01炭和碳的區(qū)別與使用

由于漢字的獨(dú)特性以及長(zhǎng)期以來人們對(duì)“炭”和“碳”字的區(qū)別與用法重視程度不足，造成了長(zhǎng)期以來人們?cè)谑褂锰亢吞忌陷^為混亂，這在眾多的文章、書刊以及名稱的使用上可以清楚地看到。從化學(xué)的角度上，炭和碳是有著嚴(yán)格的本質(zhì)區(qū)別和使用范疇的。

• 帶石字旁「碳」的規(guī)范使用場(chǎng)景

凡是能完全體現(xiàn)碳元素（C）性質(zhì)的或碳原子性質(zhì)的，或者由碳原子或碳離子與其他離子或離子團(tuán)組成的碳化合物的純凈物，在表述上、名稱上一律用帶石旁的“碳”。如：碳元素、碳原子、碳六十（C??）、納米碳、碳同位素、碳化物、芳香碳、環(huán)烷碳、碳網(wǎng)平面、芳碳率、伯碳、端碳、二氧化碳、碳含量、碳素鋼、碳鏈、碳環(huán)、碳水化合物、碳?xì)浠衔铩B碳、碳酸鈣、碳酸鹽、無定型碳、碳單質(zhì)、碳的其他化合物等等。

• 無石字旁「炭」的規(guī)范使用場(chǎng)景

凡是不能完全體現(xiàn)碳元素性質(zhì)的或碳原子性質(zhì)的，或者由碳原子或碳的化合物組成的混合物，在表述上、名稱上一律用“炭”。如：木炭、煤炭、焦炭、活性炭、玻璃炭、熱解炭、生物炭、炭磚、炭塊、炭石墨材料、炭棒、炭桿、同性炭、炭黑、炭糊、炭素廠、炭素技術(shù)、炭素工藝、炭渣、炭素材料、炭素學(xué)會(huì)、炭素年會(huì)、炭電極、炭陽極、炭陰極、炭糊、炭素裝備等等。

02炭素材料的定義與分類

2.1炭素材料的定義

廣義上，炭素材料是所有純碳材料和含碳的混合物的炭素物質(zhì)的統(tǒng)稱。涵蓋自然界中天然存在的含碳物質(zhì)、人工合成的各類含碳固體材料，是無機(jī)非金屬材料的核心品類之一。

狹義上，炭素材料是指選用石墨或者無定型碳（焦炭、無煙煤、瀝青焦等）作為主要固體原料，根據(jù)使用需求輔以粘結(jié)劑、浸漬劑、添加劑等輔料，經(jīng)過配料、混捏、成型、焙燒、石墨化、機(jī)加工、浸漬、碳化（純化）等特定工業(yè)生產(chǎn)工藝制備而成的非金屬無機(jī)固體材料，在工業(yè)上，一般都采用后者的概念。

2.2 炭素材料的整體分類

炭素材料包括炭素原料和炭素制品兩大類。

二者為上下游銜接的產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)系，原料的品質(zhì)直接決定最終制品的性能。

炭素原料是制備各類炭素制品的基礎(chǔ)，按原料來源、成型特性及加工程度可分為三大類，均為炭素行業(yè)的核心基礎(chǔ)物料：

• 基礎(chǔ)含碳原料：煤炭（無煙煤為主）、焦炭（冶金焦、石油焦、瀝青焦、針狀焦、延遲焦）、木炭、竹炭、炭黑等；
• 粘結(jié) / 浸漬類原料：煤瀝青、改質(zhì)瀝青、中溫瀝青、高溫瀝青、煤焦油、酚醛樹脂、呋喃樹脂等；
• 高純碳質(zhì)原料：天然鱗片石墨、隱晶質(zhì)石墨、人造石墨粉、金剛石微粉、炭纖維原絲等。

炭素制品種類繁多，規(guī)格、型號(hào)和物理化學(xué)性能迥異，應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋多行業(yè)多領(lǐng)域。由于產(chǎn)品的用途不同，采用的原料及加工工藝就存在差異，其產(chǎn)品本身的物理化學(xué)性能也存在明顯的差別。

• 炭素制品按材質(zhì)分，可分為炭質(zhì)制品、半石墨質(zhì)制品、天然石墨制品和人造石墨制品。

（1）炭質(zhì)制品

未經(jīng)過高溫石墨化處理，碳元素以無定形結(jié)構(gòu)為主，如炭陽極、炭陰極、炭磚、炭糊、自焙電極等；

（2）半石墨質(zhì)制品

經(jīng)過中高溫?zé)崽幚?，部分無定形碳轉(zhuǎn)化為石墨晶體，兼具炭質(zhì)與石墨質(zhì)特性，如半石墨陰極炭塊、半石墨質(zhì)電極等；

（3）天然石墨制品

以天然鱗片石墨、土狀石墨為核心原料經(jīng)提純、成型和焙燒等加工而成，如天然石墨電極、石墨坩堝、石墨散熱片、石墨密封材料、柔性石墨板、高純石墨等；

（4）人造石墨制品

以石油焦、針狀焦、瀝青焦等易石墨化碳為原料，經(jīng)成型、焙燒、高溫石墨化（2200~3000℃）處理后制成，石墨化程度高，結(jié)晶度好，如石墨電極、等靜壓高純石墨、核石墨等。

• 炭素制品若按使用功能可分成導(dǎo)電材料、結(jié)構(gòu)材料和特殊功能材料3大類：

（1）導(dǎo)電材料

核心特性：高導(dǎo)電率、低電阻率、耐高溫、導(dǎo)電穩(wěn)定，是電化學(xué)冶金、電弧放電、能量傳導(dǎo)的核心材料，也是炭素行業(yè)產(chǎn)量最大的品類。

