【碳素】从炭素制品到炭素工业发展

 炭素的发展概况

人类对炭的利用是与人类的进化发展同步的，远古时代人类发现和利用火就开始使用 炭（木炭）了。在我国，《前汉地理志》就有记载“豫章郡出石可燃为薪”，称为石炭 （即煤）；史记《四九窦太后传》中有记述挖煤，说明当时就已利用煤作为燃料了，木炭 与煤在陶器、铜器时代就已广泛应用了。作为炭素制品，明代宋应星著的《天工开物》（1637年）已记载用炭（石墨）与黏土制作坩埚，这就是初级炭素制品。

有资料将炭的应用划分为如下几个阶段：木炭时代（〜1712年）、煤炭时代（1713〜 1866年）、炭素制品的摇篮时代（1867〜1895年）、炭素制品的工业化时代（1896〜1945 年）、炭素制品的发展时代（1946〜1985年）、新型炭时代（1986〜）。这种划分基本上概括了炭素的发展进程，但在时间上不一定确切，如煤的应用，我国在1713年之前很久就应用了，并已制作出炭（石墨）黏土坩埚。

公元1713年，A. Derby发明了用煤生产焦炭，开始利用冶金焦炼铁，炭作为工业化生产与应用才真正开始。1800年，英国科学家戴维（H.Davy）用木炭片作为弧光电极，接着将木炭压碎与煤焦油混合、成型、再经焙烧而成为初期的炭电极。1842年，R. Bunsen采用木炭与甑炭经煅烧后粉碎、筛分、按比例将炭骨料粉末与黏结剂混合，再利用模具压制成型，然后将压制坯用焦粉覆盖好隔绝空气，缓慢加热焙烧, 焙烧后通过机械加工而制成炭电极，这就是现代炭素制品的雏形。现在的常规炭素制品的生产工艺中基本上保留了这种生产方法。此后，致密的电极、炼铁高炉用天然石墨内衬炭板等相继开发出来。1867年，W. Siemens发明了电动机，标志着电气时代的到来，也使炭素制品被广泛开发，如弧光炭电极、炼钢电极、电解食盐炭阳极、电机用电刷等初级炭素制品O1886年，P. Heroult和C. Hall发明了电解铝，生产中使用了阳极糊和炭阳极，此后， 在黄磷、硅铁、碳化钙（电石）生产中都使用了炭阳极。

1896年，艾其逊（E.G. Acheson）研制出人造石墨电极，使炭素制品从炭质转变为石墨质，炭素制品进入工业化时代。此后，受电弓炭滑板、电解用石墨板、石墨电刷、不透性石墨相继制成。特别是1942年费米（E. Fermi）制成了原子能反应堆用的高纯核石墨。20世纪40年代以后，随着工业的大发展，新技术、新工艺的不断涌现，使炭素制品的生产规模不断扩大，新用途不断出现，因而促使开发出许多炭素新材料、新产品。

新炭材料如炭纤维及其复合材料，核石墨、热解石墨、玻璃炭、不透性石墨、多孔炭等。新产品如冶金机械用石墨模具、炼铁、高炉及其他冶炼炉用炭砖、石墨热交换器、石墨轴承与 密封环、高温炉发热体与舟皿、VHP电极、燃料电池双极板、电火花加工电极、火箭石墨鼻锥与喉衬等。特别是Mesophase Carbon小球体、富勒烯（Fullerren） C₆₀ （ 1985年）及碳纳 米管（1991年）、石墨烯（2004年）等的发现，使炭素材料进入新型炭时代。

我国的炭素工业起步较晚，自20世纪50年代中期才逐步形成炭素工业，但是自20 世纪80年代以来，炭素工业发展迅速。现在我国炭素材料与制品的总产量已是全球第1位，成为地球上的炭素大国，但是在高端材料与产品上距离炭素先进国 家还有一定的距离，特别是炭纤维及其复合材料在品种上、性能上及价格（偏高）上，使应用受到制约， 希望能尽快成为全球炭素强国。

炭素材料与炭素制品的异同

炭素产品是炭质和石墨质产品的总称，对于炭素产品而言，何谓炭素“材料”或炭素 “制品”，目前没有严格的定义。笼统地说，并没有什么大的区别，如预焙阳极，可以称之为阳极材料，也可称之为阳极制品。但是，细究起来，还是有不同之处的。称炭素“材料”，主要是讲产品的材质与组织结构的种类。一般是指生产出来的毛坯炭素产品，还不能直接应用，还需要机械加工的炭素产品。称炭素“制品”，一般是针对毛坯经过机械加工以后，能直接使用的具有准确尺寸、光洁度、公差的炭素终端产品。如等静压生产的毛坯产品，可称为等静压材料；如用它来加工成单晶硅炉的发热器、保温筒、石墨电极、石墨托等时，就称为炭素（或石墨）“制品”，也可称为石墨件。此发热器等就只能称为 “制品”，而不能称为“材料”，或者只能说该发热器是采用等静压石墨材料制作的。

