碳，生命之源，它是地球上一切有機體生物的骨架元素，
是構成人體最重要的元素。
而且，“碳”
既是最硬又是最軟的材料，
既是絕緣體又是導電體，
既是隔熱材料又是導熱材料，
既是全吸光材料又是全透光材料。
碳的性能，
是不是很多元化？
為了更全面的瞭解它，
讓我們先從碳材料的發展史開始吧。
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碳材料發展簡史
A brief history of carbon materials science
碳，是不是很神奇？
看看它的發展史有沒有覺得它離我們真的很近，
低調的服務於生活的方方面面。
從最貼近我們的生活領域，
到科技前沿的航空航天、核工業；
從人類的生存中作為熱能來源的木炭，
到表達愛意濃濃的炫亮鑽石；
從開啟人類文明用來書寫的墨汁；
到遠征宇宙的碳納米管“天梯”。
這都是“碳”性能展現的不同狀態，
這些多元化的性能，
也使得科學家為之著迷，
對“碳”的研究也成為了他們永不放棄的課題。
【碳材料發展史】
生活用炭
Carbon in Life
主要以木炭、煤炭、墨的形式
被用作
取暖、烹飪和文字記錄等。
木炭
木炭（charcoal）是木材或木質原料經過不完全燃燒，或者在隔絕空氣的條件下熱解，所殘留的深褐色或黑色多孔固體燃料。
應用
人們是從什麼時候開始使用炭的雖然並不十分清楚，但如說人們發明取火的同時就與炭產生了聯繫的看法應該說是妥當的。
木炭是保持木材原來構造和孔內殘留焦油的不純的無定形碳。中國商代的青銅器和春秋戰國時代鐵器的冶煉都用木炭，利用其吸溼性來觀測氣候變化等。
燃料，電爐冶煉的還原劑，金屬精製時用作覆蓋劑保護金屬不被氧化。
在化學工業上常作二硫化碳和活性炭等的原料。用作餅乾廠、冶煉廠等的燃料，也用於水的過濾、液體的脫色和製備黑色火藥等。還在研磨、繪畫、化妝、醫藥、火藥、滲碳、粉末合金等各方面應用。
產品分類
木炭產品主要分為白炭、黑炭、活性炭、機制炭等四大類。
- 白炭
- 特點：優點燃燒時間長，不冒煙，無汙染，比重大，敲擊有金屬鋼音；缺點受潮易發爆（燃燒時發出噼裡啪啦的聲音，並有火星飛濺傷人）、價格昂貴等。
- 黑炭
- 特點：優點易點燃；缺點易發爆、不耐燒、燃燒時有煙等。
- 活性炭
- 活性炭可以說是木炭的深加工。主要產在我國南方福建、浙江一帶，他是把木炭利用氯化鋅、磷酸、硫化鉀和白雲石等化學物品活化、漂洗、乾燥、粉碎加工而成的，其生產過程對水汙染比較嚴重，國家一般限制生產。
- 機制炭
- 機制炭作為傳統木炭（傳統木炭：以樹木為原料，燒製而成，是一種毀壞資源的產業，已被國家所禁止）的替代產品，它有燃燒時間長、熱值高、不冒煙、不發爆、環保等多種優點。
煤炭
煤炭是古代植物埋藏在地下經歷了複雜的生物化學和物理化學變化逐漸形成的固體可燃性礦物。是一種固體可燃有機巖，主要由植物遺體經生物化學作用，埋藏後再經地質作用轉變而成，俗稱煤炭。煤炭被人們譽為黑色的金子，工業的食糧，它是十八世紀以來人類世界使用的主要能源之一。
應用
雖然煤炭的重要位置已被石油所替代，但在相當長的一段時間內，由於石油的日漸枯竭，導致它必然走向衰敗，而煤炭因儲量巨大，加之科學技術的飛速發展，煤炭汽化等新技術日趨成熟，並得到廣泛應用，煤炭必將成為人類生產生活中的無法替代的能源之一。
煤炭的用途十分廣泛，可以根據其使用目的總結為三大主要用途：（1)動力煤，（2)煉焦煤，（3）煤化工用煤，主要包括氣化用煤，低溫乾餾用煤，加氫液化用煤等。
產品分類
煤炭是世界上分佈最廣闊的化石能資源，主要分為煙煤和無煙煤、次煙煤和褐煤等四類。
墨
墨是中國古代書寫和繪畫用到的墨錠。墨的主要原料是炭黑、松煙、膠等，是碳元素以非晶質型態的存在。通過硯用水研磨可以產生用於毛筆書寫的墨汁，在水中以膠體的溶液存在。
【碳材料發展史】
傳統工業用炭
Carbon in Traditional Industries
主要以電極、炭黑、電刷的形式
被用作
冶金、橡膠輪胎、電動機械等領域。
焦炭鍊鐵
焦炭一種固體燃料，質硬、多孔、發熱量高、用煤高溫乾餾而成，多用於鍊鐵。焦碳通常按用途分為冶金焦（包括高爐焦、鑄造焦和鐵合金焦等）、氣化焦和電石用焦等。
應用
針對從17世紀到18世紀木炭資源缺乏的實際情況，提出了新炭材料資源即利用煤的要求，有數代先驅者開始了煤炭鍊鐵的實驗。
焦炭的生產在18世紀末取得較大進步，蜂巢式焦爐替代了以前生產木炭式的窯，焦炭的質量取得了決定性的改善。
最初焦炭的使用僅限於生產生鐵，1783年H.Cort和P.Onions獨立地研究用焦炭把生鐵煉成鋼，而發明了攪拌（Paddling）型爐並應用。這是一種將反射爐中熔融的鐵水用鐵棒不斷攪拌，讓碳及其它雜質燃燒逸出，把生鐵完全變成柔韌鋼錠的方法。
