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新型炭素材料是指根据使用目的，通过原料和工艺的改变，控制所得材料的 功能，而开发出新用途的炭材料及其复合材料。本章主要介绍以碳为主要构成要素与树脂、陶瓷、金属等组成的各种复合材料以及基本上利用碳结构牲，由碳或碳化 物开成的各种功能材料和结构材料。
新型材料目前仍处在发展阶段，新品种不断涌现，应用范围不断扩大，并与科技发展和技术革新紧密相连。尽 管新型材料从产量上讲占炭和石墨材料总量的比例还不大，但其价值却是无可限量的。
1 炭纤维及其复合材料
炭纤维 （Carbon Fiber,简记为CF）是一种质轻、耐高温、抗拉强度高、弹性模量大、可弯曲的柔性材料。这旨由有机纤维通过一系列阶段性的热处理，使其保持原来纤维形 态炭化制成的。按生产原料分类，炭纤维可分为人造丝基炭纤维，聚丙烯腈基（PAN）炭纤维和沥青基炭纤维等。目前，人造丝基炭纤维已用得很少，用量大的是 PAN基炭纤维，沥青炭纤维则由于其收率高，成本低而得到重视。
1.1 炭纤维的制备
1.1.1 PAN基炭纤维的制备
在各种可使用的纤维中，PAN纤维是最适合于作炭纤维的原丝。这是因为PAN原丝在时可以保持原先的择优取向。聚丙烯腈纤维为丙烯腈在引 发剂作用下聚合后纺丝而成。一束PAN中纤维的根数称为孔数。目前有几千至几万孔数的不同规格的PAN纤维束，一般认为孔数为1500~3000的纤维束 操作方便，质量较好。
根据目前的工艺技术水平，最佳的PAN原丝应该是：
1）采用均聚PAN或高丙烯腈含量的聚合体为原 料；
2）纤维截面为圆形；
3）直径要细，但不小于8μm；
4）表面洁净无缺陷；
5）高 度取向但又未拉伸过度；
6）数均分子量在30000~100000之间；
7）断裂应变13%~18%；
8） 抗拉强度0.7~1.2GPA。
PAN原丝首先进入低温氧化炉使其稳定化，这一步也称为不熔化处理，其目的是使纤维由热塑性转变为热固 性，避免在后续高温处理过程中纤维丝发生熔融粘结。不熔化处理通常采用气相氧化，亦可采用液相氧化或气液相混合氧化的方法。第二步是炭化，纤维在罚高的炭 化温度下由聚合链状结构转变为连续的六元环结构，并脱除非碳元素，使微晶沿纤维轴向择优取向排列。第三步是石墨化处理，CF经过2500~3000度的高 温处理后，微晶尺寸增加，取向性增强。最后CF表面处理即得PANCF成品。CF的表面处理可采用气相或液相氧化法，等离子体法等多种方法。作为成品的 CF一般还应进行上胶保护。
1.1.2 沥青基炭纤维的制备
（1）沥青的预处理 从沥青可以制得通用级和高性能的炭纤维，两者的差别主要由原料沥青的性质决定。各向同性沥青一般只有制成通用级炭纤维，而各向异性沥青（中间相沥青）则可 制成高性能炭纤维。
炭纤维的原料沥青可以是石油沥青、煤沥青、聚氯乙烯沥青（PVC）和四笨基吩嗪沥青（PZ）等。近年来主要使用石油沥 青和煤沥青。
各向同性沥青的调制比较简单，只要除去原料沥青中4μm以上的颗粒，并经调制到具有180度或更高的软化点。
中 间相沥青的预处理则相当复杂，预处理的目的是除去杂技及原生喹啉不溶物，使其分子量分布均匀化且分布范围变窄，使分子结构中带有环烷基，流变性符合纺丝的 要求。所以，中间相沥青的制备方法很多，但也有一些共性的过程。它们是原料的预分离，原料的改性（如煤沥青进行加氢处理等）以及热缩聚反应以脱除轻组分。
（2）沥青基炭纤维的生产工艺：调制后的沥青进行纺丝，纺丝可用喷射法（制造短纤维）及挤压法（制造长纤维）。喷射法（或称离心纺丝）一 般用于各向同性沥青基炭纤维。纺丝后所得沥青纤维必须经过不熔化处理，其实质是使沥青表面由热塑性变为热固性。不熔化处理也可采用气相氧化、液相氧化或混 合氧化的方法，以防止高温热处理时熔融变形。然后进行炭化及石墨化。
