全合成切削液配方设计人：吴玉龙 班级：环境科技学院 078 班 【摘要】该试验的设计重在加深对碳同素异形体结构的了解，区别他们的物理特性。通过计 算机模拟软件，模拟出石墨、金刚石、碳纳米管晶体结构，计算出他们相应的能带图，由石 墨、金刚石、碳纳米管晶体结构和他们相应的能带图，运用晶体结构和能带理论知识去分析 他们的结构类型、硬度与导电性，并联系到其性质在生产上的实际应用价值 【关键词】碳晶体 物理性质 应用价值 【引言】 碳晶体的研究和开发利用一直是科学界关注的一大热点， 对于物质而言， 从性质的角度 看，主要分为物理性质和化学性质。[1]本实验不再探讨碳晶体的化学性质，主要研究的是 各种碳晶体的不同物理特性。[1]从目前来看，碳晶体的存在形式主要有三种，即金刚石、 石墨、碳纳米管。[1]从另一种角度来说，它们是碳的三种同素异形体（同一种元素形成的 不同单质互+为同素异形体） 。[1] 因而， 为了更好的挖掘碳晶体的应用价值， 我觉得本实验对各种碳晶体的物理特性的研 究是有必要的。 本实验将利用特定的计算机应用软件模拟构建石墨、金刚石、碳纳米管晶体结构，计算 石墨、金刚石、碳纳米管晶体能带，并分析它们的物理硬度，同时测定导电特性。 然后利用不同碳晶体物理特性的对比得出它们各自在社会各个领域的利用价值和应用前景 【实验目的】 1、了解同素异形体的晶体结构不同，它们的物理性质的区别； 2、掌握计算机模拟构建石墨、金刚石、碳纳米管晶体结构，并计算石墨、金刚石、碳 纳米管的晶体能带； 3、通过晶体结构、能带数据图，分析碳晶体的晶体结构类型、硬度、导电性能； 4、讨论各种碳晶体的应用价值。 【实验仪器】计算机模拟 【实验原理】 凝结水系统
在金刚石中 C 原子以 SP3 杂化轨道和相邻碳原子一起形成按四面体向排布的 4 个 C-C 单键，共同将碳原子结合成无限的三维骨架。晶胞参数(298k)a=356.688Pm。C-C 键键长 154.45Pm，CCC 键角 109.4°。在金刚石晶体结构中，碳原子形成呈椅式构象的六圆环，每 个 C-C 键的中心点为对称中心，是最稳定的构象。金刚石的抗压强度高，耐磨性好，且不易 [3] 滑动和进行解理，是天然存在的最硬的物质，可压缩性小 。 石墨具有层型大分子结构， 层中每个 C 原子以 SP2 杂化轨道与三个相邻的 C 原子形成等 距离的 3 个 σ 键，构成无限延伸的平面层。而各原子垂直于该平面、未参加杂化的 P2 轨道 相叠合形成离域 π 键。由于层间的作用是范德华力，较弱，在不同的外界条件下可出项不 [3] 同样式 。 碳纳米管具有典型的层状中空结构特征。 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint
化学性能。 晶体按导电性能的高低可以分为：导体，半导体和绝缘体。它们的导电性能不同，是因 为它们的能带结构不同。绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量， 所以形不成电流。 从能级图上来看， 是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带 （∆Eg 约 3～ 6 eV） ，共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。半导体：它的能带 结构，满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（∆E g 约 0.1～2 eV )。 【实验内容及结果】 （1）金刚石：如图模拟构建了金刚石的空间结构及其能带图。 金刚石物理性质 金刚石晶体空间结构：{图 1}
图 1 金刚石的空间结构模型 由图 1 金刚石的空间结构模型可知： 金刚石是自然元素类矿物的典型代表， 化学成分是碳。 [1]金刚石是自然界最硬的物质， 硬度 10，绝对硬度为石英的 1000 倍，刚玉的 150 倍。承压力最大，平均每平方毫米可承受 10 吨压力[1]。抗磨性最强，但性脆，不耐摔打。金刚石有较强的折光率，呈标准的金刚光 泽，经白光照射，立即可被分散成明亮刺眼的单光折射出来；金刚石的晶形属等轴晶系， 通常为八面体形状[1]。纯净者无透明，含有杂质者常带有各种颜金刚石是所有天然产 物中最坚硬的物质[1]. 。金刚石是典型的原子晶体，在这种晶体中的基本结构粒子是碳原子[1]。每个碳原子 都以 sp3 杂化轨道与四个碳原子形成共价单键，键长为 1.55×10-10 m，键角为 109°28′， 构成正四面体。每个碳原子位于正四面体的中心，周围四个碳原子位于四个顶点上，在空间 构成连续的、坚固的骨架结构[1]。因此，可以把整个晶体看成一个巨大的分子。由于 C—C 键的键能大(为 347 kJ/mol)，价电子都参与了共价键的形成，使得晶体中没有自由电子， 所以金刚石是自然界中最坚硬的固体，熔点高达 3 550 ℃，并且不导电[1] 金刚石晶体能带图： （图 2）
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图 2 金刚石晶体的各能带。 能带理论在阐明电子在晶格中的运动规律、 固体的导电机构、 合金的某些性质和金属的 结合能等方面取得了重大成就。[2] 从图 2 中能得出金刚石晶体的一些物理性质： 1．金刚石不导电，为惰性物质[2] 2.热导率：金刚石是较好的热良导体，其热导率不等，一般为 138.16W/(m.K)。Ⅱa 型金刚石热导性特别好，在液氮温度下为铜的 25 倍，室温下为铜的 5 倍，具有
超导热性。 [2] 3. 热膨胀性： 金刚石在低温时线膨胀系数极小， 随温度升高线膨胀系数迅速增大。 [2] 4.耐热性：金刚石在纯氧中燃点为 720~800℃，在空气中燃点为 850~1000℃，在纯氧 中 2000~3000℃转化为石墨。金刚石燃烧时[2] 5.磁性：纯净的金刚石为非磁性，当含有磁性包裹体时具有一定磁性。[2] 6.电导率：一般情况下，金刚石是电的不良导体，电导率小，为 0.211×10-14 ~0.309 -13 ×10 S/m。随着温度的升高，电导率有所增大。[2] （2）纳米管：如图模拟构建了纳米管的空间结构及其能带图。 纳米管物理性质 纳米管晶体空间结构（图 3）
