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煤炭篇之神奇的炭——炭材料改变人类生活(上)

  1 观点呈现

  新材料是战略新兴产业发展的基石

  材料是人类一切生产和生活的物质基础,历来是生产力的标志。对材料的认识和利用的能力决定着社会形态和人们的生活质量。在国家政策和下游市场的双重驱动下,我国新材料产业保持了快速增长的态势。发达国家均全力发展新材料产业,例如美国将新材料称之为“科技发展的骨肉”,我国新材料发展也由原材料、基础化工材料逐步过渡至新兴材料、半导体材料、新能源材料、节能材料。

  新能源材料包括锂电池材料、太阳能电池材料、燃料电池材料、储氢材料、核能材料等等。炭材料也是新能源材料的一种。炭材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质,因此21世纪被称为是“超碳时代”。炭材料是指以碳元素为主体构成的材料。炭材料是以碳原子为基本组成单元,通过不同键合方式,在纳米及微米尺度上以不同方式和取向进行堆叠和聚集,形成种类和性质不同的炭材料。炭材料广泛应用于新能源汽车行业、航天行业、核能行业、化工行业等等,有着十分广阔的发展前景。

  2 观点呈现

  炭材料的各种性能十分优良

  炭材料有金属和陶瓷的性能,能起到单一的金属或者陶瓷起不到的作用。炭材料具有结构多样性、聚集形态多样性、性质多样性、应用领域多样性等一系列特性。其中炭材料包含有最硬的金刚石,也有最软的石墨;包含优良的绝缘体金刚石,优良的导电体石墨、纳米碳管等;包含优良的绝热体石墨层间、炭黑、炭毡和优良的导热体金刚石、石墨纤维、纳米碳管;包含全透光的金刚石,全吸光的石墨。

  炭材料具有良好的导电导热性能。碳被认为是共价半导体和金属的中间物——半金属,膨胀系数低,既可作为金属也作为陶瓷使用。炭材料有较好的抗热震性,熔点高,热导率高,温度梯度小,同时强度随温度增加而增加。

  炭材料的化学稳定性好,在非氧化性气氛下是化学惰性,可作为耐腐蚀材料。同时炭材料具有良好的核物理性能,可以作为核反应堆材料。

  3 观点呈现

  我国炭材料的发展历程

  第一代炭材料主要是指木炭,是木材或木质原料经过不完全燃烧,或者在隔绝空气的条件下热解,所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料。利用炭的化学性质,木炭还能作燃料和还原剂炼铜和炼铁。

  第二代炭材料是指利用炭的导电、耐热、耐腐蚀、耐摩擦等物理性质,用于炼钢、炼铝等。同时还包括炭黑等,主要应用领域为橡胶工业的轮胎、塑料、化妆品等。

  第三代炭材料主要涵盖金刚石、线型碳、碳纤维、活性炭纤维、玻璃炭、金刚石薄膜、石墨层间化合物、气相生产碳纤维、中间相沥青基碳纤维、炭复合新材料等,广泛应用在珠宝首饰、高密度高能量电子元件、航天航空、储能材料、导电材料等方面。

  第四代炭材料又称新型炭材料,主要有富勒烯、纳米碳管、石墨烯、炭气凝胶等,主要应用在非线性光学器件、光导体、高强度纤维、新能源、超级电容器、催化剂、电子器件、储能电池等方面。

 
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