炭纤维的产品质量首先取决于其原料的质量，其次也受制备工艺条件的影 响。关键性的工艺因素主要有：热处理温度、气氛、纤维的走丝速率、牵伸程度、环境的清洁度等。
1.2 炭纤维具有独特的机械力、电学、热学和化学性能。
（1）炭纤维的机械力学性能 炭纤维的质量很轻，为铝合金的1/2，还不到钢的1/4.但它的抗拉强度比钢大4倍，比铝合金大6倍。所以它的比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。在 各种纤维中，炭纤维具有最佳比强度与比弹性模量的综合性能。而且在非氧化气氛中，炭纤维的强度在2000度以上也基本不变。炭纤维的断裂应变在 0.5%~1.3%之间。
CF按其力学性能，可分为通用型炭纤维（GPCF）、中性能型炭纤维（IMCF）、高强型炭纤维（HICF）、 高模型炭纤维（HMCF）和超高模型炭纤维（UHMCF）等。
（2）炭纤维的热学性质 炭纤维在常温下导热性能较好，随着温度升高，其导热性降低，在高温时，炭纤维是一种良好的高温隔热材料。炭纤维既能耐低温，又能耐超高温。在-180度的 低温下能保持柔软性，又能耐2500~3000度高温。炭纤维的线热膨胀系数很低，它在10-5~10-7/度之间。它的热膨胀系数是各向异性的，平行于 纤维轴方向为0.72~0.92*10-6/度；而垂直于纤维轴方向3.2~2.2*10-5/度。
（3）炭纤维的电学性质 炭纤维有较好的导电性，随着炭化温度上升，它的导电性增加。炭纤维对电波的反应也随热处理温度而不同，炭纤维为电波吸收材料，而石墨纤维为电波反射材料。
（4）炭纤维的化学性质 在惰性气体中，炭纤维能耐2500~3000度高温，在空气中，炭纤维在300度以下长时间稳定，在400度以上则很快氧化。在水蒸汽中，炭纤维能用到 550~600度。炭纤维除能被强氧化剂氧化外，一般酸、碱对 它不起作用。它还有耐油、抗放射性照射及核裂变时减速中子速度的作用。
1.3 炭纤维及其复合材料的用途
炭纤维的用途主要可分成作为非结构材料和结构材料两个方面。
1.3.1 炭纤维用作非结构材料
在用作非结构材料时，CF通常以纤维事、炭毡、炭絮、炭布和CF纺织绳的形态加以利用。如炭毡可作为高温绝热材料， 炭布可作为耐腐蚀材料等。CF经活化后得到的活性炭纤维近来得到重视。活性CF最大的特点是微孔多，表面积大（可以达到2500M2/G），具有很大的吸 附能力，又有较快的脱附速率。另外，它还具有粒状活性炭所没有的导电性，又易于成型。活性CF可用于空气净化；SOx、NOx和O3的脱除；溶剂、稀有金 属、放射性元素的回收；一次性防毒面具、香烟过滤嘴；并可用作电极和电容器等。
1.3.2 炭纤维用作结构材料
CF虽然 有很多优越的性能，但本身在工程上却是无用的材料。这是因为CF的抗折强度和抗冲击性差，没有结构材料应有的塑性屈服性能，纤维之间也没有足够的摩擦力， 不能将荷载均匀地分布到每根纤维丝上等缺点。因此，作为结构材料，往往把炭纤维作为增强材料与其它基体复合成为复合材料
（1）炭纤维复合 材料 CF复合材料通常是将CF以一定排列方式分散于另一种材料中组成的多相材料。CF称为增强相，另一相则称为基体相。按照复合材料力学理论，对于复合良好， 不同相间空隙可以忽略不计的CF复合材料，其主要力学性能均符合复合材料的混合律，
因此，通过复合技术将炭纤维与基体制成复合材料，就可 综合两者的优点弥补各自的不足，使CF的优良机械力学性能得到充分发挥。
炭纤维复合材料各类很多，如炭纤维增强树脂基复合材料 （CFRP），炭纤维增强金属基复合材料，炭纤维增强水泥基复合材料（CFRC），炭纤维增强炭基复合材料（即C/C复合材料），炭纤维增强陶瓷基复合材 料等。
（2）炭纤维复合材料的应用 炭纤维复合材料的应用领域很广泛，举例如下：