炭素制品的分类

炭素（石墨）制品的分类，目前还没有统一的标准和严格的划分原则。一般说来，可如下分类：

（1） 按材质或组织结构可分为：

1）炭制品，制品的材质为无定形炭，即炭质；

2）石墨制品，制品的材质为石墨，即石墨质；

3）金刚石制品，制品的材质为金刚石。金刚石类制品本书不讲述，本书只讲述前两类常规炭素制品。

（2） 按骨料的粒度可分为：

1）粗颗粒炭素制品，骨料Max粒度在1mm （16目）以 上者；

2）细颗粒炭素制品，骨料Max粒度在1〜0.25mm （16-60 i）；

 3）细结构炭素制品，骨料Max粒度在0. 25 -0. 038mm （60〜400目）；

4）超细粉结构炭素制品，粉末粒度 在38μm以下；

5）纳 米炭素制品，粉末粒度在几十纳 米及以下。

（3） 按纯度可分为：

1）多灰制品，一般灰分在1%以上；

2）少灰制品，一般灰分在 1%〜0.1%； 

3）低纯制品，一般灰分在0.1%〜0.01%；

4）高纯制品，灰分0. 01%以下； 

5）超高纯制品，灰分含量在50mg/L以下。

（4） 按生产工艺的不同可分为：

1）常规制品；

2）富勒烯、碳纳 米管、石墨烯类制 品；

3）炭纤维及复合材料类制品；

4）人造金刚石及超硬材料制品；

5）热解炭（石墨） 制品；

6）玻璃炭制品；

7）活性炭类制品；

8）炭黑类制品。此外还有多孔炭、沥青中间 相炭微球、表面涂层、柔性石墨、胶体石墨等。

（5）按功能与用途可分为：

1）宇航、军工用炭素制品；

2）核石墨制品；

3）电子、 电工、通讯类炭素制品；

4）机械用炭素制品；

5）电化学类炭素制品；

6）化工用不透性炭石墨制品；

7）电热化学、冶金用炭素制品；

8）工业炉用炭石墨制品；

9）计量和测量 用炭素制品；

10）环保、体育及生活用炭素制品。上述分类还可分为若干小类。

此外，还 有其他的分类方法，余者不一一介绍。

炭素工业及其产品在国民经济发展中的地位与作用

炭素工业与机械、汽车、电子电气、矿山冶金、铁路、交通等大型行业相比，是个小行业，但是在国民经济发展中占有重要的地位，起着重要的作用。如我国第1个五年计 划，新建156个大型项目，其中炭素就占了两个项目。又如：钢铁工业的发展，离不开炭素材料与制品，特别是冶炼合金钢的电炉，必须要有石墨化电极。电解铝生产，每生产It 铝就需要消耗400 ~450kg的炭阳极。

除普通民用工业外，在航空、航天、核能、军事等领域，也有广泛的用途，如炭纤维复合材料的比强度高、质量轻，可作为飞机、航天器、 飞船等壳体和结构材料，如各向同性石墨材料作为导弹鼻锥与喉衬，核反应堆的中子减速 剂、反射层、保护层等。

在日常生活中，也已广泛使用炭素材料，如心脏瓣膜等生理用炭、网球与羽毛球拍等体育用品。现在，日本、韩国等发达国的高端宾馆的餐具也采用炭石墨材料制作一一称为绿色餐具。可以说炭素产品已进入到工业、国防、军事及日常生活的各个方面。

随着工业化的发展、环境保护为各国所重视，提出低碳经济，仅此就可见碳在经济中的重要性。

炭素工业发展的前沿

新型炭材料具有密度高、强度高、耐高温、耐烧蚀、抗 辐 射、电阻低、导热性好、热膨胀率低、生理相容性好等一系列优异的特性，是军民两用的新材料，且发展迅猛。除上面提到的产品外，还有炭（石墨）及其复合材料、炭分子筛、炭微球、高比强高比模量炭 （石墨）结构材料和功能材料，并成功地应用于宇航、航空、潜艇、原子能及其他工业。 特别是Cm系列碳，碳纳 米管与石墨烯被发现，这是碳科学的极大发展，为碳化学、炭素材料的发展、研究和应用展现了广阔的前景。如高比强高比模量结构材料、超导与电极材 料、电子材料与电子器件、纳 米材料、储氢储气材料、催化剂材料、碳纳 米管、石墨烯材料等。

新发展起来的纳 米技术与碳纳 米材料，将促使炭材料工业乃到整个工业领域产生技术革新。卡宾炭（carbin或称为焕炭）早已被发现，这种线型炭有待能开发为工业应用材料。在C60的结构启发下，足球硼现已被研制成功，可以预料在不久的将来，足球硅、足球磷也被研制出来，使球形结构的物质形成一个大家族，它们必将具有许多奇异特性，其应用前景将不可限量。

人类的发展，已逐步将地球陆地上的资源消耗怠尽，为了持续发展，各国都在向海洋 进军，向海洋发展，提出“蓝碳计划”。所谓“蓝碳”，就是由海洋生物固定下来，并能长期保存的碳，被称为“蓝碳”。海洋中容纳的碳的库存数量相当大，是大气中碳的库存量的50倍，是陆地的碳的库 存量的20倍，而且其中一部分惰性有 机碳能在水中长期保存、可达几千年上万年或更久，所以发展“蓝碳计划”意义重大。一是海洋储碳量大，二是保存周期很长，其研究和开发的前景相当大。海洋的碳资源丰富，为炭素工业的持续发展提供了原料的保障。

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