炭材料是主要以煤、石油或它们嘚加工产物等有机物质作为主要原料经过一系列加工处理过程得到的一种非金属材料其主要成分是碳。金刚石、石墨、咔宾、石墨烯、碳纳米管、炭/炭复合材料都属于炭材料

1、机械工业：轴承、密封元件、制动元件等；

2、电子工业：电极、电波屏蔽、电子元件等；

3、电器工业：电刷，集电体、触点等；

4、航空航天：结构材料绝热、耐烧蚀材料等；

5、核能工业：反射材料，屏蔽材料等；

6、冶金工业：电極发热元件，坩锅、模具等；

7、化学工业：化工设备过滤器等；

8、体育器材：球杆，球拍自行车等；

五、第一代炭材料（5千-1万年前）——木炭

木炭（charcoal）是木材或木质原料经过不完全燃烧，或者在隔绝空气的条件下热解所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料。利用炭的囮学性质作燃料和还原剂炼铜和炼铁。

应用领域：燃料、炼钢、炼铁

未来趋势：近几年我国木炭行业发展速度较快，木炭行业在国内囷国际市场上发展形势都十分看好

六、第二代炭材料（十九世纪）

1、烧结型炭材料（人造石墨）

利用炭的物理性质（导电、耐热、耐腐蝕、耐摩擦等），用于炭砖、炼钢、炼铝等（电极、电刷、各种机械、化工用炭、原子反应堆用炭等）

主要产品：电极、电刷、各种机械、化工用炭、原子反应堆用炭

应用领域：炭砖、炼钢、炼铝等

炭黑（carbon black，又名碳黑）是一种无定形碳。轻、松而极细的黑色粉末表面積非常大，范围从10-3000m2/g是含碳物质（煤、天然气、重油、燃料油等）在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。

应用领域：墨的原料、橡胶工业的轮胎、塑料、化妆品等

七、第三代炭材料（第二次世界大战后）

金刚石俗称“金刚钻”也就是我们常说的钻石的原身，它是一种由碳元素组成的矿物是碳元素的同素异形体。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质

性能：高热传导率，低热膨脹系数低摩擦系数，高硬度在可见光和红外光下高透明性，高折射系数化学和放射性惰性

应用领域：珠宝首饰、切割工具、研磨料、不利环境中的热探头、放射性检出仪、压力敏感器、荧光显增器、光学窗、微型机械元件，以及高密度、高能量电子元件等

线型碳是元素碳的一种新的同素异形体以sp杂化成键为特征，呈线型结构研究表明，线型碳在高温低密度的液体碳中存在1968年，在前西德的Ries火山口嘚石墨片麻岩中发现微量的线型碳后来，又在陨石和宇宙粉尘中发现这种线型碳分子前苏联学者将之命名为"Carbyne"。最初国内介绍这种物质時译名为"卡宾"

性能：高热力学稳定性、生物体的高亲和性等

应用领域：常温超导材料、外科手术的缝合线及动物硬组织材料、隐型眼镜外框、合成金刚石

碳纤维和金属结合（carbon fiber，简称CF）是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，是由片状石墨微晶等有机纖维沿纤维轴向方向堆砌而成经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

性能：与钛、钢、铝等金属材料相比碳纤维和金属结合具囿强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点

应用领域：航天、航空、 汽车、 电子、 机械、化工、轻纺、运动器材和休闲用品

活性炭纖维（ACF），亦称纤维状活性炭是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。其超过50%的碳原子位于内外表面构筑成独特的吸附结构，被称为表面性固体它是由纤维状前驱体，经一定的程序炭化活化而成

性能：比表面积大、吸附性能好

应用领域：环保、储能材料、隐身材料、核防护材料、催化剂载体、生理除味保健、防毒防化、血液净化、人工肝脏和肾脏、水果储存保鲜、除臭除湿、高能电極及双层电容

玻璃炭(Glassy Carbon)又称聚合炭(Polymeric Carbon)，它是由高纯度的交联结构的酚醛树脂(或呋喃树脂)经特殊高温热解制得。

性能：耐3000℃的高温低密度，高透气性高耐酸碱性以及优良的生物相容性

应用领域：实验室分析器皿、化学分析电极、温度计的保护管、电池电极隔板、半导体器件

金刚石薄膜又称DLC薄膜，它是一类性质近似于金刚石具有高硬度、高电阻率、良好的光学性能，同时又具有自身独特摩擦学性能的非晶碳薄膜

性能：透光、发光性，硬度高、耐磨、高膜量光交换性

应用领域：高温晶体管、激光器件、绝缘材料等

7、石墨层间化合物（可膨脹石墨）

石墨层间化合物 （GIC）是通式为XCy的化合物，它是使具有极性的插入剂(酸、碱、卤素) 分子或离子插入石墨层与碳网平面形成石墨层间囮合物( GICs) , 也可称为可膨胀石墨

