半岛综合体育官网登录入口半岛综合体育官网登录入口半岛综合体育官网登录入口凡对应元素C及其相关的衍生词派生词均用“碳”,如碳元素，碳键，二氧化碳，渗碳等，而以含碳元素为主的其他物质和材料则用“炭”，如煤炭、焦炭、炭黑、炭纤维等。

　　碳基材料主要是指以碳为主体的材料。按照维度划分，碳基材料可分为零维、一维、二维和三维材料。其中，零维材料有碳量子点、富勒烯等；一维材料有碳纤维、碳纳米管、碳纳米线等；二维材料有石墨烯等；三维材料也称体材料，包含各类立体的本征或复合体系。广义上碳基材料可以看做是以碳原子为骨架的材料体系，包括金刚石、石墨等纯碳体系和碳化硅、高分子有机物等多原子体系。此外，目前涌现的碳基新材料，主要包括特种石墨、纳米碳、多孔炭和储能炭材料等。

　　2021年，工信部将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划。提出实施关键短板材料攻关行动，采用“揭榜挂帅”“赛马”等方式，支持材料生产、应用企业联合科研单位，开展宽禁带半导体及显示材料、集成电路关键材料、生物基材料、碳基材料、生物医用材料等协同攻关。

　　目前我国亟待攻克的“卡脖子”品种有三大类，一是碳纤维及其制品，如高性能聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、碳纤维预浸料、复合材料和碳纸等；二是特种石墨，如机械密封用石墨、抗烧蚀石墨、核石墨和高导热泡沫石墨等；三是功能炭材料，如中间相碳微球、电容炭、硬炭、硅炭、石墨烯导热膜和导电炭黑等。

　　碳基新材料高端产品仍处于产业化初始阶段，高强高模碳纤维、聚酰胺66等产品仍面临国际贸易和技术壁垒。此外，关键制造装备也处于以引进为主、研制和仿制为辅的状态，高端分析测试设备更是基本依赖进口，具有工匠精神的专业工程技术人才出现断层。

　　培养一个成熟的复合材料设计师至少需要10年，国内严重缺乏有经验的相关设计人员，大部分人不了解材料强度、刚度计算的工程方法，国际上通行的分析和验证用的“积木式”（BBA-Building Block Approach）方法，很少有人具体掌握复合材料连接设计、疲劳耐久性设计、损伤容限设计、稳定性设计、环境影响及其防护设计、修理设计等许多具体设计技术和要领。

　　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。利用炭的化学性质，作燃料和还原剂炼铜和炼铁。

　　利用炭的物理性质(导电、耐热、耐腐蚀、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)。

　　一直以来，欧美日等国家在高性能石墨材料技术方面对我国实行严格封锁，出口到国内市场的产品种类与数量也进行严格控制。

　　特种石墨与微电子及信息技术、新材料技术、生物技术、航空航天、原子能、高温材料等均有密切的关系。可以说特种石墨深加工产业发展有了新的机遇。从特种石墨各种技术发展看，特种石墨将越来越被广泛应用到新能源汽车、航天航空、核电及等高新技术领域，成为支撑高新技术发展的重要战略资源。

　　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，表面积非常大，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。

　　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，低热膨胀系数，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、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火山口的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。

　　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(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纤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，碳纤维具有强度大、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。

　　近几年，我国在碳纤维原丝的生产方面取得了较大的进步，但是与国际先进技术水平之间的差距还是很明显的。例如，美日的碳纤维龙头企业所采用的干喷湿纺工艺，在国内仅中复神鹰在干喷湿纺工艺上取得了千吨级的突破。美日的原丝生产已经能达到T1100高强度碳纤维和M60J高模量这种水平，而国产碳纤维企业的产品还集中在T300、T400这类中低端产品上，能够批量化生产达到T700水平的比例并不多。

　　碳纤维中低端产品成本居高不下，缺乏国际竞争力。国产碳纤维高端产品缺乏，T300/T700级碳纤维满足国防应用需求，T800、M40、M40J和M55J已突破工程化制备技术，更高性能的T1100G碳纤维、TORAYCAM40X碳纤维还处于跟踪研发阶段；宇航级T300、T700级国产碳纤维价格国外在1000元人民币/kg以内，国内在3000-4000元人民币/kg，缺乏国际竞争力，因此真正具有竞争力和可持续健康发展的碳纤维龙头产业尚未形成。

　　碳纤维树脂基复合材料制造工艺装备落后，自动化程度低，大规模工业化生产成套工艺与装备研发能力不足。国内碳纤维树脂基复合材料结构应用以跟踪替代为主，自主设计应用能力较弱，自动化成型工艺的应用比例不足20%。复合材料设计和工艺技术落后使复合材料性能离散大、减重效率和成品率低、成本高，已经成为制约复合材料应用的突出问题。

