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《研炭翁说碳》(八):​不断提升人类生活质量的碳

时间:2020-06-30   作者:王茂章/文;郭晓倩/编辑   
不断提升人类生活质量的碳——碳作为材料的开发

碳原子的最大特点是不但能与其它大多数元素互相化合,而且碳原子之间也能相互连接,形成各种各样的链状、环状、层状或笼状结构。碳是形成人体组织的骨架元素,它也可在人类生产和生活所利用的一些材料中起着独特的作用。人类在文明的发展过程中不断认识、发现碳的特性及功能,不断地合成、开发和利用各种各样的含碳有机物质和无机碳质材料。

 

人类进化以来,很早就开始利用各种含碳物质和炭材料。人直立起来后,首先学会的是用含碳的植物作燃料来取暖和烹煮食物。然而,直到公元18世纪,人们才逐渐认识到,碳是一种元素,发现木炭、煤炭、石墨和金刚石都是由碳元素组成。18世纪之前,人类仅将碳作为一种资源。我国在公元前5-6世纪就已将烟炱制成墨汁,18世纪英、德、法等国用天然石墨制成铅笔,这些都为推动人类文化事业的进步做出了贡献。早在公元前30世纪的埃及和10世纪左右的殷代,人类就已利用木炭中的碳作为能源和还原剂还原矿石以获取铜、铁等金属,使人类进化到青铜时代和铁器时代。

 

钢铁是现代社会的物质基础,是建筑、运输、制造业和人们日常生活必不可少的材料,但钢铁工业的发展却离不开碳。人类从18世纪开始用焦炭作还原剂,至今炼铁用焦炭的产量仍然是含碳原料中加工和使用量最大的。但是,你知道吗?铁中如果没有碳,就既没有强度也没有硬度,只有碳才能“点铁成钢”。钢是含碳量为0.03%2%的铁碳合金,随含碳量升高,碳钢的硬度增加、韧性下降。然而,当含碳量超过2%4.3%时,这一铁碳合金又变成了硬而脆,但能耐压、耐磨的生铁。你看,碳的作用不是太神奇了吗?19世纪随着电炉炼钢的开发,利用碳的导电性、耐高温性和耐腐蚀性,通过天然石墨或者焦炭的烧结和高温石墨化处理制造的各种高功率及超高功率的人造石墨电极得到发展,从而极大地改善了炼钢过程。再后来,随着电力、电解和机械工业的发展,利用碳的导电性、润滑性的各种炭电极、电刷和电极糊在炼铝和生产烧碱等方面也得到了应用。


石墨电极

鉴于其表面和孔结构特性,骨炭(含碳10%)、木炭等从远古时期就被人们用于吸收臭气,脱除杂色以及防腐、防水和药用。20世纪初,活性炭就已经工业化生产,当今粉状、粒状、球状、纤维状的活性炭在净化空气、治理废水等环境保护方面发挥着日益重大的作用。炭黑生产在19世纪才发展起来,也在炸药、印刷油墨、涂料、电极等材料中起着难以替代的作用,而在现代人们生活必不可少的橡胶中,必需用炭黑作补强剂和填料。炭黑在这方面的消耗量几乎为橡胶消耗量的一半,橡胶用炭黑占炭黑消耗总量的94%。没有炭黑恐怕汽车轮子就很难跑起来!

 

20世纪后半期,基于碳科学的发展,有意识地利用碳原子小而轻、耐中子辐射、且具有大的结合能等特性,制造了包括核反应堆等使用的高密、高纯、高强石墨,热解石墨,柔性石墨,玻璃炭,各向同性炭,高性能炭粉及金刚石薄膜等,这些碳质制品都逐渐得到开发和应用。特别是强度大、模量高、质量轻的炭纤维得到迅速开发,并作为增强剂用于增强树脂、金属、陶瓷等,使各类复合材料在航天、航空等工业及文体用品等领域得到广泛应用。可以说,没有炭纤维的开发就没有航天事业的今天。

 

人们基于对碳的特殊性和多样性认识的进一步深化,通过综合利用其物理、化学、光、电、磁及核物理等综合特性,制造了可用于核聚变、半导体器件制造、锂离子电池电极等方面的各种新型炭材料。通过自烧结、材料复合、塑料成型或模板炭化以及气相沉积等新的成型方式,得到不同维度和形态的炭制品和新的碳质基材,如中间相小球、类金刚石薄膜、富勒烯和碳纳米管等。随着纳米材料在制造、表征及物化性能调控方面的整体进步,富勒烯,碳纳米管及其它类型的纳米碳质材料方面的新发现,新成果及新应用不断涌现,碳质材料的发展也日新月异。近年来,有关石墨烯的研发,再次将特种碳基材料推向一个新的高潮。科学家预测这一材料将会在电脑和医学等研究领域掀起一场声势浩大的科技革命。富勒烯、碳纳米管和石墨烯等这些新形态的碳和它们的新功能,很可能于本世纪内在微电子领域促成“硅”被“碳”的替代。


每分钟开闭70-80次,每次排血液70 mL的人造炭心瓣膜


石墨减速核反应堆

 

从古至今,煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、石墨电极、铅笔和炭膜开关、天然金刚石、人造金刚石、人造金刚石薄膜等,人们几乎无处不在与之接触。而19世纪之后随着碳氢为主要构成元素的有机化学的发展,促使人类不但制造出包括药品、染料、涂料等生活必需品在内的数千万种有机物,而且还开发了结构上基本以碳为主链的三大合成材料—塑料、橡胶和合成纤维,这些合成材料为人们创造了一个绚丽多彩的新世界并且在衣食住行方面大大地提高了人类的生活水平。

 

1989年“科学”(Science)杂志开始创办“年度分子”(The Molecule of the Year栏目,评选当年最具影响力的分子,这一分子也被称之为“明星分子”。1990年被选中的是人造金刚石,所以当年也因此被称为钻石年。1991年又授给了碳60 (C60)(又被称之为巴基球(Buckyballs)、富勒烯(Fullerenes)等)。在仅有6年的“年度分子”评选中,碳元素就连续获得了两次。1996年起,该栏目变更为年度突破(Breakthrough of the Year),即评选当年的十大科学成就,石墨烯的应用又于2009年被列于其中。基于发现零维富勒烯和一维纳米碳管以及对二维石墨烯的分离、认定和分类,这三种碳材料的研究者分别获得1996诺贝尔化学奖、2008Kavli纳米科学奖和2010诺贝尔物理奖 。以上这些都说明,近三十年来,人类进一步加快了对各种类型碳的同素异性体的理解、研究和开发,并且取得了长足的进步,而这些进步将为人类广泛利用碳的特异性能开拓出无可限量的前景。

 

今天碳质材料及各种碳化合物对人类来说已成为生产和生活中不可或缺的材料。鉴于碳的化合物多样,加上其性能独特、形态众多、资源丰足、良好生物相容性以及碳质材料加工制造的低能耗和不锈不蚀、易于回收循环和转化等特点,今后其开发速度必将加快,而碳材料的发展也必然会进一步加速。传统炭材料继续生产,新型炭材料更为成熟,功能材料(特别是纳米碳质材料)将大力开发,碳的合成化学会进一步发展。难怪有不少学者认为:19世纪是铁器时代,20世纪是硅的时代, 21世纪有可能是碳的时代!


35吨炭纤维增强复合材料的波音787客机


石墨烯制的100GHz晶体管


本文来自王茂章科学网博客。
链接地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-526286-420996.html 

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