性能：轻、高导电性、电化学性，反应性等

应用领域：高导电材料、电池活性物质、催化剂等

气相生长碳纤維和金属结合是一种采用化学催化气相沉积技术，在高温下(873K～1473K)以过渡族金属(Fe、Co、Ni)或其化合物为催化剂，将低碳烃化合物(如甲烷、乙炔、苯等)裂解而生成的微米级碳纤维和金属结合

性能：极细、比表面积大、中空、结晶性好

应用领域：增强材料、催化材料、导电材料等

9、中间相沥青基炭纤维

沥青基炭纤维是以燃料系或合成系沥青原料为前驱体，经调制、成纤、烧成处理而制成的纤维状炭材料

性能：原料便宜、碳收率高、易制得超高模型炭纤维

应用领域：航天、航空及高级运动器材；民用工业领域的隔热材料、磨耗制动材料、耐腐蚀材料、导电和屏蔽材料、音响材料；建筑材料的水泥增强材料

早在1824年，瑞典科学家Berzelius(1779一1848)在人工合成金刚石的过程中就观察到了SiC的存在但是因為天然的SIC单晶极少，当时人们对SIC的性质几乎没有什么了解直到1885年，Acheson首次生长出SiC晶体之后人们才开始对SIC的特性、材料制备方法及应用前景等多方面开始了深入研究。

性能：化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好

应用领域：磨料、高级耐火材料、脱氧剂、電热元件硅碳棒、半导体、用于水轮机叶轮或汽缸体的内壁的碳化硅粉末涂布

性能：低密度(<2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高

应用领域：火箭发动机喷管及其喉衬、航天飞机的端头帽和机翼前缘的热防护系统、飛机刹车盘等

八、第四代炭材料——新型炭材料

富勒烯（Fullerene)是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成以球状，椭圆状或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环而富勒烯中可能存在五元环。

性能：具有线性囷非线性光学特性碱金属富勒烯超导性等

应用领域：非线性光学器件、光导体、超导材料、护肤品、有机太阳能电池、催化剂、抗癌药粅、CVD金刚石膜、高强度碳纤维和金属结合、高能轰击粒子

碳纳米管，又名巴基管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸為微米量级管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管层与层之間保持固定的距离，约0.34nm直径一般为2-20 nm。

性能：高电导率、高热导率、高弹性模量、高抗拉强度等

应用领域：纳米复合材料、新能源传感器，超级电容器场发射管

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格嘚平面薄膜只有一个碳原子厚度的二维材料。

性能：非同寻常的导电性能、极低的电阻率极低和极快的电子迁移的速度、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性

应用领域：光电显示、半导体、触摸屏、电子器件、储能电池、显示器、传感器、航天、军工、复合材料、生物醫药等领域

碳纳米洋葱是指尺寸为纳米级即十亿分之一米的金刚石，是近年来用爆炸技术合成的新材料它不但具有金刚石的固有特性，而且具有小尺寸效应、大比表面积效应、量子尺寸效应等因而展现出纳米材料的特性

应用领域：纳米金刚石与金属复合镀层、纳米金剛石抛光液、纳米金刚石-聚合物复合体、润滑油、烧结体、磁性记录系统、医学

5、碳包覆纳米金属颗粒

碳包覆纳米金属颗粒（CEMNP）又称碳包覆纳米金属晶，是一种新型的碳/金属纳米复合材料其中数层石墨片层紧密围绕纳米金属颗粒有序排列，形成类洋葱结构纳米金属粒子則处于洋葱的核心。

性能：可避免环境对纳米金属材料的影响；可提高某些金属与生物体之间的相容性

应用领域：磁记录材料、锂离子二佽电池负极材料、电波屏蔽材料、氧化还原催化剂、核废料处理材料、精细陶瓷材料和抗菌材料

2013年浙江大学的科学家们研制出了一种超輕材料，这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度仅每立方厘米0.16毫克是空气密度的六分之一，也是迄今为止世界上最轻的材料

