碳材料的特殊性
碳和金屬一樣具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；和陶瓷一樣耐熱、耐腐蝕；和有機(jī)高分子一樣質(zhì)量輕，分子結(jié)構(gòu)多樣。事實(shí)上，沒(méi)有任何元素能像碳一樣可形成如此多的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)完全不同的物質(zhì)。由此說(shuō)明，碳材料兼有金屬、陶瓷和有機(jī)高分子三種主要固體材料的特性，而它又具有別的材料無(wú)法取代的特性，比如減震率大、生物相容性優(yōu)異和自潤(rùn)滑性等，被認(rèn)為是人類必需的第四類原材料。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，碳素材料比重小，導(dǎo)電、導(dǎo)熱，具有優(yōu)良的耐熱性、耐熱沖擊性、耐腐燭性及潤(rùn)滑性，因而廣泛用于電器、機(jī)械、化學(xué)及冶金等工業(yè)部門。
但是它有密度低、機(jī)械強(qiáng)度及耐氧化性差等缺點(diǎn)，因此其用途受到一定的限制。
碳與陶瓷的巧妙結(jié)合
（圖片來(lái)源：山東博奧新材料技術(shù)有限公司）
在電性能方面，陶瓷材料中，除ZrO2等在高溫條件下具有導(dǎo)電功能外，其它陶瓷如Al2O3、MgO、SiO2、CaO等都是絕緣體，這些材料的應(yīng)用受到限制。若能通過(guò)某種工藝，使得這些材料能夠?qū)щ姡饧犹沾刹牧媳旧淼膬?yōu)異特性，那么陶瓷材料的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。碳／陶復(fù)合導(dǎo)電材料就是在這種背景下開(kāi)發(fā)出的一種新型無(wú)機(jī)非金屬材料。
陶瓷基料
碳／陶復(fù)合導(dǎo)電材料由陶瓷基料和導(dǎo)電填料組成，陶瓷基料主要包括鋁硅酸鹽料、氧化物、硅化物、碳化物、氮化物或硼化物等，以及透輝石、石英和長(zhǎng)石等礦物。
1、透輝石
透輝石的主要成分是偏硅酸鈣鎂，化學(xué)式為CaMg（SiO3）2，屬于鏈狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物。透輝石在普通陶瓷中既可作為助熔劑使用，也可作為主要原料。由于透輝石不含有機(jī)物和結(jié)構(gòu)水，膨脹系數(shù)不大，其收縮率和熱效應(yīng)也較小，故透輝石坯料可制成低溫?zé)傻奶沾膳黧w，也適合于快速燒成，尤其在釉面磚生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。
2、石英
石英是由二氧化硅（SiO2）組成的礦物，在自然界中分布廣泛，其化學(xué)性能穩(wěn)定，除氫氟酸（HF）外，一般不與其它的酸發(fā)生反應(yīng)。而且石英屬于酸性氧化物，當(dāng)它與堿性物質(zhì)接觸時(shí)，會(huì)反應(yīng)生成可溶性的硅酸鹽（強(qiáng)堿弱酸鹽）。此外，SiO2在高溫條件下還能與堿性氧化物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物為硅酸鹽和玻璃態(tài)物質(zhì)。
石英在陶瓷生產(chǎn)中的作用主要有：
（1）在陶瓷燒成過(guò)程中，坯體發(fā)生收縮現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可產(chǎn)生裂紋。當(dāng)在坯體內(nèi)部加入石英后，石英受熱膨脹，在一定程度上可抵消坯體收縮的影響。
（2）一定粒徑的石英顆粒對(duì)瓷器的坯體也有較大影響，在一定程度上可以提高坯體的強(qiáng)度，而且摻入的石英也會(huì)增加瓷器的透光度，相應(yīng)的白度也有較大改善。
（3）SiO2是釉料中玻璃相生長(zhǎng)的主要原因。當(dāng)釉料中SiO2含量較大時(shí)，釉的熔融溫度和粘度都有相應(yīng)提高，而釉的線膨脹系數(shù)則會(huì)相應(yīng)減小。而且釉具有較高的強(qiáng)度、硬度以及耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異特性，都是SiO2所賦予的。
3、長(zhǎng)石
長(zhǎng)石是陶瓷原料中常用的助熔劑原料。陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中所用到的坯料、釉料等材料的基本組分也是長(zhǎng)石，其在陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中用量較大，是陶瓷的三大原料之一。由于長(zhǎng)石具有優(yōu)異的熔融和熔化其它物質(zhì)的性質(zhì)，在陶瓷原料中通常將長(zhǎng)石作為助熔劑使用。長(zhǎng)石在陶瓷生產(chǎn)中的作用主要有：