H.Cort把小塊煅鋼放在帶槽的壓延機加工，得到了典型的具有纖維狀組織、耐腐蝕的優質鍛造鋼。這項發明使Cort成為近代壓延機之父。此外，這種方法提供的鋼是液態的，把鋼水倒入鑄模就可以成為鑄鋼。這就給鐵冶金工業所有的工序帶來影響。
針對從17世紀到18世紀木炭資源缺乏的實際情況，提出了新炭材料資源即利用煤的要求，有數代先驅者開始了煤炭鍊鐵的實驗。
產品分類
氣化焦
是專用於生產煤氣的焦碳。主要用於固態排渣焦碳的固定床煤氣發生爐內，作為氣化原料，生產以CO和H2為可燃成分的煤氣。
電石焦
電石用焦是在生產電石的電弧爐中作導電體和發熱體用的焦碳。電石用焦加入電弧爐中，在電弧熱和電阻熱的高溫（1800-2200℃）作用下，和石灰髮生複雜的反應，生成熔融狀態的炭化鈣（電石）。
鐵合金焦
鐵合金焦是用於礦熱爐冶煉鐵合金的焦碳。鐵合金焦在礦熱爐中作為固態還原劑參與還原反應，反應主要在爐子中下部的高溫區進行。以冶煉歸鐵合金為例，其反應式為SiO2（液）+2C（固）=Si（液）+2CO（氣），隨著反應的進行，焦碳中的固定碳不斷消耗，主要以CO形式從爐頂逸出。焦碳灰粉中的三氧化二鋁（Al2O3）、氧化鐵（Fe2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)和五氧化二磷(P2O5)等，部分或大部分被還原出來，進入合金中；未參加反應的部分進入爐渣。焦碳中的硫和硅生成硫化硅和二硫化硅後揮發掉。冶煉不同品種的鐵合金，對焦碳質量的要求不一，生產硅鐵合金時對焦碳質量要求最高，所以能滿足硅鐵合金生產的鐵合金焦，一般也能滿足其他鐵合金生產的要求。
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石墨電極
石墨電極，主要以石油焦、針狀焦為原料，煤瀝青作結合劑，經煅燒、配料、混捏、壓型、焙燒、石墨化、機加工而製成，是在電弧爐中以電弧形式釋放電能對爐料進行加熱熔化的導體，根據其質量指標高低，可分為普通功率、高功率和超高功率。
電爐鍊鋼用電極
電爐鍊鋼用電極不但用於電弧而且也在爐外精煉的LF（Ladle Furnace）使用。當初的LF是單純對鋼脫氧時溫度下降而進行溫度補償設置的。LF具有溫度補償，又可向鋼包中添加還原劑，使鋼種擴大，質量改善，合格率上升，也是實現連鑄配合不可缺少的設備。
電極的使用環境
電弧爐中使用的鍊鋼用電極的作用是讓鐵屑和電極間產生電弧。爐內溫度超過1500 ℃，弧端溫度在3500℃以上，因此作為電極材料不但要具有導電性，還要具有在高溫下不熔融變形，保持一定的機械強度。人造石墨電極因符合上述條件而成為唯一的實用材料。
電極消耗分正常的連續消耗和異常的不連續消耗，後者是脫落或折損消耗。
電極前端部因產生電弧局部加熱而受到很大的熱應力，產生掉塊。另外在追加鐵屑，再通電時的急冷急熱，大電流通過時電極內部的溫度差，由此產生的徑向環應力和剪切應力使電極產生裂紋，在電極前端部的連接處，常發生脫落或掉塊折損。
電極從機械作用角度講也是在過酷條件下使用。鐵屑崩塌對電極的衝擊很大，常常造成電極卡箍下鏈接接頭最大徑附近或孔底處折斷。
熔解末期是超過1500℃的高溫，吹氧精煉或流入的空氣使爐內成為氧化性氣氛，在這樣環境下，電極側部會連續消耗。
此外，電極端部會由於電弧熱昇華，會因與爐渣或熔鋼接觸而遭侵蝕。
今後的方向
1990年以來，日本直流電弧爐發展迅速，100噸以上的大型爐不斷投產。
交流電弧爐為降低閃爍，增大有效功率，降低電極消耗，也在穩步地向追加電抗器的電弧爐轉換。
這樣的背景下，日本國內在實施了夜間操作的基本體制下生產率提高，對各種消耗要求進一步降低。這樣一來，就要求電極能提高耐折損性和耐剝落性，抑制氧化。
抗氧化塗層石墨電極
表面塗覆一層抗氧化保護層（石墨電極抗氧化劑）的石墨電極。形成既能導電又耐高溫氧化的保護層，降低鍊鋼時的電極消耗（19%~50%），延長電極的使用壽命（22%~60%），降低電極的電能消耗。
① 石墨電極單位消耗的較少，生產成本有一定的降低。
② 石墨電極所耗電能較少，節約單位鍊鋼電消耗量，節約了生產成本，節能。
③ 由於石墨電極換次數較少，就較少了操作工人勞動量和危險係數，提高了生產效率。
④ 石墨電極是低消耗和低汙染產品，在節能減排環保提倡的今天，具有非常重要的社會意義。
這種技術在國內尚處於研究開發階段，也有些國內廠家也開始生產。在日本等發達國家有得到比較廣泛的應用。目前國內也出現了專門進口這種抗氧化保護塗層的公司。