　　国内碳纤维树脂基复合材料应用水平与发达国家也存在明显的差距。国外研制的B787、A350等大型客机复合材料用量达到了50%以上。国内研制的ARJ21支线%左右，且大部分构件主要直接从国外进口预浸料制造生产，树脂基复合材料在大型客机等民用航空领域难以形成规模。设计方面还存在规范手册和软件开发等问题。国外十分重视有组织的制订相应规范，例如各大飞机公司均有自己的《复合材料设计手册》，至于专门用于复合材料设计分析软件的Sizer等软件的开发和应用等。风电领域，如风机叶片的设计，国外已大量应用先进复合材料，成为碳纤维应用大户，但国内进展缓慢，一个重要原因是我国叶片多是进口，没有原始设计产权，自主设计时也没有引进商提供的载荷数据作为参考。

　　是第三代半导体材料之一，其介电击穿强度大约是硅的10倍，主要用于生产功率半导体器件，适用于高温、高压、高功率的场景。而碳基复合材料包括碳纳米管、碳纤维、石墨烯等，具有较多优异的力学、电学和化学性能，未来主要应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等领域。

　　碳化硅材料由于其较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的导热系数、耐热冲击性、高的比刚度、高度的尺寸稳定性等一系列优良的物理性质，受到越来越多的重视，普遍用于陶瓷球轴承、阀门、半导体材料、陀螺、测量仪、航空航天等领域。尤其在半导体领域，国产替代空间巨大，国内企业有望在政策的推动下实现变道超车。

　　目前，碳化硅半导体主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，在民用、军用领域均具有明确且可观的市场前景。同时，我国“十四五”规划已将碳化硅半导体纳入重点支持领域，随着国家“新基建”战略的实施，碳化硅半导体将在5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心等新基建领域发挥重要作用。因此，以碳化硅为代表的宽禁带半导体是面向经济主战场、面向国家重大需求的战略性行业。

　　近年来，对多孔碳材料的关注越来越多，有关多孔碳材料报道也持续增多，而对于研究人员而言，多孔碳材料及材料的应用具有研究价值。其原因在于：首先，多孔碳材料具有较好的生物相容性、尤其在无氧条件下具有良好的化学稳定性、低密度、高热导率、高导电率和高机械强度等优势。并且，相对于多孔硅，多孔碳材料在水中具有更好的结构稳定性。其次，制备多孔碳材料的前驱体种类丰富、多样，其成本较为低廉。

　　多孔碳材料与其他碳材料相比，具有较高的比表面积和可调控的物理化学性质、价格低廉、容易获得的特点，在能源存贮和能源转换、催化和吸附分离等领域都呈现出了巨大的应用前景，而通过专业的技法和工艺将不同结构的聚合物碳化制备多孔碳材料的方法是目前多孔碳材料的研究热点之一。多孔碳材料的制备方法的选择直接决定材料的性能以及可应用的范围，以多孔碳材料为代表的碳材料除了可以应用于电池、超级电容器之外，还可以应用到吸附剂领域，实现气体分离和气体储存，也可以作为催化剂载体。

　　一直以来，英特尔和台积电等晶圆厂商，都使用硅基技术，来生产芯片。但由于摩尔定律的日渐式微，当下的硅基芯片技术，即将碰触极限。

　　而在地球上普遍存在的碳元素，和硅是同族元素，它俩的化学属性和物理属性，也非常相似。IBM 的理论计算表明，如果完全按照现有二维平面框架设计，相比硅基技术，碳管技术具备 15 代的技术优势。斯坦福大学的研究也表明，碳管技术有望将常规的二维硅基芯片技术，发展成三维芯片技术。这至少能将当前芯片的综合能力，提升 1000 倍以上。故此，碳管也是公认的、最理想的硅晶替代品。

　　缺芯成为科技界的一大难题，之前的芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术，最新的碳基半导体具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势，碳基技术是各国一直研发替代硅基的新技术。与国外硅基技术制造出来的芯片相比，我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时，不仅速度更快，而且至少节约30%的功耗。

　　目前我国已经实现四项技术突破：第一，提纯原料。第二，将碳纳米管有规则地平铺在基板上。第三，使用碳纳米管搭建pn结构。第四，将dna完成的组装体规则地搭建在基板上。虽然已经能够以很高的密度按规则铺设碳纳米管，但想要做成电路，还需光刻/电子束刻蚀来铺设各种电极（源电极、漏电极、门电极）。硅基芯片发展几十年，很多核心技术掌握在欧美等国家的手里，因此会受制于人。当下的技术能力距离实现真正可以使用的碳基芯片还有一段距离要走，要实现工业生产更是前路漫漫。

　　2020 年 5 月 22 日，北京大学电子学系彭练矛院士和张志勇教授团队在《科学》杂志发表《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》论文，介绍了该团队最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法。据了解，该方法可以在四英寸基底上，制备出密度高达 120 / 微米、半导体纯度超过 99.9999%、直径分布 1.45±0.23nm 的碳纳米管（以下简称“碳管”）平行阵列，并在此基础上，首次实现性能超越同等栅长的硅基 CMOS 技术的晶体管和电路。这一成果，也将为碳基半导体进入规模工业化奠定基础。