航空航天器的结构件：人造卫星和火箭的 机架、天线构架、飞机的机翼、直升飞机的旋翼等；
船舰的结构件：潜艇艇身、气势船推进器、传动轴等；
调整运动部件：织机 箭杆、织机梳栉、磨床零件、轴承、齿轮、印刷机滚筒等；
生物体补缀材料：人工关节、人工韧带、假肢、齿根材等；
其它用 途：化工压力容器、机器人物臂、核反应堆中铀棒的幕墙、薄型高层建筑物的建筑材料等。
2 热解炭和热解石墨
2.1 概述
热解炭和热解石墨是以碳氢化合物为原料，在高温下进行热分解，沉积在石墨基体表面而制成的。基结构和性能因热解沉积温度的不同而有很大差 异。一般在1800℃以下沉积的称为热解炭，在2100℃左右沉积的称为热解石墨。如将热解石墨在3000℃以上进行加压热处理，还可以得到高定向热解石 墨。这种石墨的晶体结构已经非常接近理想石墨晶体了。
2.2 原料气体和基体
沉积热解炭和热解石墨用的原料，一般为气态 或热解下呈气态的碳氢化合物。最经济提天然气，也可以使用甲烷、丙烷、四氯化碳、六氯笨、汽油等。前人的研究表明，对于所能的炭氢倾倒物而言，热解反应是 类似的，通过调整工艺条件，用不同的原料可得到结构类似的热解产物。因此，原料气体的各类对热解性能没有很大的影响。为了减少炭黑的生成，通常在原料气中 混入氮气、氩气等，适当降低碳氢倾倒物气体的浓度。
沉积用的基体一般是细结构石墨，加工成所希望的开关，并抛光表面和除掉表面的细粉。
2.3 制备方法
如按照基体的加热方式来分类，热解炭和热解石墨的制备方法可以分为以基体材料为发热体的直接加热法和由外发热体进行辐射加热的 间接加热法。此外，还可采用液化床法。
（1）直接加热法 采用电阻加热或高频感应加热，使石墨基体发热后，将原料气体导入炉内，热解产物便沉积在基体表面上。
利用直接加热法，易于生产小型的热解 炭和热解石墨制品，但热解在厚度方向上不均质，随着沉积厚度的增加，发热体的电阻逐渐降低，要想保持表面温度，就必须逐渐增大电流，故难于制造厚的热解制 品。在工业上采用直接加热法时，多是采取感应加热，在管状基体内壁制备热解炭或热解石墨的薄层或涂层。
（2）间接加热法 间接加热法通常采用中频感应加热方式，例如将管状中频感应发热体置于石英管内，在发热体的内侧装入适当的基体，基体受发热体内表面的热辐射而被加热到要求 温度，使热解产物沉积到基体上。因此，热解产物即使沉积很厚，基体内部也不会升温至表面温度以上，从而大大改善了沉积产物厚度上的不均质性，可以制造出较 厚的热解制品。
热解炭或热解石墨与石墨基体的热膨胀系数不同，故将基体与热解产物置于常温下冷却后，热解产物就容易从基体上剥离。采取间 接加热法，可以制造板状、管状、坩埚、舟状产品。
（3）流化床法 该法与前两种方法的不同之处主要在于沉积反应区中的基体不是位置固定不变，而是与流化颗粒（例如氧化锆）一起在气流的作用下呈流化态。通过改变工艺条件， 如流化床的温度、气体的组成与流量、床的表面积、沉积速度等，可以制得柱状、各向同性和层状热解炭。
生产热解炭与热解石墨的工艺条件与炭 黑的生产条件有许多类似之处，如在热区没有因——气界面便生成炭黑，如有高温界面存在时则在固体表面上生成热解炭或热解石墨。实践表明，采取较低炉压 （12.9KPa以下），并在原料气中混入惰性气体，有利于减少炭黑的生成。
2.4 热解炭和热解石墨的性能
热解炭和热 解石墨非常致密，其体积密度可高达2.1G/CM3以上，透气率非常小，可以与玻璃相比似。
它们的抗拉强度比一般石墨材料高10倍以上， 且随温度上升而增大，即使在2500℃以上也不存在强度降低的现象。
大部分热解石墨具有高度各向异性，在垂直于沉积面方向上的电阻率比平 等方向高1000倍左右。沉积温度在1600℃以上时，沉积温度越高，电阻率的异向性越明显。热解石墨在平等方向的导热性可以和铜媲美，为热的良导体，而 在垂直方向却为绝热材料。垂直方向的热膨胀系数也为平行方向的3~100倍。