產品分類
普通功率石墨電極
允許使用電流密度低於 17A/釐米2的石墨電極，主要用於鍊鋼、煉硅、煉黃磷等的普通功率電爐。
高功率石墨電極
允許使用電流密度為18～25A/釐米2的石墨電極，主要用於鍊鋼的高功率電弧爐。
超高功率石墨電極
允許使用電流密度大於 25A/釐米2的石墨電極。主要用於超高功率鍊鋼電弧爐。
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碳刷
碳刷（Carbon brush）也叫電刷，作為一種滑動接觸件，在許多電氣設備中得到廣泛的應用。碳刷在產品應用材質主要有石墨，浸脂石墨，金屬（含銅，銀）石墨。碳刷是電動機或發電機或其他旋轉機械的固定部分和轉動部分之間傳遞能量或信號的裝置，它一般是純碳加凝固劑製成，外型一般是方塊，卡在金屬支架上，裡面有彈簧把它緊壓在轉軸上，電機轉動的時候，將電能通過換相器輸送給線圈，由於其主要成分是碳，稱為碳刷，它是易磨損的。應定期維護更換，並清理積碳。
碳刷的功能
碳刷也被稱作電刷，形狀如下：
（碳刷形狀的概念圖）
碳刷是與電機或發電機的旋轉部件既整流器（換向器）相接觸、摩擦的同時發揮導電功能的炭素產品。使用時的功能如下圖：
（碳刷功能的概念圖）
其組裝方式是將碳刷裝入刷握（碳刷架）中，用彈簧壓住，使碳刷與旋轉的換向器保持接觸。
在碳刷的刷體上裝有銅製導線。用於電機時，電流經導線通過碳刷導入與其相摩擦接觸的換向器表面。用於發電機，與此相反，電流從換向器流向碳刷。
要使碳刷與換向器保持穩定的摩擦接觸，就需要在銅製的換向器接觸面上生成穩定的氧化銅皮膜。為此，就有必要尋求碳刷材質、彈簧壓力及電流密度等方面的最適合的條件。同時，電機的運轉環境（溫度、溼度、氣氛、塵埃）以及碳刷通過換向器片時因換向作用而產生的火花的大小對氧化皮膜的產生狀況也有很大的影響。
碳刷的材料
因為碳刷起著與轉子（集電環）之間電流的傳導作用，需要有良好的摩擦性能和導電性能。早期，碳刷的材質以石墨質為主，現在開發出了天然石墨質、人造石墨質、金屬石墨質及樹脂石墨質（石墨、金屬和樹脂的結合材質）等各種各樣的材質。可以根據用途選定適合的材質。人造石墨質的碳刷主要適合於對換向性能要求高的用途；而金屬石墨質的碳刷則適合於電流容量大的用途。
產品分類
金屬石墨碳刷
該類碳刷的主要材料是電解銅和石墨。根據使用需要有時也採用銀粉（精密儀器上用的，非常貴）、鋁粉、鉛粉等其他金屬，這些碳刷裡面又有含黏結劑和不含黏結劑之分。這類碳刷既有石墨的摩擦特性又有金屬的高導電性，因此，適用於高負荷和換向要求不高的低電壓電機（如汽車啟動馬達等）。其圓周速度不超過30米/秒。
碳刷
天然石墨是該類碳刷的主要原材料黏結劑採用瀝青或樹脂，經過烘焙或1000度燒結而成。這類電機有良好的潤滑性能和集流性能。多數用於運行平穩的中小型直流電機和高速汽輪發電機集電環；電氣石墨主要成分是碳黑、焦碳和石墨等各種碳素粉末材料組成，這類碳刷具有優異的換向性和自潤滑性能，廣泛用於各類交直流電機不但壽命長，而且對換向器的磨損小。
應用
在東洋炭素集團，我們提供完整系列的碳刷，包括用於一般工業用途、吸塵器、汽車、家電、電動工具、電力供應、微電機等的碳刷。
汽車電機用的碳刷如下圖：
汽車上有很多電機，不同的電機需要使用與其性能相適應的碳刷。特別是近年來，基於便利性和舒適性的考慮，汽車上輔助類的電機越來越多，1臺高級轎車所需要的碳刷甚至超過了100只。由於汽車電機的電源是由電池供給的12～24V低電壓，為了儘量減少電損，通常使用電阻率較低的含銅的金屬石墨質碳刷。
一般工業
直流電機
電力機車
風力發電
電力供應
起重機
真空吸塵器
真空吸塵器
家電
洗衣機
電動工具
圓盤磨床
微電機等
打印機
東洋炭素集團不斷為應用於不同用途的碳刷實現最佳性能而進行研究。至今，我們已經成功地開發了一系列新產品，包括特殊塗層碳刷、帶切斷裝置的碳刷、汽車燃油泵碳刷和碳盤，等等。
汽車燃油泵碳刷和碳盤
碳滿足汽車燃油泵換向器所需的許多條件。東洋炭素已為換向器開發最佳的碳刷材料和低磨損的碳盤。我們可以提供理想的碳刷材料，以符合使用條件。
帶切斷裝置的碳刷
在其使用壽命結束時，當彈簧壓力降低，碳刷由於換流有產生更大火花的傾向。帶切斷裝置的碳刷磨損時，迅速切斷電流，以減少換向器損失。東洋炭素根據碳刷類型和應用提供切斷設計。
特殊塗層碳刷
此碳刷表面有一層導電金屬薄膜塗層。塗層可以減少與電阻和溫度上升相關的損失，而且不影響碳刷的使用壽命和換向性能。這些碳刷用於小型高速真空吸塵器、電動工具電機等用途。
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活性炭
