氦气这么小的分子、原子都 没有办法穿过它。它是一 种很好的阻隔材料,比表面积可以达到2630m2/g,就是说 它的面积非常大。


石墨烯的光的性质,因为只有一种碳源,只有一层碳原子,它的透光率可以达到97.7%,也就是 说一层碳原子可以吸收2.3%的光。


这个是大还是小呢?实际上 是一个很强的光吸收,大约50层石墨 烯我们就可以把光完全吸收。这对于 其他材料来说很难。但石墨烯可以,我们只 用它其中的一层就够了,这就使 得它有很多可用的地方。

石墨烯 的导热性质非常好,目前有 两种主要的导热方式。一种叫电子导热,就是一 个材料如果它导电非常好的话,它的导热往往也很好,比如说铜和铝。


但是还有一种材料,它的导 热是不需要寄托于导电上的,它是靠声子导热的,就是说 声波的传播速度,在石墨 烯中声波的传播速度可以达到22km/s,所以它 具有非常好的导热效果。


石墨烯 由于有比较均衡的红外的吸收的谱,很少的 材料才能达到这样一个功效。中红外 和中远红外同时成像都可以。


我们可 以看到两张黑白的图,这里面 一个人拿着一个电烙铁,电烙铁 发出的光温度很高,大概三四百度。这是一 个中红外的波段,人体发 出的是远红外的波段。


这种石 墨烯的红外的成像可以让两个波段同时呈现,也可以 只让一个波段出现,上面就是只看电烙铁,下面就 是人和电烙铁都看到。我们就 可以同时对人和发动机做监控。

当下石 墨烯在中国经过了一个热潮,现在到了哪一个阶段,我们看 新技术的成长规律,它是一 个从起始到高期待,然后往下走。


它必然要往下走,这是一个基本规律,然后到 了一个低点以后开始稳步向上升,然后达到了一个平台。那个时 候才能真正进入我们的生活。山东华企新 材料科技有限公司致力于碳材料方面的研究生产,我们认 为石墨烯是值得我们期待的,它未来 一定有很大的作为,因为石 墨烯的那些性质是实实在在的;那些数 据是实实在在的数据;它有着 很高的力学性能、电学性能、各种化学性能在里面。所以石 墨烯的未来是一个可期的未来。





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