Carbon materials: Properties, Application, Development

The carbon materials are ancient and also a new type of material. As early as prehistory, human activities had a relationship with carbon substances. From early, rough carbon materials to modern, high-quality industrial carbon materials, it has a history of more than 100 years in the world.

The carbon material is a general term for carbon-based substances and solid materials. Thry are usually composed of graphite crystallites. However, there are considerable differences in the crystallites’ size and the crystallites’ three-dimensional arrangement crystallitescrystallites in various carbon materials кристаллиты.

Категория углеродных материалов

Таким образом, существует три типа углеродных материалов: углеродистый, графит и полуграфит.

According to the maturity of production technology and the extensiveness of application, carbon materials can be divided into commonly used and new carbon materials.

Развитие

1896

In 1896, Acheson of the United States invented artificial graphite electrodes. In 1899, the Acheson Graphite Company was established to produce artificial graphite electrodes. The emergence of artificial graphite has opened a new page for the development of the carbon industry.

1942

В 1942 году Форми, итальянский физик-ядерщик, учившийся в США, построил самый ранний атомный реактор. В данном применении материалом замедлителя нейтронов является графит высокой чистоты и высокой плотности.

1940-е и 1950-е годы

In the 1940s and 1950s, an important achievement in the development of carbon materials. In addition to graphite for nuclear reactors, high-purity, and high-density graphite was used to heat elements, crucibles, boats, and dishes in refining semiconductor single-crystal furnaces.

1950-е и 1960-е годы

В 1950-х и 1960-х годах люди успешно разработали пиролитический углерод и пиролитический графит. Эти продукты играют важную роль в различных областях, таких как аэрокосмическая промышленность, медицина и биология.

1960-е и 1970-е годы

Главным достижением 1960-х и 1970-х годов стало создание углеродного волокна и композитных материалов на его основе. В то же время люди успешно разработали стеклообразный углерод и гибкий графит.

1980s

С конца 1980-х годов активизировались исследования новых углеродных материалов, таких как алмазные пленки, углеродные нанотрубки, графен и углеродные квантовые точки.

Основные свойства углеродных материалов:

Высокая тепло- и электропроводность:

Углеродные материалы, такие как графит и углеродные нанотрубки, обладают превосходной тепло- и электропроводностью. Это свойство обеспечивает эффективную теплопередачу и электропроводность, что делает их идеальными для применения в электронике, системах хранения энергии и системах терморегулирования.

Механическая прочность и стабильность:

They are known for their exceptional mechanical strength and stability. For example, carbon fiber composites possess high tensile strength and stiffness, making them lightweight yet robust. This property is advantageous in the aerospace, automotive, and sporting equipment industries, where the strength-to-weight ratio is critical.

Химическая инертность:

They are generally chemically inert and have low reactivity to most chemicals and environments. This property ensures their durability and resistance to corrosion, making them suitable for applications in harsh chemical environments and as protective coatings.

Смазывающие свойства:

Графит, одна из форм углерода, обладает превосходными смазывающими свойствами. Его слоистая структура обеспечивает легкое скольжение между слоями, снижая трение и износ. Графит широко используется в качестве смазочного материала в автомобильных двигателях, промышленном оборудовании и замках.

Оптическая прозрачность:

Графен, представляющий собой один слой графита, обладает исключительными оптическими свойствами. Он почти прозрачен и поглощает большое количество света, что делает его ценным для прозрачных проводящих пленок, сенсорных экранов и фотоэлектрических устройств.

Пористость и адсорбционная способность:

Некоторые углеродные материалы, такие как активированный уголь и углеродные нанотрубки, имеют высокую площадь поверхности и пористость. Это свойство позволяет им адсорбировать и удерживать газы, жидкости и загрязняющие вещества. Активированный уголь, например, широко используется для очистки воды и фильтрации воздуха благодаря своим отличным адсорбционным способностям.

Биосовместимость:

Углеродные материалы, в частности графен и углеродные нанотрубки, перспективны для применения в биомедицине. Они обладают биосовместимостью, то есть низкой токсичностью и хорошо переносятся живыми клетками. Это свойство открывает возможности для систем доставки лекарств, тканевой инженерии и биосенсоров.

Применение:

• Graphite: The Foundation of Carbon Material

Графит, a form of carbon with a layered structure, is a fundamental building block for carbon materials. Its unique properties, including high electrical conductivity, thermal resistance, and lubricating behavior, make it invisible in applications such as electrodes, refractories, and lubricants. Graphite’s versatility has propelled it as a cornerstone material across industries, from steel production to energy storage systems.

• Углеродные нанотрубки: Чудеса наноинженерии

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой один из самых замечательных углеродных материалов в наноразмерной области. Благодаря своей исключительной прочности, высокой электро- и теплопроводности, а также большому соотношению сторон, УНТ нашли применение в различных областях. Они имеют большие перспективы в электронике, аэрокосмической промышленности, хранении энергии и биомедицине. Потенциальные возможности применения углеродных нанотрубок простираются от легких и прочных материалов до сверхчувствительных датчиков и передовых систем доставки лекарств.

• Графен: революционный двумерный материал

Графен, a single layer of graphite, has garnered enormous attention for its extraordinary properties and endless possibilities. With exceptional electrical conductivity, mechanical strength, and thermal properties, graphene offers new avenues for innovation. Its potential applications range from flexible electronics, transparent conductive films, and high-performance composites to sensors, energy storage devices, and water filtration systems. Developing graphene-based materials drives significant electronics, energy, and environmental sustainability advancements.

• Углеродное волокно: Прочность легкого веса

Композиты из углеродного волокна стали играть важную роль в тех отраслях, где снижение веса и высокая прочность имеют решающее значение. Исключительное соотношение прочности и веса углеродного волокна делает его предпочтительным выбором в аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, спортивном оборудовании и ветроэнергетике. Развитие передовых производственных технологий позволило производить композиты из углеродного волокна с улучшенными характеристиками и экономичностью.

• Хранение энергии на основе углерода: Энергия будущего

Carbon materials are pivotal in energy storage systems such as lithium-ion batteries and supercapacitors. Graphite electrodes, carbon nanotube conductive additives, and graphene-based material enable the development of high-performance and efficient energy storage devices. These advancements are crucial for the transition to renewable energy sources and the electrification of transportation.

Заключение:

Углеродные материалы произвели революцию в промышленности благодаря своим исключительным свойствам, универсальности и интересным разработкам. Более того, графит, углеродные нанотрубки, графен, углеродное волокно и системы хранения энергии на основе углерода стимулируют инновации в различных областях. В частности, их замечательные свойства и применение открыли новые двери для легких и прочных материалов, передовой электроники, хранения энергии и экологичных решений. Поскольку исследования и разработки продолжают расширять границы, мы можем ожидать, что углеродные материалы определят будущее технологий и продвинут нас к более устойчивому и эффективному миру.