活性炭又稱活性炭黑。是黑色粉末狀或塊狀、顆粒狀、蜂窩狀的無定形碳，也有排列規整的晶體碳。活性炭主成分除了碳以外還有氧、氫等元素。活性炭中除碳元素外，還包含兩類摻和物：一類是化學結合的元素，主要是氧和氫，這些元素是由於未完全炭化而殘留在炭中，或者在活化過程中，外來的非碳元素與活性炭表面化學結合，如用水蒸氣活化時，活性炭表面被氧化或水蒸氣氧化；另一類摻和物是灰分，它是活性炭的無機部分；灰分在活性碳中易造成二次汙染。
應用
石化行業：
無鹼脫臭（精製脫硫醇）—— 重催的精製裝置；乙烯脫鹽水（精製填料）——乙烯裝置；催化劑載體（鈀、鉑、銠等）——苯乙烯、連續重整裝置、水淨化及汙水處理——上水及下水的深度處理。
電力行業：
電廠水質處理及保護— —鍋爐裝置。
化工行業：
化工催化劑及載體、氣體淨化、溶劑回收、及油脂等的脫色、精製。
食品行業：
飲料、酒類、味精母液及食品的精製、脫色、提純、除臭。
黃金行業：
黃金提取——適用炭漿法、堆浸法提金工藝；尾液回收——金礦的廢物利用及環境保護。
環保行業：
用於汙水處理、廢氣及有害氣體的治理、氣體淨化。
相關行業：
香菸濾嘴、木地板防潮、吸味、汽車汽油蒸發汙染控制，各種浸漬劑液的製備等，比如活性炭可以作為活性碳罐的填充物用來生產摩托車碳罐汽車碳罐等。
活性炭在初期主要應用是粉炭在糖業中逐步代替了原來的骨炭。在20世紀20年代的第一次世界大戰中出現的顆粒大量應用於防毒面具。這是工業化學史上輝煌的一頁。
歷史事件
通過防毒面具應用的推動，活性炭歷史進入了第二階段，活性炭市場不斷擴大，活性炭的吸附和催化功能在眾多行業的精製、回收、合成上的應用陸續開發，美國等的活性炭廠陸續開設。在20世紀中葉不斷拓展應用面的活性炭，被視為“萬能吸附劑”。
1927年美國芝加哥自來水廠發生了廣大居民難以接受的自來水惡臭事故，這是由於原水中的苯酚和消毒用的氯生成異臭所致。德國等地的自來水廠也發生了同樣的事故，這些事故都是用活性炭來解決的。
【碳材料發展史】
新興工業用炭
Carbon in Modern Industries
主要以
等靜壓石墨、熱解石墨、熱解炭的形式
被用作
精密加熱器、高強結構、新型電池、核反應器等。
等靜壓石墨
等靜壓石墨是上世紀40年代發展起來的一種新型石墨材料，具有一系列優異的性能。等靜壓石墨的耐熱性好，在惰性氣氛下，隨著溫度的升高，其機械強度反而升高，在2500℃左右時達到最高值；與普通石墨相比，結構精細緻密，而且均勻性好；熱膨脹係數很低，具有優異的抗熱振性能；各向同性、耐化學腐蝕性強、導熱性能和導電性能良好；具有優異的機械加工性能。正是由於具有這一系列的優異性能，等靜壓石墨不僅在民用上大有作為，在國防尖端上佔有重要地位，屬新型材料，令人矚目。它是製造單晶爐、金屬連鑄石墨結晶器、電火花加工用石墨電極等不可替代的材料，更是製造火箭噴嘴、石墨反應堆的減速材料和反射材料的絕好材料。
應用
太陽能電池及半導體晶片用石墨
在太陽能、半導體行業中，大量使用等靜壓石墨，製作單晶直拉爐熱場石墨部件，多晶硅熔鑄爐用加熱器，化合物半導體制造用加熱器、坩堝等部件。近年來，太陽能光伏發電發展迅猛，光伏產業中的單晶硅和多晶硅生產對石墨需求量巨大。目前，單晶、多晶硅產品均朝大型化、高端化發展，對等靜壓石墨也有了更高的要求，即：更大規格、更高強度、更高純度。
有色冶金連鑄用石墨結晶器
為了縮短生產工藝流程，降底成本，提高質量，減少勞動強度和對環境的汙染，20多年來金屬材料生產逐漸向連鑄方向發展。
等靜壓石墨主要用於大型銅材生產線。自1985年開始，我國從奧地利、法國、瑞士、日本等國先後引進30多條生產線，而國內自行設計製造的生產線已達到100多條，均採用石墨結晶器。
電極石墨
電火花加工是當今模具行業的一次革命，它不僅簡化了傳統工藝手段，而且使製造異形模具成為可能。石墨無熔點，是電的良導體，抗熱振性好，是極佳的電火花加工電極材料。普通石墨材料，為粗顆粒結構低密度各向異性石墨，不能滿足電火花加工的需求，而等靜壓石墨因具有各向同性，是製造電火花石墨電極的最佳材料。
單晶硅生產石英坩堝模具用石墨材料
石英坩堝是直拉單晶硅的容器，而製造石英坩堝用石墨坩堝作為成型材料。
高氣冷堆堆芯結構石墨材料
等靜壓石墨具有中等的力學性能，特別出色的高溫力學性能，導熱係數大，線膨脹係數低。在高溫氣冷堆中，主要用作反射劑、慢化劑及活性區結構材料，同核燃料一道構成核燃料組件。在400～1200℃的溫度下，受高能γ射線和快中子的放射線，時間長達數年之久，容易造成輻照損傷，從而改變石墨的結構和性質，所以要求材料的石墨化度高、各向同性度好、組成均一、彈性模量低。
