《先进碳材料》课程教学大纲 课程名称：先进碳材料 课程类别：选修课 适用专业：材料化学 考核方式：考查 总学时、学分：32学时2学分 一、课程教学目的 《先进碳材料》是研究各类碳材料的结构、性质和应用的一门科 学。本课程是化学与材料科学学院材料化学专业的选修课。碳材料被 誉为第四类工业材料，是当前材料科学中最有生命力的材料之一。本 课程首先系统归纳了碳材料的存在形式、结构和性质：而后具体介绍 各类碳材料：如碳纤维、碳纳米管、富勒烯、碳纳米微球、碳分子筛、 碳合金及其复合材料。从而能够正确认识常见碳材料的物理化学性质、 制备方法和应用途径。通过本课程的学习，要求掌握碳材料的基本结 构和性质：了解常见的碳材料物理化学性质及应用：培养学生严谨的 科学态度和利用碳材料解决相关问题的能力。 二、课程教学要求 本课程教学的基本结构要求： 本课程首先以碳材料的相关基础知识为切入口，接着介绍了高性 能碳（石墨)纤维、气相生长碳纤维及纳米碳管、富勒烯、中间相碳 微球、活性炭纤维、碳分子筛、碳合金以及碳」碳复合物等具体类型 的碳材料。通过这些内容的描述，能清楚认识和区分相关的碳材料
《先进碳材料》课程教学大纲 课程名称：先进碳材料 课程类别：选修课 适用专业：材料化学 考核方式：考查 总学时、学分： 32 学时 2 学分 一、课程教学目的 《先进碳材料》是研究各类碳材料的结构、性质和应用的一门科 学。本课程是化学与材料科学学院材料化学专业的选修课。碳材料被 誉为第四类工业材料，是当前材料科学中最有生命力的材料之一。本 课程首先系统归纳了碳材料的存在形式、结构和性质；而后具体介绍 各类碳材料：如碳纤维、碳纳米管、富勒烯、碳纳米微球、碳分子筛、 碳合金及其复合材料。从而能够正确认识常见碳材料的物理化学性质、 制备方法和应用途径。通过本课程的学习，要求掌握碳材料的基本结 构和性质；了解常见的碳材料物理化学性质及应用；培养学生严谨的 科学态度和利用碳材料解决相关问题的能力。 二、课程教学要求 本课程教学的基本结构要求： 本课程首先以碳材料的相关基础知识为切入口，接着介绍了高性 能碳（石墨）纤维、气相生长碳纤维及纳米碳管、富勒烯、中间相碳 微球、活性炭纤维、碳分子筛、碳合金以及碳/碳复合物等具体类型 的碳材料。通过这些内容的描述，能清楚认识和区分相关的碳材料
三、先修课程 本课程以物理学、无机化学、仪器分析、材料化学等课程作为先 行课。 四、课程教学重、难点 本课程重点介绍了各种碳材料及其复合材料的物理化学性质及 其制备方法和应用。 难点是掌握各种碳材料的基本结构和性质。 五、课程教学方法与教学手段 教学方法：课堂讲授和讨论相结合。通过阅读主要参考书目、网 上查询、资料整理和专题讨论，加深对碳材料基本性质和概念的了解， 并掌握相关碳材料的发展动态。 教学手段：在教学中采用板书、电子教案及多媒体教学等相结合 的教学手段，以确保全面、高质量地完成课程教学任务。 六、课程教学内容 第一章碳材料基础(6学时) 1.教学内容 碳材料在自然界中的存在形式是多种多样的。通常情况下碳以碳酸钙的形式存在：同时， 碳是地球生命的基础，存在于所有动植物中。碳位于化学元素周期表的第六位，根据原子杂 化轨道理论，碳原子在于其他原子结合时，其外层电子会产生不同形式的杂化，从而使碳材 料的结构非常丰富。碳的性质主要包括化学性质、机械性质、电子性质、热学性质、磁学性 质、光学性质和表面性质
