无机碳化学 四碳单质及其衍生物 四金刚石 石墨及其石墨层间化合物 四 碳纤维 四富勒烯 线型碳 纳米碳管
无机碳化学 碳单质及其衍生物 纳米碳管 金刚石 石墨及其石墨层间化合物 碳纤维 富勒烯 线型碳
无机碳化学 有人预言，21世纪是“超碳时代”。理由是：金刚石的人工合 成、碳纤维的开发应用、石墨层间化合物的研究、富勒烯（碳笼原 子簇)及线型碳的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单 质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。 (一)碳单质及其衍生物 在学术界，一般认为金刚石、石墨、碳笼原子簇、线型碳 是碳的几种同素异形体。 金刚石，原子晶体，碳原子间以s即杂化成键； 石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以$即杂化成键； 无定形碳和碳黑都是微晶石墨。 富勒烯（碳笼原子簇），分子晶体，碳原子间以s305p.695杂化 轨道成键(3条σ键)；碳原子上还有1条π键(s.085p.915): 线型碳，分子晶体，碳原子间以s即杂化成键。 其稳定性为：线型碳>石墨>金刚石>富勒烯
无机碳化学 金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键； 石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键； 无定形碳和碳黑都是微晶石墨。 富勒烯(碳笼原子簇)，分子晶体，碳原子间以s 0.305p 0.695杂化 轨道成键(3条键) ；碳原子上还有1条键(s0.085p 0.915); 线型碳，分子晶体，碳原子间以sp杂化成键。 其稳定性为：线型碳＞石墨＞金刚石＞富勒烯。 (一) 碳单质及其衍生物 在学术界，一般认为金刚石、石墨、碳笼原子簇、线型碳 是碳的几种同素异形体。 有人预言，21世纪是“超碳时代” 。理由是：金刚石的人工合 成、碳纤维的开发应用、石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原 子簇)及线型碳的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单 质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间
1金刚石 金刚石主要用于精密机械制造、电子 工业、光学工业、半导体工业及化学工业。 天然金刚石稀少，只限于用作装饰品，因 此人工合成金刚石正在成为碳素材料中的 重要研究开发领域。 ●金刚石的合成 金刚石合成已有四十多年的历史。已报道的合成方法大致可 分为两类： ★石墨转化法 C(石墨)±C(金刚石) △Hm°=1.828±0.084 kJ-mol-1 △G°=2.796 kJ.mol-1 △S°=-3.25±0.02 kJ.mol-1 常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的，但根据△Gm =△Hm°十T△，Sm°可见，在高温和高压（由疏松到致密）下可能实 现这种转化。其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同
金刚石主要用于精密机械制造、电子 工业、光学工业、半导体工业及化学工业。 天然金刚石稀少，只限于用作装饰品，因 此人工合成金刚石正在成为碳素材料中的 重要研究开发领域。 1 金刚石 ★石墨转化法 C(石墨) C(金刚石) △rHm ＝1.828±0.084 kJ·mol－1 △rGm ＝2.796 kJ·mol－1 △r Sm ＝－3.25±0.02 kJ·mol－1 常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的，但根据△rGm ＝△rHm ＋T△r Sm 可见，在高温和高压(由疏松到致密)下可能实 现这种转化。其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同。 金刚石的合成 金刚石合成已有四十多年的历史。已报道的合成方法大致可 分为两类:
石墨转化法可分为静态超高压高温法和动态法两种。 ·静态超高压高温法用高压设备压缩传压介质产 生3~10GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将合成腔加 热到10002000℃高温。其优点是能较长时间保持稳定的高 温高压条件，易于控制。该法可得到磨料级金刚石，但设备 技术要求高。 。动态法利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。 动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被 冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该 法作用时间短（仅几微秒），压力及温度不能分别加以控制， 但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金 刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较差
石墨转化法可分为静态超高压高温法和动态法两种。 静态超高压高温法 用高压设备压缩传压介质产 生3～10 GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将合成腔加 热到l000～2000℃高温。其优点是能较长时间保持稳定的高 温高压条件，易于控制。该法可得到磨料级金刚石，但设备 技术要求高。 动态法 利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。 动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被 冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该 法作用时间短(仅几微秒)，压力及温度不能分别加以控制， 但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金 刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较差
★气相合成法(CVD法) 气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往是附在基体上 的金刚石薄膜。研究表明，含碳气态物质在一定高温分解出的 甲基自由基，甲基自由基相当于金刚石的活性种子。因为金刚 石中的碳处于sp杂化状态，甲基中的碳也处于sp杂化状态，甲 基自由基分解后便以金刚石的形式析出。 →碳氢化合物 热解 一甲基 热解（表面石墨 原料气一 刻蚀 氢气 均裂 一原子氢 金刚石甲基(CH,) 气相合成法又可分为 ●热丝CVD法 ●等离子体化学气相沉积法(PCVD法) ●燃烧火焰法
气相合成法又可分为 热丝CVD法 等离子体化学气相沉积法(PCVD法) 燃烧火焰法 ★气相合成法(CVD法) 气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往是附在基体上 的金刚石薄膜。研究表明，含碳气态物质在一定高温分解出的 甲基自由基，甲基自由基相当于金刚石的活性种子。因为金刚 石中的碳处于sp3杂化状态，甲基中的碳也处于sp3杂化状态，甲 基自由基分解后便以金刚石的形式析出。 碳氢化合物 甲基 石墨 原料气 刻蚀 氢气 原子氢 甲基(CH3 ) 热解 热解(表面) 均裂 金刚石