核石墨與常規工程用石墨的主要區別有兩點，核純和耐輻照損傷。當前，國內核石墨材料的研製尚缺輻照試驗這一環節，這是下一步研製中必須面對過程，除輻照要求外，核石墨在冷態狀態下的質量要求是：規格大型化、質量穩定、熱穩定性好、熱膨脹係數低。目前，我國只能生產少量的高溫氣冷堆反應用核石墨，主要還是依賴進口。
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熱解石墨
熱解石墨是新型炭素材料，是高純碳氫氣體在一定的爐壓下，在1800℃～2000℃的石墨基體上經化學氣相沉積出的較高結晶取向的熱解碳，它具有高密度（2.20g/cm）、高純度（雜質含量（0.0002%）和熱、電、磁、力學性能各向異性。在1800℃左右仍能維持10mmHg的真空度。
應用
主要應用
石墨加熱器、導流桶、PBN/PG複合加熱器、原子吸收管。
塗層產品應用
半導體行業中，拉制硅單晶導流筒。
半導體行業石墨加熱器塗層。
晶片退火工藝PBN/PG複合加熱器塗層。
分析儀器用的原子吸收管熱解石墨塗層。
電子束蒸發蒸鋁坩堝。
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熱解碳
熱解碳和熱解石墨是一種具有特殊結構和性能的氣相沉積碳。
熱解碳按其特性可以分為高密度的緻密熱解碳與低密度的疏鬆熱解碳和各向同性與各向異性熱解碳。其性能和結構取決於熱解溫度。800-1000℃以下熱解的是熱解碳,在 1400-2000 ℃ 熱解或更高溫度下處理的叫熱解石墨。熱解碳的性質結構取決於其製造條件，其中以沉積溫度為重。
從其反應機理上說,製備熱解碳要經歷兩個階段:
1 發生炭化過程, 生成焦碳和分離的揮發產物。
2 生成的產物降解成熱解碳、水、氣體。
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碳纖維
碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高於鋼鐵，並且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本徵特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。
應用
碳纖維碳材料已在軍事及民用工業的各個領域取得廣泛應用。從航天、航空、汽車、 電子、機械、化工、輕紡等民用工業到運動器材和休閒用品等。碳纖維增強的複合材料可以應用於飛機制造等軍工領域、風力發電葉片等工業領域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用於製造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。球棒等體育領域。碳纖維是典型的高科技領域中的新型工業材料。
複合材料
由於碳纖維複合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好以及設計性好、可大面積整體成型等特點，已在航空航天、國防軍工和民用工業的各個領域得到廣泛應用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是製造先進複合材料最重要的增強材料。
土木建築
碳纖維也應用在工業與民用建築物、鐵路公路橋樑、隧道、煙囪、塔結構等的加固補強，在鐵路建築中，大型的頂部系統和隔音牆在未來會有很好的應用，這些也將是碳纖維很有前景的應用方面。另外， 碳纖維做補強混凝土結構時， 不需要增加螺栓和鉚釘固定，對原混凝土結構擾動較小， 施工工藝簡便。
產品分類
壓力容器
壓力容器採用碳纖維複合材料製作，主要用在汽車的壓縮天然氣罐上，而且還用在救火隊員的固定式呼吸器上。CNG罐源於美國和歐洲國家，日本和其他的亞洲國家也對這項應用表現出了極大的興趣。
風力發電機葉片
世界上風力發電機組的發電機額定功率越來越大，與其相適應的風機葉片尺寸也越來越大。為了減少葉片的變形，在主乘力件如軸承和葉片的某些部位採用碳纖維來補充其剛度。中國‘十五’期間的風機裝機總容量已達到1。5G瓦，因而碳纖維在風力發電機葉片上的應用前景看好。
碳纖維在風能、核能和太陽能等新能源領域也具有廣闊的應用前景。當風力發電機功率超過3MW，葉片長度超過40米時，傳統玻璃纖維複合材料的性能已經趨於極限，採用碳纖維複合材料製造葉片是必要的選擇。只有碳纖維才能既減輕葉片的重量，又能滿足強度和剛度的要求。
碳纖維布