三、先修课程 本课程以物理学、无机化学、仪器分析、材料化学等课程作为先 行课。 四、课程教学重、难点 本课程重点介绍了各种碳材料及其复合材料的物理化学性质及 其制备方法和应用。 难点是掌握各种碳材料的基本结构和性质。 五、课程教学方法与教学手段 教学方法：课堂讲授和讨论相结合。通过阅读主要参考书目、网 上查询、资料整理和专题讨论，加深对碳材料基本性质和概念的了解， 并掌握相关碳材料的发展动态。 教学手段：在教学中采用板书、电子教案及多媒体教学等相结合 的教学手段，以确保全面、高质量地完成课程教学任务。 六、课程教学内容 第一章 碳材料基础（6 学时） 1．教学内容 碳材料在自然界中的存在形式是多种多样的。通常情况下碳以碳酸钙的形式存在；同时， 碳是地球生命的基础，存在于所有动植物中。碳位于化学元素周期表的第六位，根据原子杂 化轨道理论，碳原子在于其他原子结合时，其外层电子会产生不同形式的杂化，从而使碳材 料的结构非常丰富。碳的性质主要包括化学性质、机械性质、电子性质、热学性质、磁学性 质、光学性质和表面性质
2.重、难点提示 重点明确碳丰富的结构导致碳性质的多样性的原因。 第二章碳纤维(8学时) 1.教学内容 根据碳纤维的发展概况，理清常见的碳纤维的名称和分类方式。同时，重点介绍几种常 见碳纤维材料的制备方法（石墨纤维、纳米碳管、活性炭纤维），并针对这些碳纤维，讲解 这些碳纤维材料常见的处理方法及应用实例。 2.重、难点提示 重点是介绍纳米碳管的性质及应用。 第三章富勒烯(2学时) 1.教学内容 本章重点介绍富勒烯的相关基础知识，发现历史等。在讲解的过程中，给学生明确制备 的富勒烯可能含有许多杂质，在进行使用和性能探讨前需要进行相关的提取和分离操作。同 时，针对具体类型的富勒烯材料，给出具体的结构特点和性能及其应用。 2.重、难点提示 重点是让学生明确富勒烯是一类具有相似结构零维碳材料的统称。 第四章中间相碳微球（4学时) 1.教学内容 在指导学生明确了常见的碳微球后，详细介绍中间相碳微球的相关制备及分离方法。同 时借助具体案例，让学生明确中间相碳微球形成的机理及其结构与性能。最后给出中间相微 球在锂离子电池负极材料、复合材料、吸附材料等具体领域中的应用。 2.重、难点提示 重点介绍碳微球形成机理。 第五章碳分子筛(6学时) 1.教学内容 碳分子筛是一种较为均匀的微孔结构的碳吸附剂，它具有接近被吸附分子直径的楔形狭 缝装微孔，能够把立体结构大小有差异的分子分离开来。广义地讲，碳分子筛属于多孔碳的 范畴，狭义上则可以其实多孔碳的变种。碳分子筛与多孔碳主要区别在于孔径分布和孔隙率
2．重、难点提示 重点明确碳丰富的结构导致碳性质的多样性的原因。 第二章 碳纤维（8 学时） 1．教学内容 根据碳纤维的发展概况，理清常见的碳纤维的名称和分类方式。同时，重点介绍几种常 见碳纤维材料的制备方法（石墨纤维、纳米碳管、活性炭纤维），并针对这些碳纤维，讲解 这些碳纤维材料常见的处理方法及应用实例。 2．重、难点提示 重点是介绍纳米碳管的性质及应用。 第三章 富勒烯（2 学时） 1．教学内容 本章重点介绍富勒烯的相关基础知识，发现历史等。在讲解的过程中，给学生明确制备 的富勒烯可能含有许多杂质，在进行使用和性能探讨前需要进行相关的提取和分离操作。同 时，针对具体类型的富勒烯材料，给出具体的结构特点和性能及其应用。 2．重、难点提示 重点是让学生明确富勒烯是一类具有相似结构零维碳材料的统称。 第四章 中间相碳微球（4 学时） 1．教学内容 在指导学生明确了常见的碳微球后，详细介绍中间相碳微球的相关制备及分离方法。