由于结构致密，热解石墨还具有良好的耐氧化性，在700℃以 下时，其耐氧化性比普通石墨高10倍以上；在800℃以上，则和普通石墨相差无几。
此外，热解石墨还是少有的抗磁性很高的材料。
2.5 热解炭和热解石墨的用途
热解炭和热解石墨的用途比较广泛，其主要应用领域有：利用其不透气性、高度异向性、耐氧化性、耐冲击性和抗磁 性，可用作空间材料，如火箭的喷管喉衬、导弹及宇宙飞船的头锥和防热罩、人造卫星的姿态控制阻尼部件等；利用其高密度、高纯度和不透气性，可用作核工业被 覆材料，如反应堆燃料的包壳层，核设施的套筒及管道的表面涂层等；利用其导电异向性，可用作电子和半导体工业的高苏北电子管栅极、氩离子激光器的放电腔、 高潮热电偶以及加工半导体材料用的舟皿、坩埚等；利用高定向石墨的单晶性，可用于制作X射线衍射和中子晶体光谱仪单色器；利用其生物相容性，还可以制成人 造心脏瓣、人造关节和人造骨。此外，热解炭和热解石墨用作高温材料、隔热屏、冶金模具及坩埚的涂复材料也有良好的效果。
3 石墨层间化合物
石墨的碳原子在其层面内是通过共价键牢固地连接在一起的，而在层间则靠较弱的范德化力结合。因此，在石墨的层间插入各种分 子、原子和离子，而不破坏其二维晶格，仅使层间距增大，可以制成一种石墨特有的化合物称为石墨层间化合物（GIC）。
3.1 石墨层间化合物可以分为两类，即共价键型GIC和离子键型GIC。
共价键型CIG是由层面内的碳原子与插入物组成共价键而形成的。在这种 GIC中，碳原子通过SP3杂化构成正四面体，层面发生弯曲，失去了石墨原有的导电性而变成绝缘体，故又称为非传导性GIC。属于此类的氧化石墨和氟化石 墨等。
离子键型GIC的插入物与石墨层面间的碳原子是通过由电子得失而产生的静电引力而结合的，因结合力较弱，石墨层面仍保持平面状和芳 香性。对于离子键型GIC，插入物有两种，一种为供电子型，如酸类、卤族、金属卤化物等。有时还有K/THF（四氢呋喃）两种物质插入的情况，称为三元 GIC。离子键型层间化合物的导电性很强，有的还有超导性，故又称为传导性GIC。
在这类层间倾倒物中，插入物并不是无序地插入各层中， 而是每隔一层、每隔二层、每隔三层……有规则地插入。这个规则性常用“阶数”N来表达，N表示每隔N层插入，并存在与之相对应的插入物浓度等级。
离 子型GIC很不稳定，大多数仍处在实验室研究阶段，在工业上广泛应用的主要是柔性石墨（膨胀石墨）。
3.2 石墨层间化合物的合成
GIC 常用的合成方法主要有气相反应法、液相反应反、溶剂法和电解生成法。
气相反应法亦称双室法，就是将气态待插物或待插物受热后产生蒸汽与石 墨进行反应。例如氟化石墨就是在高温下使氟与石墨直接发生反应而生成的。
液相反应法适用于液相插入物，如将石墨浸于硫酸中，加入浓硝酸、 高锰酸钾等强氧化剂，即可制成氧化石墨。
溶剂法是将插入物溶解在溶剂中，然后与石墨接触进行插入反应。这种方法合成的产品种类有限，但有 可能制成没有残留酸根的高纯GIC。
电解生成法用强酸或金属的有机溶剂作电解液，以石墨为阳极，通过电极化学反应进行插层。
3.3 石墨层间化合物的性能与用途
GIC来自于鳞片石墨，但由于结构上的改变，GIC已是完全不同于母体石墨的一种新物质。根据插入物和插层 阶数的不同，GIC增加了许多有别于鳞片石墨的性能。主要有：高导性、高效催化性、高效催化性、高吸附性、压缩复原性和自润滑性等。因此，GIC可以用作 高导电材料、电池电极、高效催化剂、贮氢材料等。如氟化石墨的润滑性、防水性好，可以作为润滑剂加入润滑脂、润滑油中或添加到充当防水涂料的石蜡中，还可 作为脱模剂和电镀共板剂，近期，氟化石墨与锂组合的高能干电池引起重视。又如氧化石墨（也称石墨酸）在150℃以上急剧加热时，会引起爆发性分解，可制成 荧光屏用炭膜或特殊的粘结剂。