碳纖維布又稱碳素纖維布，碳纖布，碳布，碳纖維織物，碳纖維帶，碳纖維片材（預浸布）等 。碳纖維布是一種單向碳纖維產品，通常採用12K碳纖維絲織造。重量最輕的是1K碳布，中國碳纖維車架單車、三角架基本使用3K碳布。1K碳纖維管材由於從碳絲的等級，樹脂的成分，碳布的密度，成型的壓力溫度等等工藝都非常嚴格，1K碳布價格是3K碳布的3倍。可提供兩種厚度：0.111mm（200g）和0.167mm（300g）。碳纖維布強度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固構件自重及截面尺寸。碳纖維廣泛適用於建築物橋樑隧道等各種結構類型、結構形狀的加固修復和抗震加固及節點的結構加固。
碳纖維複合材料抽油杆
有關數據表明，至2008年有8%到10%更新或新增的抽油杆用碳纖維複合材料抽油杆取代，共需碳纖維320到420t。預測至2010年如果按15%的取代量計算，則碳纖維消耗量可達624噸。
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膨脹石墨
作為一種新型功能性碳素材料，膨脹石墨(Expanded Graphite，簡稱EG)是由天然石墨鱗片經插層、水洗、乾燥、高溫膨化得到的一種疏鬆多孔的蠕蟲狀物質。EG 除了具備天然石墨本身的耐冷熱、耐腐蝕、自潤滑等優良性能以外，還具有天然石墨所沒有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性、生態環境協調性、生物相容性、耐輻射性等特性。
應用
環保領域
膨脹石墨有疏水性和親油性,可以在水中有選擇性地除去非水性的溶液,如從海上、河流、湖泊中除去浮油。
密封材料
膨脹石墨可後處理成柔性石墨作為密封材料使用。
生物醫學
膨脹石墨有良好的生物相容性、無毒、無味、無副作用等特點,是一類非常重要的生物醫學材料。
高能電池材料
在可充鋅錳電池的鋅陽極中添加膨脹石墨可以減小鋅陽極充電時的極化,增強電極及電解液導電性,抑制枝晶形成,並能提供良好的成型特性,抑制陽極溶解和變形,延長電池壽命。
相變儲熱材料
相變儲熱材料的導熱性能不好,換熱性能差,影響其儲能和釋能效率。同時複合相變材料中多孔介質的孔隙率較小,內含相變材料少,導致其儲能量低,這些缺點都限制了該材料的應用和發展。膨脹石墨豐富的孔隙結構、高導熱性能，可以很好的彌補這些缺陷。
防火安全材料
國外已於機艙座椅的夾層中添加部分可膨脹石墨,或將其製成防火密封條、防火堵料、阻火圈等,一旦起火迅速膨脹,堵塞火災蔓延通道,達到滅火目的。此外,將可膨脹石墨的細顆粒加入到普通塗料中,可製得效果較好的阻燃防靜電塗料。
蔡曉霞等對聚磷酸銨(APP)和膨脹石墨(EG)協同阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)及其阻燃機理進行了研究。結果表明,APP和EG對EVA具有良好的協同阻燃效果。
產品分類
柔性石墨密封材料按其用途，主要分為兩大類：一類用於各種泵、閥門、反應釜上的密封填料；另一類是用於各種管道法蘭上的石墨墊片。
密封填料
密封填料是將切成適當寬度和長度的膨脹石墨帶纏繞在不同規格的金屬模中，在壓力機上直接成型的預成填料，適用於各種截止閥、閘閥、調節閥、球閥、加閥等。
密封墊片
通常可分為兩種，一種是純石墨墊片，它是用膨脹石墨粒料直接在金屬模中壓制成型，也可用膨脹石墨板材直接衝裁或切割而成；另一種是石墨纏繞墊，是以金屬帶和膨脹石墨重疊捲成，可以在較高壓力下使用。
石墨盤根
石墨盤根是用棉纖維或石墨纖維同石墨卷箔編織而成的密封材料。以棉纖維為芯的石墨盤根（SPM型）適用於壓力12MPa、溫度200℃以下的管道、閥門、機泵等的密封，接觸介質可為河水、自來水、地下水、海水、油類等。以石墨纖維為芯的石墨盤根（SPS型）適用於壓力12MPa、溫度350℃以下的管道、閥門、機泵等的密封，接觸介質除了各種水、油類外，還可以接觸酸鹼物質。
【碳材料發展史】
未來用炭
Carbon in Future
主要以
富勒烯、炭納米管、石墨烯的形式
被用在
通訊、太空探索、生物醫藥等領域。
富勒烯
富勒烯（Fullerene) 是單質碳被發現的第三種同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結構存在的物質，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一類物質。富勒烯與石墨結構類似，但石墨的結構中只有六元環，而富勒烯中可能存在五元環。1985年Robert Curl等人制備出了C60 。1989年，德國科學家Huffman和Kraetschmer的實驗證實了C60的籠型結構，從此物理學家所發現的富勒烯被科學界推向一個嶄新的研究階段。富勒烯的結構和建築師Fuller的代表作相似，所以稱為富勒烯。