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图 3 纳米管的空间结构模型 由图 3 结构可知： 纳米管作为一种新兴的一维纳米材料，具有其独特的物理、化学性质和广阔的应用前景. 介绍了碳纳米管的基本性质以及其在纳米电子学、信息领域、纳米机电系统、材料增强、能 源等各个领域中应用的最新研究进展. [1]。 .碳纳米管径向尺寸为纳米量级 ，轴向尺寸为微 米量级 ，主要由六边形排列的碳原子构成同轴圆管 ，层与层之间保持固定的间距 ，与石墨 的层间距相当 ，约为 0 .34nm ，根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单层或多层碳 管 .碳纳米管及相关的一维纳米材料已经显示出许多独特的性质和潜在的应用前景[1]。由 碳原子有序排列卷曲而成的纳米尺寸、中空管状结构的准一维碳材料[1]。由单个碳原子层 卷曲而成的叫单壁纳米碳管；由多个碳原子层卷曲而成的叫多壁纳米碳管。[1]纳米碳管的 特殊结构和较大的长度直径比使其具有特殊性能。[1] 其质量是同体积钢的六分之一，强度约是钢的 100 倍，并具有很强的导热性[1]。碳
纳 米管具有良好的力学性能，CNTs 抗拉强度达到 50～200GPa，是钢的 100 倍，密度却只有钢的 1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达 1TPa，与金刚石的弹性模量相 当，约为钢的 5 倍。[1]对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约 800GPa。碳 纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多[1]。碳纳 米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。[1]若将以其他工程材料为基体与碳纳米管 制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料 的性能带来极大的改善[1]。 纳米管晶体能带图： （图 4）
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图 4 纳米管晶体的各能带。 从图 4 中可以的出纳米管的一些物理性质： 纳米管具有很强的导热性和导电性、优良的场发射性能，根据其结构特性，可呈现金属性质 或半导体性质，并表现出良好的韧性。 1. 导电性：碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同， 所以具有很好的电学性能。 理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。 CNTs 当 的管径大于 6nm 时，导电性能下降；当管径小于 6nm 时，CNTs 可以被看成具有良好导电 性能的一维量子导线。有报道说 Huang 通过计算认为直径为 0.7nm 的碳纳米管具有超导 性， 尽管其超导转变温度只有 1.5×10-4K， 但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。 2. 传热性能：碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs 具有非常大的长径比，因而其沿着长度 方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交
换性能较低，通过合适的取向，碳纳 米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复 合材料中掺杂微量的碳纳米管 ，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善[1]。 （3）石墨：如图模拟构建了纳米管的空间结构及其能带图。 石墨物理性质
新金瓶酶石墨晶体空间结构（图 5）
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灰板纸图 5 构建了石墨晶体的空间结构模型 由结构可知：石墨晶体是属于混合键型的晶体。石墨中的碳原子用 sp2 杂化轨道与相邻 的三个碳原子以σ键结合，形成正六角形蜂巢状的平面层状结构，而每个碳原子还有一个 2p 轨道，其中有一个 2p 电子。这些 p 轨道又都互相平行，并垂直于碳原子 sp2 杂化轨道构 成的平面，形成了大π键。因而这些π电子可以在整个碳原子平面上活动，类似金属键的性 质。而平面结构的层与层之间则依靠分子间作用力(范德华力)结合起来，形成石墨晶体.石 墨有金属光泽，在层平面方向有很好的导电性质。由于层间的分子间作用力弱，因此石墨晶 体的层与层之间容易滑动，工业上用石墨作固体润滑剂[1]。 石墨是碳质元素结晶矿物， 它的结晶格架为六边形层状结构， 每一网层间的距离为 3.40 人， 同一网层中碳原子的间距为 1．42A。属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为 主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。石墨质软，黑灰；有油腻感，可污染纸张。 硬度为 1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至 3～5。比重为 1．9～2．3。
在隔绝氧 气条件下，其熔点在 3000℃以上，是最耐温的矿物之一。自然界中纯净的石墨是没有的， 其中往往含有 Si02、A1203、Fe0、CaO、P2O5、Cu0 等杂质。 1.石墨具有耐高温性，石墨的熔点为 3850±50℃，沸点为 4250℃，即使经超高温电弧灼烧， 重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在 2000℃时，石墨强 度提高一倍。 2. 润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能 越好。 3. 可塑性：石墨的韧性好，可年成很薄的薄片[1]。 石墨晶体能带图： （图 6）
图 6 石墨晶体的各能带。 从图 6 中可以的出石墨的一些物理性质： 1. 导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属 材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。 2. 抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石 墨的体积变化不大，不会产生裂纹[1]。
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