同 时借助具体案例，让学生明确中间相碳微球形成的机理及其结构与性能。最后给出中间相微 球在锂离子电池负极材料、复合材料、吸附材料等具体领域中的应用。 2．重、难点提示 重点介绍碳微球形成机理。 第五章 碳分子筛（6 学时） 1．教学内容 碳分子筛是一种较为均匀的微孔结构的碳吸附剂，它具有接近被吸附分子直径的楔形狭 缝装微孔，能够把立体结构大小有差异的分子分离开来。广义地讲，碳分子筛属于多孔碳的 范畴，狭义上则可以其实多孔碳的变种。碳分子筛与多孔碳主要区别在于孔径分布和孔隙率
不同，其孔隙主要以微孔为主。通常情况下，研究碳分子筛孔隙结构的方法主要有吸附测量 法、小角度X射线散射法、电子显微镜观察法等。通过这些方法的研究，可以有效了解碳分 子筛的结构特点。作为碳质吸附剂材料，碳分子筛己经用于空气分离制氧、催化剂载体、脱 除天然气中的杂志C0,和H20、饮料的除臭、香烟过滤嘴、脱除成熟促进剂乙烯使水果得以 保险、脱除焦油成分保留薄荷醇、色谱的固定相，从焦炉气、高炉气、重整废气或合成氨弛 放气等气体中回收氢气，从燃烧烟气中回收高纯的C02。 2.重、难点提示 重点是碳分子筛的结构和性质。 第六章碳合金（2学时) 1.教学内容 真正的碳材料往往会键合碳元素、氢元素和其它元素，它们真正意义上属于碳合金，碳 材料的多样性就来源于加入合金成分，这很容易从碳和许多元素的相互作用得到验证。所谓 碳合金，是以碳材料的集合体为主体的多成分系构成，在它们的构成单元之间，有物理的、 化学的相互作用的碳材料。但认为不同的杂化轨道的碳是不同的成分系。简单地说，就是将 不同化学键合的碳组合而成的碳材料，或碳晶体中导入异类原子后的碳材料。各自的成分系 完全没有相互作用而独立存在时，不认为是合金。目前，碳合金的制备方法多种多样。其主 要研究团队多集中在日本。碳合金这一概念的提出充分体现和利用了碳元素结构和性能的多 样性，为系统地实现碳材料的功能扩张和新功能的发现以及新型碳材料的创作开辟了新途径。 2.重、难点提示 重点是掌握碳合金的概念。 第七章碳/碳复合材料（4学时) 1.教学内容 C/C复合材料是指以碳纤维为增强体，以碳作为基体的一类复合材料，作为增强体的碳 纤维可多种形式和种类，即可以用短切纤维，也可以用连续长纤维及编织物，各种类型的碳 纤维都可以用作碳/碳复合材料的增强体。C/C复合材料具有密度低、高比强度比模量、高 热传导性、低热碰撞系数、断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀等特点，尤其是其强度随着温度的升 高，不仅不会降低反而还可能升高，它是所有己知材料中耐高温性最好的材料。C/C复合材 料通常需要选择胶黏剂，同时需要对胚体进行预成型，且致密化处理。由于所使用的碳材料 在高温条件下可能发生氧化反应，因此，在使用的时候需要进行抗氧化处理。经过这些处理
不同，其孔隙主要以微孔为主。通常情况下，研究碳分子筛孔隙结构的方法主要有吸附测量 法、小角度 X 射线散射法、电子显微镜观察法等。通过这些方法的研究，可以有效了解碳分 子筛的结构特点。作为碳质吸附剂材料，碳分子筛已经用于空气分离制氧、催化剂载体、脱 除天然气中的杂志 CO2 和 H2O、饮料的除臭、香烟过滤嘴、脱除成熟促进剂乙烯使水果得以 保险、脱除焦油成分保留薄荷醇、色谱的固定相，从焦炉气、高炉气、重整废气或合成氨弛 放气等气体中回收氢气，从燃烧烟气中回收高纯的 CO2。 