1.1　碳材料简介

碳材料伴随着人类走过了几千年的历史，在人类社会发展过程中发挥着重要的作用。在20世纪之前，木炭、焦炭、炭黑等诸如此类的碳材料已逐渐被应用，并且推动了陶瓷、冶金和印刷业的发展。进入20世纪，随着工农业和国防工业的发展，碳材料更是以惊人的速度发展，相继出现了碳（石墨）纤维及其复合材料、活性炭纤维、碳分子筛等，并成功应用于宇航、潜艇、原子能、航空领域。20世纪末期，富勒烯、碳纳米管和有序介孔碳材料的出现，体现了碳材料发展的巨大进步。这些新型碳材料具有密度小、耐高温、抗化学腐蚀、高导电、高导热、热膨胀小等一系列优异的特性，是军民两用的新材料，备受各国政府和工业界的重视，其发展和应用对提高军事实力和工业产品的竞争力都是至关重要的，已成为衡量一个国家科技水平、军事和经济实力的标志之一。进入21世纪，新型碳材料也一直是科技创新的前沿领域，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺洛肖洛夫由于首次发现了石墨烯而获得2010年度的诺贝尔物理学奖。石墨烯是由单层sp²杂化的碳原子组成，具有六边形蜂巢状二维晶体结构，是一种新型碳质纳米材料，也是构建其他碳纳米材料的结构基础。石墨烯具有高的比表面积，突出的导热性能和力学性能等，在电子、信息、能源和新材料等诸多领域有着巨大的应用前景。石墨烯的发现有效促进了一个完备碳材料结构体系的形成（图1.1），该结构体系包含了各个维度的碳材料，其家族成员包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯以及体相石墨。完整的碳系家族对科学研究具有重要的指导意义，为人们深入研究碳材料并开发其潜在应用提供了强有力的理论基础。

图1.1　由碳元素构成的从零维富勒烯到三维石墨的碳材料结构体系