應用
工業
富勒烯是一種新發現的工業材質， 它的特性： 1.硬度比鑽石還硬2.軔度(延展性)比鋼強100倍 3.它能導電，導電性比銅強，重量只有銅的六分之一4.它的成分是碳，所以可從廢棄物中提煉。
可想像我們的未來生活中將有“無金屬電線”“富勒烯(非金屬)鋼筋的建築物”“富勒烯防彈背心”“富勒烯汽車殼”……
構想中的“東京灣金字塔城”亦將富勒烯列為主要建材，納米巴克管(富勒烯)分子可無限延伸(巴克管長度越長，其原子數越多，所以巴克管的原子數不一定是C60)，且巴克管分子是碳原子自動組合而成。
電、光、磁
C60本身的對稱性決定了C60自身有非線性光學性質。作為一種新的化合物，研究其電、磁、光等應用是非常重要的，實際上C60就是因為摻雜鹼金屬在一定條件下具有超導電性，其電荷轉移複合物有鐵磁性而引起人們極大興趣和關注。
物理性質的應用
潤滑劑和研磨劑C60具有特殊的圓球形狀，是所有分子中最圓的分子；另外， C60的結構使其具有特殊的穩定性。在分子水平上，單個C60分子是異常堅硬的，這使得C60可能成為高級潤滑劑的核心材料。
•CVD金剛石膜
富勒烯的另一潛在的應用是它們可作為金剛石薄膜生長的均勻成核位置而起重要作用。
金剛石薄膜在軍事方面具有許多應用價值，如作為裝甲車表面的抗衝擊覆蓋層，用於製成光學（X射線，粒子束）窗口，半導體晶片，高硬度表面齒輪，金剛石-纖維合成材料，以及高溫和防輻射電子器件等。
•高強度碳纖維
1991年日本電氣公司的飯島發現了一種管狀碳——巴基管，巴基管具有獨特的幾何結構和奇妙的導電性質，同時具有高抗張強度和高度熱穩定性。巴基管的這種特殊的電學和機械性能使其具有巨大的應用價值。
•高能轟擊粒子
C60能夠得到或失去電子形成離子，帶電巴基球可以用作物理碰撞的高能轟擊粒子。
在電化學方面的的應用
•光導體
光導材料是複印機、傳真機和激光打印機的基本部分，舊的光導材料使用硒作為感光劑，較為先進的有機光導聚合物已經代替了硒材料。美國杜邦公司的研究人員發現用1%的C60（可能是C60和C70的混合物）摻雜的PVK聚合物是一類全新的高性能光導體，類似的產品已經應用於靜電覆印技術中。
•超導材料
摻雜C60超導體的發現是超導領域的又一重大成果，這種超導體具有相對較高的臨界溫度，摻雜C60超導體的臨界溫度不僅遠遠高於所有的有機分子超導體，而且也大大高於以前發現的金屬和合金超導體，只比炙手可熱的氧化物陶瓷超導體低。
•非線性光學器件
實驗和理論研究表明，C60和C70等富勒烯都是良好的非線性光學材料， C60 /C70混合物（ C70約佔10%）的非線性光學系數約為1.1×10-9esu， C76甚至還具有光偏振性。
C60薄膜具有很高的光學效率，這一性質使得 C60在激光光學通信和光學計算機方面有著重要的潛在應用，並有望在短期內付諸實現。
護膚品
由於富勒烯能夠親和自由基，具有極強的抗氧化能力，能夠起到活化皮膚細胞，預防肌膚衰亡的作用。關於富勒烯在清除自由基方面的功效目前已有近3萬篇論文被髮表，近3千個專利獲得了認可。正因如此，21世紀以來富勒烯開始被用作化妝品原料，具有抗皺、美白、預防衰老的卓越價值，成為備受矚目的尖端美容成分。
多元體研究
富勒烯衍生物與卟啉、二茂鐵等富電子基團共價或非共價形成多元體，用於研究分子內能量、電荷轉移、光致能量和電荷轉移。
有機太陽能電池
自1995年俞剛博士將富勒烯的衍生物PCBM（[6,6]-phenyl-c61-butyricacid methyl ester，簡稱PC61BM或PCBM）用於本體異質結有機太陽能電池以來，有機太陽能電池得到了長足的發展，其中有三家公司已經將摻雜PCBM的有機太陽能電池商用，迄今大部分有機太陽能電池以富勒烯做為電子受體材料。
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碳納米管
1991年日本NEC公司實驗室的專家飯島（Iijima）發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子即碳納米管。碳納米管具有典型的層狀中空結構特徵,構成碳納米管的層片之間存在一定的夾角碳納米管的管身是準圓管結構，並且大多數由五邊形截面所組成。管身由六邊形碳環微結構單元組成, 端帽部分由含五邊形的碳環組成的多邊形結構，或者稱為多邊錐形多壁結構。是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。
