35　碳素材料的妙用

煤不仅是重要的能源，也是重要的化工原料。煤是由大量丰富多彩的物质集中构成的原料，仅仅作为燃料烧掉，不仅浪费资源，而且严重污染环境。因此，大力开展煤的综合利用势在必行。在此，仅向读者介绍煤的深加工产品——工业碳素材料的妙用。

碳素材料是指由煤炭经加工所制得的碳制品和石墨制品的统称。广义的碳素材料还包括活性炭和炭黑、焦炭等原型产品。碳素材料具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀、耐高温、抗放射性、密度小、膨胀系数小、强度高、具润滑性等一系列物理化学特性，是一般金属和陶瓷材料所不及的。碳素材料无害，在人体内不起反应，故在医学上和日常生活、文娱、体育器材方面也是不可或缺的。由于碳素材料具有多种特性，早已成为与高分子材料、无机材料并列的第三种非金属材料。新的碳素制品不断涌现，应用领域不断扩展，已显示出良好的前景。

碳素纤维：碳素纤维的主要原料是石油沥青和煤焦油沥青。它具有重量轻、强度高等特点，是生产高强度复合材料和碳-碳复合材料的骨架材料，是火箭、导弹、宇宙飞船、高速飞机骨架所需的高级复合材料，也是高级体育器械、汽车弹簧板所必需的材料。碳纤维的抗拉强度比玻璃纤维高6倍，比钢丝高4倍，重量只有钢的1/4。用碳纤维增强塑料（碳纤维玻璃钢）代替铝合金，强度可增加几倍，重量减轻一半。

活性炭：生产活性炭的原料是各种类型的煤，每生产1吨活性炭需4～8吨原煤。活性炭是一种具有强吸附能力的碳素制品，为黑色无臭、无味的固体，在一般溶剂中不溶解。它具有发达的微孔结构，其比表面积可达500～1500m2/g，有的高达2500m2/g。活性炭是疏水性的吸附剂，又是优良的催化剂载体，广泛用于气体净化（如电厂烟道净化）、污水处理、食品、医药和化学工业。

煤经热加工所得的焦炭或半焦，通过水蒸气活化处理可制得活化焦或活化半焦。这类制品用于处理工业废水效果较好。也可处理含二氧化硫、氮氧化物、硫化氢、二硫化碳、汞蒸气及放射性物质的工业废气。

碳电极与石墨电极：制备碳电极和石墨电极所用原料有沥青焦、石油焦和炭黑等。沥青焦要求质地致密而硬度大，挥发分和灰分低，容易进行石墨化。电极黏结剂用煤沥青配以适量煤焦油制成。碳电极经石墨化工艺成为石墨电极。碳电极主要用于炼铝工业，石墨电极用于电炉炼钢。目前，全世界炼铝工业消耗的碳素材料（碳阳极、碳阴极、阳极糊）约占工业碳素材料总产量的60％。

针状焦（针状沥青焦）为用针尖生产的石墨电极，具有很多优越的特性，如异向性强、抗碎强度高、导电性和抗震性能好。石墨电极产量的90％用于超高功率炼钢电炉。

碳分子筛：碳分子筛的原料可用褐煤、无烟煤、烟煤和泥炭。碳分子筛是一种贵重产品，微孔（孔直径<0.8mm）极为发达，可用作碳质吸附剂用于分离空气中的氮和氧，回收焦炉气中的氢，从矿井瓦斯中分离甲烷等。从空气中分离出的氮其纯度可达99.9％，氧的浓度达55％，广泛用于冶金、电子、环保、食品保鲜、煤气化等行业。

炭黑：炭黑的用途广泛，如橡胶剂、塑料填充剂，用作油墨、塑料、墨水和涂料的颜料，制造电极的碳素骨料，干电池用导电剂，催化剂载体，制造超硬质合金的原料等。

炭砖：是用作高炉，熔炼铝、铜、磷、碳化物等各种炉子的炉衬的碳素制品。它的特点是结构均一致密，无孔隙，强度高，导热性好，耐腐蚀，并有抗温度变化的性能。

炭粒（炭粒砂）：炭粒是一种直径为0.05～0.6mm的空心球形小颗粒碳素制品，以煤和沥青类物质为原料，经破碎后在惰性气氛中快速加热而制成。炭粒具有颗粒小、空心、堆密度小、耐热、抗化学试剂、导电和亲油等特点，可作为复合轻型材料的填充剂、悬浮油的吸附材料、电话机用炭粒、绝热材料等。

人造金刚石：金刚石具有一定规则的晶体结构，称为结晶形碳。人造金刚石用高温高压法合成。目前，全世界年产量约50吨，产值达5亿美元。主要用于地质钻探、切割、研磨和抛光工具。用化学气相沉积法新工艺可制取金刚石薄膜，用于切削工具、吸热装置的耐磨涂层、传感器元件、X射线窗口和活性电子装置等。

富勒体：这是新发现的一种具有朦胧结构的碳簇。它可溶于苯、甲苯、己烷和二硫化碳等溶剂，可用溶剂抽提法与其他碳产物分开，也可在500～600℃升华分离。富勒体是绝缘体，当加入钾、铷和铯后则具有超导性，K3C60超导温度为18K，Cs2RbC60为33K。它与过渡金属结合后可形成高度分散的催化剂，还可携带放射性同位素用于治疗疾病。

可烧结的细粒炭：这是一种新碳素材料，它是由沥青经处理除去喹啉不溶物，再经热处理将所得到的中间相沥青在一定的温度下喷雾炭化而成的。不加黏结剂等压成型可制成发动机活塞环等零件。经汽车长途高速对比试验，碳素活塞完好无损，较之铝合金活塞，具有所用汽油和润滑油油耗降低，汽缸的压缩性能改善，尾气中一氧化碳和NOx有害气体减少，燃烧不完全的烃类含量降低等优点。

我们深信，随着科学的进步，研究的不断深入，工业碳素材料的用途还会有更大的扩展。