35　碳素材料的妙用

煤不僅是重要的能源，也是重要的化工原料。煤是由大量豐富多彩的物質集中構成的原料，僅僅作為燃料燒掉，不僅浪費資源，而且嚴重污染環境。因此，大力開展煤的綜合利用勢在必行。在此，僅向讀者介紹煤的深加工產品——工業碳素材料的妙用。

碳素材料是指由煤炭經加工所制得的碳制品和石墨制品的統稱。廣義的碳素材料還包括活性炭和炭黑、焦炭等原型產品。碳素材料具有良好的導電性、導熱性、耐腐蝕、耐高溫、抗放射性、密度小、膨脹系數小、強度高、具潤滑性等一系列物理化學特性，是一般金屬和陶瓷材料所不及的。碳素材料無害，在人體內不起反應，故在醫學上和日常生活、文娛、體育器材方面也是不可或缺的。由于碳素材料具有多種特性，早已成為與高分子材料、無機材料并列的第三種非金屬材料。新的碳素制品不斷涌現，應用領域不斷擴展，已顯示出良好的前景。

碳素纖維：碳素纖維的主要原料是石油瀝青和煤焦油瀝青。它具有重量輕、強度高等特點，是生產高強度復合材料和碳-碳復合材料的骨架材料，是火箭、導彈、宇宙飛船、高速飛機骨架所需的高級復合材料，也是高級體育器械、汽車彈簧板所必需的材料。碳纖維的抗拉強度比玻璃纖維高6倍，比鋼絲高4倍，重量只有鋼的1/4。用碳纖維增強塑料（碳纖維玻璃鋼）代替鋁合金，強度可增加幾倍，重量減輕一半。

活性炭：生產活性炭的原料是各種類型的煤，每生產1噸活性炭需4～8噸原煤。活性炭是一種具有強吸附能力的碳素制品，為黑色無臭、無味的固體，在一般溶劑中不溶解。它具有發達的微孔結構，其比表面積可達500～1500m2/g，有的高達2500m2/g。活性炭是疏水性的吸附劑，又是優良的催化劑載體，廣泛用于氣體凈化（如電廠煙道凈化）、污水處理、食品、醫藥和化學工業。

煤經熱加工所得的焦炭或半焦，通過水蒸氣活化處理可制得活化焦或活化半焦。這類制品用于處理工業廢水效果較好。也可處理含二氧化硫、氮氧化物、硫化氫、二硫化碳、汞蒸氣及放射性物質的工業廢氣。

碳電極與石墨電極：制備碳電極和石墨電極所用原料有瀝青焦、石油焦和炭黑等。瀝青焦要求質地致密而硬度大，揮發分和灰分低，容易進行石墨化。電極黏結劑用煤瀝青配以適量煤焦油制成。碳電極經石墨化工藝成為石墨電極。碳電極主要用于煉鋁工業，石墨電極用于電爐煉鋼。目前，全世界煉鋁工業消耗的碳素材料（碳陽極、碳陰極、陽極糊）約占工業碳素材料總產量的60％。

針狀焦（針狀瀝青焦）為用針尖生產的石墨電極，具有很多優越的特性，如異向性強、抗碎強度高、導電性和抗震性能好。石墨電極產量的90％用于超高功率煉鋼電爐。

碳分子篩：碳分子篩的原料可用褐煤、無煙煤、煙煤和泥炭。碳分子篩是一種貴重產品，微孔（孔直徑<0.8mm）極為發達，可用作碳質吸附劑用于分離空氣中的氮和氧，回收焦爐氣中的氫，從礦井瓦斯中分離甲烷等。從空氣中分離出的氮其純度可達99.9％，氧的濃度達55％，廣泛用于冶金、電子、環保、食品保鮮、煤氣化等行業。

炭黑：炭黑的用途廣泛，如橡膠劑、塑料填充劑，用作油墨、塑料、墨水和涂料的顏料，制造電極的碳素骨料，干電池用導電劑，催化劑載體，制造超硬質合金的原料等。

炭磚：是用作高爐，熔煉鋁、銅、磷、碳化物等各種爐子的爐襯的碳素制品。它的特點是結構均一致密，無孔隙，強度高，導熱性好，耐腐蝕，并有抗溫度變化的性能。

炭粒（炭粒砂）：炭粒是一種直徑為0.05～0.6mm的空心球形小顆粒碳素制品，以煤和瀝青類物質為原料，經破碎后在惰性氣氛中快速加熱而制成。炭粒具有顆粒小、空心、堆密度小、耐熱、抗化學試劑、導電和親油等特點，可作為復合輕型材料的填充劑、懸浮油的吸附材料、電話機用炭粒、絕熱材料等。

人造金剛石：金剛石具有一定規則的晶體結構，稱為結晶形碳。人造金剛石用高溫高壓法合成。目前，全世界年產量約50噸，產值達5億美元。主要用于地質鉆探、切割、研磨和拋光工具。用化學氣相沉積法新工藝可制取金剛石薄膜，用于切削工具、吸熱裝置的耐磨涂層、傳感器元件、X射線窗口和活性電子裝置等。

富勒體：這是新發現的一種具有朦朧結構的碳簇。它可溶于苯、甲苯、己烷和二硫化碳等溶劑，可用溶劑抽提法與其他碳產物分開，也可在500～600℃升華分離。富勒體是絕緣體，當加入鉀、銣和銫后則具有超導性，K3C60超導溫度為18K，Cs2RbC60為33K。它與過渡金屬結合后可形成高度分散的催化劑，還可攜帶放射性同位素用于治療疾病。

可燒結的細粒炭：這是一種新碳素材料，它是由瀝青經處理除去喹啉不溶物，再經熱處理將所得到的中間相瀝青在一定的溫度下噴霧炭化而成的。不加黏結劑等壓成型可制成發動機活塞環等零件。經汽車長途高速對比試驗，碳素活塞完好無損，較之鋁合金活塞，具有所用汽油和潤滑油油耗降低，汽缸的壓縮性能改善，尾氣中一氧化碳和NOx有害氣體減少，燃燒不完全的烴類含量降低等優點。

我們深信，隨著科學的進步，研究的不斷深入，工業碳素材料的用途還會有更大的擴展。