如電弧爐用超高功率石墨電極、普通功率石墨電極、炭質(zhì)電極、天然石墨電極；電解鋁用預(yù)焙炭陽極、炭陰極、石墨陰極、半石墨陰極；鐵合金爐 / 電石爐用電極糊、陽極糊（自焙電極）；電解用石墨陽極，電刷及電火花加工用模具材料，干電池炭棒、鋰離子電池負(fù)極石墨材料等。

（2）結(jié)構(gòu)材料

核心特性：耐高溫（耐溫可達(dá) 3000℃以上）、耐酸堿腐蝕、低膨脹系數(shù)、抗熱震、耐磨、高強(qiáng)度，兼具結(jié)構(gòu)支撐與耐高溫防護(hù)雙重屬性，也被稱作炭質(zhì)耐火材料。

如煉鐵還原爐、鐵合金爐、電石爐、鋁電解槽側(cè)部炭磚、爐底炭塊、搗打料；冶金精煉爐、高純金屬冶煉爐的爐襯與保溫層；核反應(yīng)堆的中子減速材料、反射材料；火箭 / 導(dǎo)彈頭部、噴管的耐高溫內(nèi)襯炭材料；化工行業(yè)的石墨換熱器、石墨反應(yīng)釜、耐腐蝕炭質(zhì)襯板；機(jī)械工業(yè)的耐磨石墨軸承、密封環(huán)；鋼鐵 / 有色金屬連續(xù)鑄造用結(jié)晶器石墨內(nèi)襯、石墨坩堝；半導(dǎo)體 / 光伏行業(yè)高純硅冶煉用高純石墨器件等。

（3）特殊功能材料

核心特性：兼具碳材料的基礎(chǔ)屬性與特殊物理、化學(xué)、生物性能，是炭素材料向高端化、精細(xì)化發(fā)展的核心方向，技術(shù)壁壘高、附加值高，也是行業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。

如生物醫(yī)用炭材料(人造心臟瓣膜、人工骨、人工肌腱、醫(yī)用活性炭吸附材料)，航空航天隱身炭材料（隱身飛機(jī)用炭基吸波材料）；各類熱解炭、熱解石墨、再結(jié)晶石墨；炭纖維及炭纖維復(fù)合材料（碳 / 碳復(fù)合材料）；石墨層間化合物、富勒烯（C??）及碳簇族系、納米碳材料、碳納米管、石墨烯基炭材料；儲(chǔ)能用多孔炭材料、超級(jí)電容器炭電極等。

03

炭素材料的三大研究熱點(diǎn)

炭素材料是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，其基礎(chǔ)特性優(yōu)異、改性空間大、應(yīng)用場(chǎng)景廣，隨著新能源、航空航天、電子信息、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域的快速發(fā)展，炭素材料的研發(fā)方向逐步向高性能、多功能、輕量化、綠色化轉(zhuǎn)型。目前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的、研究最深入、產(chǎn)業(yè)化價(jià)值最高的研究熱點(diǎn)為：多孔碳材料、納米碳材料、高純碳材料、炭基復(fù)合材料，幾大方向相輔相成，共同推動(dòng)炭素材料的技術(shù)升級(jí)與應(yīng)用拓展

（1）面向新能源與可持續(xù)發(fā)展的炭材料

如多孔碳材料，從能源角度出發(fā)，電化學(xué)儲(chǔ)能中作為超級(jí)電容器電極和電池電極/載體（鋰/鈉離子電池、金屬-空氣電池），其性能取決于孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表面化學(xué)。氣體存儲(chǔ)與分離中用于氫氣/甲烷吸附存儲(chǔ)和二氧化碳捕集，核心在于孔隙與氣體分子的精準(zhǔn)匹配。開發(fā)源自生物質(zhì)的碳材料，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”的高值化利用。

（2）新型納米與低維炭材料

自1985 年富勒烯（C??）被發(fā)現(xiàn)、1991 年碳納米管問世、2004 年石墨烯成功剝離以來，納米碳材料成為炭素材料領(lǐng)域的核心前沿研究方向，也是新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。石墨烯基納米碳復(fù)合材料、碳納米管的批量制備技術(shù)、納米碳材料的生物相容性，是當(dāng)前納米碳領(lǐng)域的三大細(xì)分重點(diǎn)。

（3）高性能與結(jié)構(gòu)功能一體化炭材

高強(qiáng)度高導(dǎo)熱炭/石墨材料；超高純與核級(jí)石墨；

如高定向熱解石墨（HOPG）、等靜壓高純石墨等滿足航空航天、核能、半導(dǎo)體裝備對(duì)材料在極端環(huán)境下的需求。

碳/碳復(fù)合材料、碳/陶復(fù)合材料；

在復(fù)合材料的研究中，其抗氧化性能的研究最多，復(fù)合材料研究的另一重要內(nèi)容是其耐磨性，提高復(fù)合材料的使用壽命，從而使復(fù)合材料能成功地應(yīng)用于摩擦材料的研究中?？寡趸繉樱ㄈ鏢iC基多層涂層）和致密化工藝（CVI、PIP）是解決這些瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)路徑。

參考資料：

姜玉敬，郎光輝 編著.《鋁電解用炭素材料技術(shù)與工藝》[M]. 冶金工業(yè)出版社；

陳明禮.《炭素材料的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)》[J]. 炭素技術(shù)，核心期刊；

中國炭素行業(yè)協(xié)會(huì).《中國炭素材料行業(yè)發(fā)展白皮書》；

王茂章，賀福 編著.《炭素材料科學(xué)與工程》[M]. 科學(xué)出版社（行業(yè)經(jīng)典教材）等