（1）高溫條件下，長(zhǎng)石呈現(xiàn)的是粘稠狀的玻璃熔體，是坯料中堿金屬氧化物（如K2O、Na2O）的主要來(lái)源，在陶瓷燒成過(guò)程中，長(zhǎng)石能夠顯著降低坯體成分的熔化溫度，同時(shí)燒成溫度也有所降低，而且有利于成瓷過(guò)程。
（2）陶瓷燒成過(guò)程中熔融的長(zhǎng)石能夠溶解部分高嶺土的分解產(chǎn)物和石英顆粒。
（3）熔化的長(zhǎng)石熔體能夠填充在各個(gè)結(jié)晶顆粒之間，一定程度上可以減小坯體內(nèi)部的空隙，使得坯體更加致密。
（4）長(zhǎng)石作為瘠性原料，在陶瓷中可減少坯體在干燥和燒成時(shí)的收縮，起骨架作用。
碳系導(dǎo)電填料
1、碳黑
碳黑是一種天然的半導(dǎo)體，其體積電阻率為10-3～10Ω·m。碳黑資源豐富、價(jià)格低廉，導(dǎo)電性能持久穩(wěn)定，可大幅度改善材料的導(dǎo)電性能。因此，碳黑是目前用途最廣、用量最大的一種填料。
2、石墨
除碳黑外，石墨也是常用導(dǎo)電填料之一，但其導(dǎo)電性能不如碳黑優(yōu)良，而且加入量較大，對(duì)復(fù)合材料的成型工藝影響較大，但能提高材料的防腐蝕能力。石墨填料在自然界中分布廣泛，而且價(jià)格低廉，很早就已經(jīng)作為導(dǎo)電填料應(yīng)用于復(fù)合材料中。但是石墨本身存在導(dǎo)電性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，所以在導(dǎo)電材料中應(yīng)用較少。
近些年來(lái)石墨填充型導(dǎo)電材料的研究和開(kāi)發(fā)有了新的方向，研究學(xué)者將納米石墨與基體直接復(fù)合制備了導(dǎo)電材料，這歸功于納米材料的發(fā)展。目前，有研究人員將膨脹石墨置于聚合物中進(jìn)行直接分散，制備出了納米石墨/聚合物基復(fù)合導(dǎo)電塑料。
3、碳纖維
碳纖維是一種含碳量在95％以上、具有高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，其密度較小、力學(xué)性能較好，而且導(dǎo)電性能持久。此外，碳纖維的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大，所以碳纖維的電磁屏蔽性能優(yōu)異。
4、碳納米管
由于碳納米管具有良好的導(dǎo)電性和較大的長(zhǎng)徑比，因此很適合作為導(dǎo)電填料。與其它導(dǎo)電填料相比，碳納米管具有用量少、導(dǎo)電性能好、密度小、不聚沉等特性。把碳納米管作為導(dǎo)電相和加強(qiáng)相加入到聚合物中可以顯著改善材料的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能。然而，碳納米管很容易團(tuán)聚，在聚合物中難以分散，基于上述缺點(diǎn)，需要對(duì)碳納米管進(jìn)行化學(xué)修飾，在其端頭部位帶上羧基，從而使碳納米管表面活化，改善和提高碳納米管的分散性。
5、碳系填料的混合應(yīng)用
若單獨(dú)將某一種碳系材料作為導(dǎo)電填料制備碳/陶復(fù)合導(dǎo)電材料，碳系材料的添加量較大，對(duì)材料加工和性能會(huì)產(chǎn)生較大不利影響。為改善這個(gè)缺陷，可將各種碳系填料混合加入，盡量降低物理機(jī)械性能的損失。
總結(jié)
正因?yàn)樘?陶復(fù)合導(dǎo)電材料具有以上優(yōu)點(diǎn)，它才能在工業(yè)加熱、學(xué)校烘干系統(tǒng)、家庭取暖等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，碳/陶復(fù)合導(dǎo)電材料應(yīng)由單一的導(dǎo)電功能向多功能方向發(fā)展，應(yīng)由純粹的降低導(dǎo)電材料的成本和單純的關(guān)注材料的導(dǎo)電性能為目的向拓展導(dǎo)電材料的用途和功能的多樣性方向發(fā)展。
參考來(lái)源：
[1]魏煒.炭陶復(fù)合材料制備及其電熱性與抗氧化性研究
[2]高笑等.碳/陶復(fù)合導(dǎo)電材料的研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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