想必都知道碳材料各種優(yōu)異的性能，但為什么碳元素能組成世界上最硬的物質(zhì)金剛石，也能組成非常軟的物質(zhì)石墨？石墨為什么能導(dǎo)電而金剛石不能？碳纖維為什么強(qiáng)度高？炭化與石墨化你是不是傻傻分不清楚？本篇試圖給大家普及一點(diǎn)碳材料科學(xué)基礎(chǔ)，如果你之前沒(méi)上過(guò)材料學(xué)的專業(yè)課，這篇文章可能會(huì)幫助你從更專業(yè)的眼光思考碳材料的各種問(wèn)題。我盡可能不用專業(yè)詞匯，而用最淺顯的語(yǔ)言來(lái)解釋這一切，如果是專業(yè)人員，這篇文章或許能幫助你重新架構(gòu)碳材料知識(shí)體系。不管怎么樣，漫談碳纖維系列文章將來(lái)所談到任何問(wèn)題都是以此為基礎(chǔ)的。想要隨時(shí)復(fù)習(xí)這篇文章，趕緊點(diǎn)右上角分享或者收藏吧。

　　本文會(huì)從原子級(jí)別、晶體級(jí)別、微觀級(jí)別三個(gè)尺度來(lái)了解碳材料。

　　　首先是原子級(jí)別。物質(zhì)是由原子組成的，這個(gè)不用多說(shuō)，原子又是由原子核和核外電子組成，核外電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，就像地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)一樣。原子核是由質(zhì)子和中子組成，這個(gè)不需要太了解，你只需要知道根據(jù)質(zhì)子的數(shù)量不一樣，分成不同的元素。比如質(zhì)子數(shù)為1的是氫、質(zhì)子數(shù)為2的是氦，那么碳元素在元素周期表上排第6位，它的原子核內(nèi)就有6個(gè)質(zhì)子，而核外電子數(shù)量又是和質(zhì)子數(shù)相同的，那么碳原子就有6個(gè)核外電子。原子全部重量就集中在原子核內(nèi)，而電子重量幾乎忽略不計(jì)，但可別小看了核外電子，它可是決定著原子如何組成物質(zhì)的關(guān)鍵，不同的物理化學(xué)性質(zhì)都起源于它。

　　核外電子在原子核周圍旋轉(zhuǎn)可是有一定規(guī)律的，它是按照距離原子核不同距離的軌道上運(yùn)動(dòng)的。就像太陽(yáng)有八大行星（冥王星已經(jīng)被開(kāi)除了），各個(gè)行星根據(jù)距離太陽(yáng)遠(yuǎn)近分處不同的軌道。但原子核外電子軌道與太陽(yáng)系行星軌道不同的是，距離原子核最近軌道可以放兩個(gè)電子，再遠(yuǎn)一點(diǎn)的軌道可以放8個(gè)電子，更遠(yuǎn)的軌道我們就不說(shuō)了，因?yàn)槲覀冎魂P(guān)心碳元素。這樣就知道了碳原子是由碳原子核和6個(gè)核外電子組成，而且碳原子最內(nèi)層有兩個(gè)電子，次外層有4個(gè)電子，看圖示1。

　　可是不是說(shuō)可以放8個(gè)電子嗎？放不滿怎么辦？放不滿的話，那就不穩(wěn)定，不穩(wěn)定怎么辦？那就想辦法穩(wěn)定，什么辦法？跟周圍原子分享電子，這樣就穩(wěn)定了，兩個(gè)電子就被綁在一塊了，這就叫共價(jià)鍵，想要把兩個(gè)電子分開(kāi)，就需要費(fèi)很大能量打斷這個(gè)共價(jià)鍵。一個(gè)碳原子跟周圍四個(gè)碳原子分別形成一個(gè)共價(jià)鍵，四個(gè)共價(jià)鍵相互排斥，在空間上形成最大的角度，每?jī)蓚€(gè)共價(jià)鍵夾角109°。于是就形成了我們常看到的金剛石的原子結(jié)構(gòu)如圖示2。

　　大家可以把碳原子看成小球，共價(jià)鍵是連接小球的剛性桿，如果要移動(dòng)任何一個(gè)小球，都會(huì)牽扯周圍的小球移動(dòng)，所以除非把連接小球的剛性桿扯斷，否則你是不容易移動(dòng)小球的，這就是為什么金剛石非常硬了。明白了吧，材料學(xué)中任何材料表現(xiàn)的各種性能都有其內(nèi)在關(guān)聯(lián)的。另外碳原子核外電子與周圍碳原子形成共價(jià)鍵了，電子被固定在兩個(gè)碳原子核之間，不能自由移動(dòng)，即使外加電壓也不行，那么就形不成電流，也就是金剛石不導(dǎo)電。

　　這位客官問(wèn)了，那為什么還有石墨那種六角平面結(jié)構(gòu)呢？回答這個(gè)問(wèn)題之前先端上石墨六角平面結(jié)構(gòu)的圖片吧，說(shuō)的再好也不如圖片直觀。看圖3.