2．重、难点提示 重点是碳分子筛的结构和性质。 第六章 碳合金（2 学时） 1．教学内容 真正的碳材料往往会键合碳元素、氢元素和其它元素，它们真正意义上属于碳合金，碳 材料的多样性就来源于加入合金成分，这很容易从碳和许多元素的相互作用得到验证。所谓 碳合金，是以碳材料的集合体为主体的多成分系构成，在它们的构成单元之间，有物理的、 化学的相互作用的碳材料。但认为不同的杂化轨道的碳是不同的成分系。简单地说，就是将 不同化学键合的碳组合而成的碳材料，或碳晶体中导入异类原子后的碳材料。各自的成分系 完全没有相互作用而独立存在时，不认为是合金。目前，碳合金的制备方法多种多样。其主 要研究团队多集中在日本。碳合金这一概念的提出充分体现和利用了碳元素结构和性能的多 样性，为系统地实现碳材料的功能扩张和新功能的发现以及新型碳材料的创作开辟了新途径。 2．重、难点提示 重点是掌握碳合金的概念。 第七章 碳/碳复合材料（4 学时） 1．教学内容 C/C 复合材料是指以碳纤维为增强体，以碳作为基体的一类复合材料，作为增强体的碳 纤维可多种形式和种类，即可以用短切纤维，也可以用连续长纤维及编织物，各种类型的碳 纤维都可以用作碳/碳复合材料的增强体。C/C 复合材料具有密度低、高比强度比模量、高 热传导性、低热碰撞系数、断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀等特点，尤其是其强度随着温度的升 高，不仅不会降低反而还可能升高，它是所有已知材料中耐高温性最好的材料。C/C 复合材 料通常需要选择胶黏剂，同时需要对胚体进行预成型，且致密化处理。由于所使用的碳材料 在高温条件下可能发生氧化反应，因此，在使用的时候需要进行抗氧化处理。经过这些处理
以后，C/C复合材料能够被广泛地应用于工农生产的各类活动中。 2.重、难点提示 碳/碳复合材料的定义。 七、学时分配 教学环节 章目 教学内容 理论教学学时 实验教学学时 一 碳材料基础 6 0 二 碳纤维 8 0 三 富勒烯 2 0 四 中间相碳微球 4 0 五 碳分子筛 6 0 六 碳合金 2 0 七 碳/碳复合材料 4 0 总计 32 八、课程考核方式 1.考核方式： 开卷笔试 2.成绩构成 平时成绩和试卷成绩 九、选用教材和参考书目 [1]《新型碳材料》，沈曾民，化学工业出版社，2003： [2]《碳材料科学与工程基础》（第2版），Michio Inagaki,清华大学出 版社，2014： [3]《先进碳材料科学与功能应用技术》，先进碳材料科学与功能化应用技
以后，C/C 复合材料能够被广泛地应用于工农生产的各类活动中。 2．重、难点提示 碳/碳复合材料的定义。 七、学时分配 章目 教学内容 教学环节 理论教学学时 实验教学学时 一 碳材料基础 6 0 二 碳纤维 8 0 三 富勒烯 2 0 四 中间相碳微球 4 0 五 碳分子筛 6 0 六 碳合金 2 0 七 碳/碳复合材料 4 0 总计 32 八、课程考核方式 1.考核方式： 开卷笔试 2.成绩构成 平时成绩和试卷成绩 九、选用教材和参考书目 ［1］《新型碳材料》，沈曾民，化学工业出版社，2003； ［2］《碳材料科学与工程基础》（第 2 版），Michio Inagaki，清华大学出 版社，2014； ［3］《先进碳材料科学与功能应用技术》，先进碳材料科学与功能化应用技
术编委会，科学出版社，2016
术编委会，科学出版社，2016