碳是第6號元素, 碳原子在空間的排列不同, 使得碳具有較多的結(jié)構(gòu)和多樣的性能, 從而使得由單一的碳元素構(gòu)成的物質(zhì)在自然界煥發(fā)出迷人的光彩, 在工業(yè)生產(chǎn)及高科技領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。從傳統(tǒng)的金剛石、 石墨、 亂層結(jié)構(gòu)炭、 炭黑、 活性炭, 到新發(fā)展的炭纖維、 活性炭纖維、 氣相生長炭纖維、 炭/炭復(fù)合材料、 中間相炭微球、 炭儲能材料、 富勒烯、 納米碳管、 石墨層間化合物和石墨烯等, 碳的家族成員在不斷擴(kuò)大。除金剛石以外, 其余炭材料的基本組成都是石墨微晶。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 碳的一些特性還會被人類發(fā)現(xiàn)并加以利用。

炭材料的這些神奇特點(diǎn)是由其結(jié)構(gòu)決定的, 碳有許多的同素異形體, 當(dāng)然這要?dú)w因于碳鍵的結(jié)合方式(見圖1-2), 碳的代表性同素異形體有以sp3雜化軌道[C—C]構(gòu)成的金剛石, 以sp2雜化軌道[C=C]構(gòu)成的石墨及富勒烯, 以sp雜化軌道[C≡C]構(gòu)成的卡賓碳, 另外, 在高溫高壓的特殊環(huán)境下, 也會生成有特異結(jié)構(gòu)的碳多形體以及液體。

圖1-2 碳結(jié)構(gòu)示意圖