　　不是碳原子有4個(gè)核外電子嗎？不是形成8個(gè)電子才穩(wěn)定嗎？不是與周圍4個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵才能解決問(wèn)題嗎？這圖上碳原子只和3個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，你以為我不識(shí)數(shù)啊，這個(gè)騙子。客官先稍安勿躁，我忘了給您介紹一個(gè)原理了，這就是能量最低原理。山上石頭為什么會(huì)往下滾，桌上物體為什么會(huì)往下掉？就是因?yàn)槿f(wàn)物總會(huì)自發(fā)的從高能量向低能量轉(zhuǎn)換，然后將剩余的能量釋放出來(lái)，山上石頭河桌上物體能量高，于是自發(fā)向下掉，剩余能量就轉(zhuǎn)化成砸在地面的坑，這個(gè)解釋可以理解吧。

　　石墨結(jié)構(gòu)中兩個(gè)相鄰碳原子距離近，所以能量低，別問(wèn)我為什么，你只需要記住石墨這種碳原子在一個(gè)平面與其他三個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，每?jī)蓚€(gè)共價(jià)鍵夾角都是120°，這樣的結(jié)構(gòu)能量最低。有人說(shuō)了，那金剛石結(jié)構(gòu)中碳原子也可以靠近距離啊，哎~這個(gè)臣妾做不到啊，因兩個(gè)碳原子靠近會(huì)受到其他原子的排斥力。是不是很糾結(jié)，那石墨結(jié)構(gòu)碳原子為什么能靠近啊，建議各位在紙上畫一畫兩種結(jié)構(gòu)圖，石墨碳原子共價(jià)鍵夾角120°，有足夠的空間靠近，金剛石共價(jià)鍵夾角109°，沒(méi)空間了。空間感差的孩子要撞墻了，別著急，你只需要記住石墨這種結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。那又出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，這么說(shuō)金剛石能量高，可以自發(fā)的向石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變了，趕緊把家藏的鉆石賣了吧，萬(wàn)一哪天拿出來(lái)成石墨了，多不劃算啊。這個(gè)擔(dān)心就多余了，我兜里硬幣怎么不往地上掉？硬幣在我兜里也沒(méi)在地上能量低啊，那是因?yàn)榈糜心芰渴褂矌艔亩档滋蕉悼诓拍艿舫鰜?lái)，我如果大蹦大跳，給硬幣能量，說(shuō)不定就掉出來(lái)了。同樣，金剛石雖然不穩(wěn)定，但是它是長(zhǎng)期存在的，這叫亞穩(wěn)態(tài)，只有賦予能量才能自發(fā)從金剛石轉(zhuǎn)換成石墨結(jié)構(gòu)，你把金剛石放到高溫下，慢慢就會(huì)轉(zhuǎn)變成石墨了，不信可以試一試，不過(guò)別叫我賠。

　　再來(lái)看石墨這種結(jié)構(gòu)吧，一個(gè)碳原子與周圍三個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，那剩余的一個(gè)電子就游離在這個(gè)平面的上面或下面，每個(gè)碳原子就有一個(gè)多余的游離電子，這就是石墨烯結(jié)構(gòu)。碳原子穩(wěn)定了，對(duì)游離電子束縛小了，加上電壓游離電子就會(huì)非常迅速的定向移動(dòng)，這就是為什么石墨烯屬于超導(dǎo)材料，導(dǎo)電率非常好，幾乎沒(méi)有電阻，這也是石墨材料為什么會(huì)導(dǎo)電的原理。另外碳六角平面上一層電子，能吸收可見(jiàn)光，這就可以解釋為什么石墨是黑色的了，光線照射在石墨上，被吸收了，就是黑色。

　　說(shuō)完原子尺度，再來(lái)看晶體尺度。什么是晶體？材料學(xué)中，原子按照一定規(guī)律周期型排列就是晶體結(jié)構(gòu)。看看金剛石結(jié)構(gòu)，都是一個(gè)碳原子與周圍四個(gè)碳原子形成正立方體的結(jié)構(gòu)周期性的排列，看看石墨結(jié)構(gòu)，都是碳原子與周圍三個(gè)碳原子形成六角網(wǎng)格，然后周期性的重復(fù)，這就是石墨晶體。石墨材料呢又都是有這樣的六元網(wǎng)平面一層一層疊起來(lái)的，兩層六元網(wǎng)平面之間是靠游離電子相互吸引堆垛起來(lái)的。這個(gè)結(jié)合力是非常弱的，所以在外力作用下非常容易滑落，這就是為什么石墨可以作為潤(rùn)滑油的添加劑，因?yàn)閮蓚€(gè)平面可以自由滑動(dòng)，起到潤(rùn)滑作用，這也是為什么鉛筆要用到石墨，鉛筆在紙上劃的時(shí)候，一部分網(wǎng)平面被摩擦下來(lái)，粘附在紙上。