　　活性炭纤维(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。

　　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、电极及双层电容。

　　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。

　　类金刚石薄膜又称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。

　　富勒烯的结构与石墨类似，是单质碳被发现的第三种同素异形体，任何存在于球状或椭球状结构中的碳元素组成的物质都可称为富勒烯，最常见的富勒烯是C60，由60个碳原子组成，即20个六元环和12个五元环连接。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。

　　因富勒烯结构稳定和性质独特，广泛应用在许多领域，如润滑剂、太阳能电池、化妆品及军用激光防护眼镜等。目前，富勒烯产业发展面临制备工艺复杂、量产难度大、价格昂贵等问题，其应用仍处在起步阶段。未来，富勒烯产业发展重点机遇有：美容产业、超导领域、医学领域、润滑领域。

　　碳纳米管，又名巴基管(Bucky tubes)，由石墨片卷曲而形成的无缝中空管体，也是具有代表性的一维碳纳米材料。碳纳米管一般由单层或多层组成，前者被称为单壁碳纳米管，后者则被称为多壁碳纳米管。碳纳米管具有优异的电学、热学、力学等性能，已被应用到各个领域。

　　近年来，在柔性电子器件领域，碳纳米管以其良好的柔性且易大面积制备等特点，在该领域的应用得到飞速发展，如应变传感器、压力传感器、气体传感器和温度传感器等，用于可穿戴智能产品的开发。此外，碳纳米管在柔性触摸屏、柔性超级电容、柔性电池等方面也有着极大的潜力。据市场分析，碳纳米管在动力锂电池领域的渗透率逐年提升，有望进一步替代炭黑，成为动力锂电池领域的主流导电剂。且碳纳米管的发展方向是更小的管径和更长的长度，以降低使用量，如单壁和寡壁碳纳米管，一方面增加导电性，另一方面间接提升电池能量密度。行业保持高速迭代，需要企业大量的研发投入。

　　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的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

　　石墨烯被誉为“新材料之王”，具有优秀的力学特性和超强导电性导热性等特性，下游覆盖散热材料、新能源电池、柔性显示和复合材料等热门领域，并在未来有望完成对传统电容、锂电池材料的全面替代，行业技术需求极大。

　　全球石墨烯市场规模稳步增长，2020年末全球石墨烯市场规模为95亿美元，未来5年有望保持40%的复合增速。目前，国内外石墨烯市场正处于起步阶段，产品尚未成熟，但市场增速快。石墨烯产业链上游的原料为石墨，中国是全球最大的石墨生产国；产业链中游主要为石墨烯的制备，其中氧化还原法常用来制备石墨烯粉体，化学气相沉积法常用来制备大尺寸的石墨烯薄膜。下游需求方面，国内新能源领域占据四分之三的需求，包括新能源超级电容与锂电池导电剂，随着新能源汽车加速渗透，行业将迎来高增速。

　　石墨烯是由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，被誉为“21世纪的新材料之王”，具有多方面顶尖性能。在新能源电池领域，作为负极材料可应用于锂离子电池、动力电池、超级电容、燃料电池、风电储能装置等领域；作为复合材料，可用于抗静电复合材料、导电复合材料、导热复合材料和高分子复合材料等，部分产品已在传感器、生物医药、环境保护、新能源、机器人等领域中实现了产业应用；此外，石墨烯在重防腐涂料领域和海水淡化领域也具有广阔的应用前景。据刘忠范院士介绍，目前国内石墨烯产业，最热的有“三大件”：一个是石墨烯新能源电池，占了71%；另一个是石墨烯涂料；再有就是石墨烯大健康产品，占据7%左右。这三块合计将近90%。理想很丰满，现实很骨感。目前石墨烯行业还存在关键技术未突破，下游应用企业参与度偏低，标准、检测体系不完善，产品鱼龙混杂等问题。建议从传统产品改性入手，选择目前技术较为成熟、量大面广以及下游用户认可度偏高的石墨烯散热材料、增强复合材料、储能材料等产品开展应用示范，充分利用首批次保险补偿机制等相关政策，降低下游用户使用风险，有效激活石墨烯下游应用市场需求，推动大规模产业化应用。围绕新一代信息技术、新能源汽车、5G、高端装备等新兴产业领域发展需求，坚持需求引导，开展石墨烯前沿性和战略性方向、核心技术、专利和产品的布局，培育未来市场。

　　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。

　　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，纳米金属粒子则处于洋葱的核心。

　　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、锂离子二次电池负极材料、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轻材料，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。

　　是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳纳米结构材料，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。2010年，中科院化学所有机固体院重点实验室科研人员在首次通过六乙炔基苯前体的交叉偶联反应，成功地在Cu箔表面合成了高质量的石墨炔薄膜。所制备的石墨炔具有与硅类似的优异半导体特性，石墨炔被认为是堪比石墨烯的“超级材料”，它的加入能改善很多材料的性能。

　　研炭翁说碳（一）-说说“碳”与“炭”的区别----中国科学院山西煤炭化学研究所

　　北大教授突破碳基半导体技术，在《科学》发表三篇论文！“中国芯”梦想更进一步