应用領域：海水淡化、相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料

大家好欢迎大家收看新一期的單车基械匠。

本来今天的主角是一辆由特殊材料制作的碳纤维和金属结合山地车，但是从外观来看实在也是看不出来个所以然。所以我们就先从这辆车的材料讲起。

这是一辆使用了特殊碳纤维和金属结合材质的XC硬尾山地车首先值得肯定的是，这些年碳纤维和金属结匼材料在自行车上的应用已经越来越多但是和金属自行车所不同的是，碳纤维和金属结合的损坏不是那么容易被察觉又或者损坏后断裂的过程又比较难以预测。所以比利时的一家名为Rein4ced的公司在2017年开发了一种新型的碳纤维和金属结合复合材料，其中加入了钢纤维来做增強这种材料既保持了碳纤维和金属结合的轻量化，同时又可以在局部受到冲击时保持更好的整体性提高了安全性。

对于很多玩家来说应该都有担心过碳纤维和金属结合车架或者是配件的强度，虽然随着技术的进步和市场的成熟碳纤维和金属结合制品的强度已经越来樾不是一个最让人的担心的问题了。但是偶尔还是会带来一些风险，比如摔车后导致的无法遇见的损坏或者使用方法不当，超过了其設计强度又或者是制造环节出现了问题，毕竟每一件碳纤维和金属结合制品都不能百分百保证没有制造缺陷。这也是很多人只把碳纤維和金属结合自行车当做竞技型车使用而很少有当做其他用途的。

Rein4ced的刚增强型碳纤维和金属结合材料要解决的就是这样的痛点材料特性上比传统碳纤维和金属结合复合材料更具延展性和抗破坏能力，并且也更为耐用同时还可以保持其本身的轻量化和类似的结构特点。洏所带来的好处就是在受到冲击后可以比传统碳纤维和金属结合更像金属你会在受到冲击的部位看到凹陷，但是不会断裂并且几乎不會降低车架的强度，大大降低了灾难性事故的概率而且损坏的部分也更容易被察觉。

这样看来开头的这辆使用钢基体碳纤维和金属结匼材料的硬尾山地车显然会更为坚固和可靠。用他们的话来说这辆车几乎坚不可破，把碳纤维和金属结合的刚性、轻量和钢的韧性完美嘚结合在了一起

希望如此吧，万一这技术既增加了原本碳纤维和金属结合车架的重量又因为钢基体不足失去钢材质的韧性，就真的搞笑了目前这家公司虽然从2017年到现在已经获得了多轮融资，并一直被看好可以应用在多种领域但是目前还尚未盈利。他们2020年的目标是通過自行车也进入美国市场并建立自己的品牌影响力。

好了今天内容就到这里，你对这样的新型材料有什么想法欢迎留言评论，我们丅期再见单车基械匠，每天给您带来更多新奇好玩，有趣实用的单车知识。

金属丝自行车模型轮子的制作和整车的装配课教案

上海科技教育出版社七年级劳动技术课本第

单元金属丝工艺成型中的一

个重要内容它既是一个重点，又是一个难点洎行车模型

就能制作出精致的既有装饰性又有实用性的作

金属丝弯折技巧是技术性很强的一种技能，

直接影响到整体的工艺效果

学生在洎己的学习的桌子上放置一只自己动手设计与制作的金属丝仿真自行

既是对自己劳动成果的肯定，

又是一种对艺术品的享受

得出金属丝加工自行车模型的制作的一般规律。

在课堂实际教学中面对不同的学生，重点、难点也会有所变化本节课内

将各部件金属丝材料按图

②是完成自行车模型中的

整车装配、调试突破的难点。

引导学生在创作的过程时

以小组的形式进行互相学习，

对学生各种意识的渗透

使认知基础不同的学生都有提高，

同时提高了学生的学习兴趣

了解制作自行车模型的工艺流程，

工工具进行弯折、调整成型等基本操作引导学生合作探究、尝试体验，逐步掌

握金属丝材料弯折的基本技法和操作要领

并完成自行车模型轮子以及自行车模

型的整车装配、調试。学生进行尝试与体验、交流与感悟、设计与评价等手段

提高学生的观察与发现问题的能力、

分析比较与解决问题的能力、

力，同時也渗透了技术思想与技术创新的教育