　　為什么碳材料可以耐腐蝕呢？你看看煤炭在地底下賣了幾億年，土壤這么復(fù)雜的環(huán)境下都不受腐蝕。你看看舊時(shí)候木頭電線桿子表面都燒黑了埋在地下，就是因?yàn)楸砻婺绢^燒成木炭，防止木頭電線桿子爛在土壤里。這些都是因?yàn)樘疾牧夏透g。因?yàn)樘几渌亟Y(jié)合反應(yīng)活性很高，也就是說(shuō)常溫下很難反應(yīng)，所以能耐腐蝕。那為什么碳跟氧氣反應(yīng)這么劇烈，煤炭容易燃燒，石墨容易氧化。這個(gè)要從燃燒的原理來(lái)講，碳原子跟氧原子結(jié)合，需要將原來(lái)碳原子與碳原子的化合建打斷，然后再跟氧原子形成化合鍵。因?yàn)榇驍嗵荚优c碳原子之間的化合鍵需要的能量比碳原子與氧原子形成化合鍵能量低。也就是說(shuō)，碳原子與氧原子一結(jié)合，放出的能量會(huì)把周圍碳原子與碳原子之間的化合建打斷，這樣碳原子與氧原子就會(huì)不斷結(jié)合，碳原子與碳原子化合建不斷被打斷，這就是燃燒。

　　說(shuō)到晶體結(jié)構(gòu)，那肯定得有原子排列沒(méi)有規(guī)律的吧，這就是非晶體，像無(wú)定形碳就是非晶體的。其實(shí)這都是相對(duì)的概念，世界上沒(méi)有完美的晶體，即使單晶體里面也會(huì)有不按規(guī)律排列的原子。無(wú)定形碳就是碳原子排列比較雜亂，幾乎沒(méi)什么規(guī)律，還有的碳原子剩余不飽和的電子，也就是說(shuō)沒(méi)有形成穩(wěn)定化合建。這樣無(wú)定形碳就很容易跟氧氣反應(yīng)，因?yàn)檠踉邮紫雀鷽](méi)有形成化合建的碳原子結(jié)合，然后下面的燃燒就自發(fā)進(jìn)行了。

　　　再來(lái)看微觀級(jí)別吧。上面說(shuō)到單個(gè)晶體原子都是按規(guī)律排列的，如果整個(gè)物體都是這樣有規(guī)律的排列，那就是單晶。但這樣的物體很少見(jiàn)，大多數(shù)是由原子組成單晶的小晶粒，小晶粒再結(jié)合成物體。晶粒與晶粒之間也不一定有明顯界限，可能是晶粒之間的晶界只是排列稍微雜亂了點(diǎn)，它們之間碳原子也是共價(jià)鍵連接。拿石墨組成來(lái)看，碳原子組成六元網(wǎng)格，然后六元網(wǎng)格疊加成為石墨小晶粒，石墨晶粒與相鄰的石墨晶粒可能錯(cuò)層連接，或者網(wǎng)格方向錯(cuò)位連接就形成石墨物體。如果要施加外力將六元網(wǎng)格扯斷，是非常難的，因?yàn)樘荚雍吞荚咏Y(jié)合共價(jià)鍵非常強(qiáng)。但若有排列不規(guī)則或某個(gè)地方缺少碳原子，那么這些地方結(jié)合力就相對(duì)較弱，裂紋就會(huì)沿著這樣的地方擴(kuò)展，如果用顯微鏡觀察，石墨被拉斷的端口基本上是沿著晶粒之間的晶界擴(kuò)展的。

　　最后說(shuō)說(shuō)碳纖維，如果碳纖維是一個(gè)完美碳六角平面單晶的話，那么拉伸強(qiáng)度將達(dá)到800GPa，什么概念？T700碳纖維強(qiáng)度是4900MPa，也就是4.9GPa,僅有理論強(qiáng)度的200分之一左右。因?yàn)樘祭w維內(nèi)部屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)有石墨六元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，但是網(wǎng)格平面是比較雜亂的，有缺陷存在，這就嚴(yán)重限制了碳纖維強(qiáng)度。還有六元網(wǎng)格的取向并非完全平行于纖維的長(zhǎng)度方向，這個(gè)也限制了碳纖維的強(qiáng)度。