分類
碳納米管按照石墨烯片的層數分類可分為：單壁碳納米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）和多壁碳納米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs），多壁管在開始形成的時候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多壁管的管壁上通常佈滿小洞樣的缺陷。與多壁管相比，單壁管是由單層圓柱型石墨層構成，其直徑大小的分佈範圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。
應用前景
炭納米管可實現存儲器微型化
碳納米管自身重量輕，具有中空的結構，可以作為儲存氫氣的優良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶式的儲氫容器。
在碳納米管的內部可以填充金屬、氧化物等物質，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以製備出最細的納米尺度的導線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學器件或納米電子學器件中得到應用。
利用碳納米管的性質可以製作出很多性能優異的複合材料。例如用碳納米管材料增強的塑料力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的碳納米管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高，不易對環境造成影響。
碳納米管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管，給化學家提供了進行納米化學反應最細的試管。碳納米管上極小的微粒可以引起碳納米管在電流中的擺動頻率發生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質量。隨後德國科學家研製出能稱量單個原子的“納米秤”。
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石墨烯
石墨烯（Graphene）是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統稱。於2004年問世，其發現者英國曼徹斯特大學安德烈-海姆教授於2010年獲得諾貝爾物理學獎。
分類
單層石墨烯（Graphene）
指由一層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子構成的一種二維碳材料。
雙層石墨烯（Bilayeror double-layer graphene）
指由兩層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
少層石墨烯（Few-layer）
指由3-10層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
多層或厚層石墨烯（multi-layer graphene）
指厚度在10層以上10nm以下苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
主要應用
隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，基於已有的研究成果，最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。
消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。
新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低製造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題。
由於高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。
參考：東洋碳素
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