3.4 柔性石墨（亦称膨胀石墨）
在层间倾倒物中已得到工业上广泛应用的是柔性石墨。柔性 石墨是石墨层间化合物的残留化合物在高温下快速热分解而产生蒸汽压力克服范德华力，使石墨层间隔沿与层面垂直方向膨胀300~400倍，而形成蠕虫状的石 墨粉末。
（1）柔性石墨的制造 柔性石墨是用天然鳞片石墨为原料，在工业规模的制造有两种方法。一为化学浸渍汉，把石墨粉末浸泡在100℃浓硫酸90%和浓硝酸10%的混合液中反应，生 成H2SO4-GIC，经水洗、脱水、干燥、热处理等过程制成柔性石墨。该工艺主要缺点为间歇生产，消耗大量水和氧化剂中产生有害气体。另一个为电解法， 该法为将石墨置于水质酸溶液或水质盐溶液中进行电解氧化，生成GIC，再通过电解还原，使部分化合物分解，再经高温膨胀处理而制得柔性石墨。该法克服了化 学浸渍法的缺点，但内部还溶有酸根，对接触金属有腐蚀作用，因此，近年来，有人提出以K/THF三元GIC作原料，将其层间残留化合物在高温下快速膨胀制 造柔性石墨。
（2）柔性石墨的特性及应用 柔性石墨不仅具有自润滑性和耐高温性，还具有柔韧性、可挠性和压缩回弹性，对液体和气体的渗透性极低。
将柔性石墨粉末轻轻压缩可作为精炼 炉、高温炉的绝热材料。一般把柔性石墨用模压或辊压成型法制成板、带、环或垫圈，广泛用作密封材料。为了提高柔性石墨板的抗拉强度和抗氧化性，在柔性石墨 中加入氧化石墨、硼酸、热固性树脂、无机物胶体等粘合剂。此外，柔性石墨还被用作核装置的抗辐射内衬材料，高潮炉中杂质扩散挡棚材料和热屏蔽材料等。
4 玻璃炭
玻璃炭是呈玻璃状光泽并具有平滑表面的炭材料。它兼有炭和玻璃的一些性能，如既具有炭材料耐高温、耐腐蚀的特点，又具有气孔率小 （一般在2%以下，经石墨化后在5%左右），几乎不透气的玻璃的特色。它属于难石墨化炭。炭的机械强度高（如抗折强度为普通石墨的4~5倍）；热稳定性 好；热导定性好；热导率低，为不良导热体；在600℃以下可以在氧化价质中正常工作，不论是浓酸、稀酸或碱对它都不起作用，也不与氟化物、硫化物及其它物 质的熔融物起化学反应。
玻璃炭的生产方法是用糠醇树脂、丙酮－糠醛树脂、糠醇苯酚共综合树脂等热固性树脂为原料，加入少量固化剂（如硫酸 苯胺、对甲苯磺酸等），置于模具中，采用模压、挤压或多次涂敷的方法成型。成型后经长达数月的时间感化，然后以很慢的升温速度（如5℃/MIN）进行炭 化，需要时再进行石墨化。由于脱水的原因，玻璃炭的厚度一般都在5MM以下。近年来，还发展了以石墨等作充填剂的玻璃炭以及多孔体玻璃炭、玻璃状炭微粒 等。
玻璃炭的硬度很高，脆性也很大，机械加工比较困难，故大部分炭制品在炭化前即已定型，少量必须机械加工的特殊制品则应采用硬脆性材料 （如红宝石）的加工技术进行加工。
玻璃炭的用途广泛；在半导体工业中，可作为单晶硅外延炉的发热体和晶体管的微型来具；在化学工业中，可 作成处理强酸用的容器和化学分析用的坩埚，处理腐蚀性介质的管道，耐腐蚀耐高温的温度计保护管，气体导入管等；在冶金工业中，可用作坩埚与舟、皿，金属熔 融用电极（其寿命比石墨电极长100~200倍）；在机械工业中，可制成玻璃工业用的芯轴，各种高温腐蚀性介质中工作的和密封件；在人体补缀材料方面，可 制成人造齿根、人造关节以及心脏瓣膜等。多孔质玻璃炭则可用作隔热材料、过滤材料、催化剂载体等。此外，玻璃炭还可制成分析用电极（发光光谱、极谱、电位 滴定仪用电极），磷酸型燃料电池的隔板，电子辐射用狭缝，计算机用调整轮印机的活字，磁记录器的磁头等。
5 泡沫石墨
泡 沫石墨又称多孔石墨，一般指总气孔率大于45%的石墨。它与其他人造石墨制品的不同之处， 在于其总气孔经，包括气孔孔径和开口气孔率，是有目的地增加和进行控制的。泡沫石墨除了气孔率大，气孔的开关和分布比较规则外，它还具有质轻、耐高温、耐 腐蚀、结构性能好和易于加工等特点。它的生产方法有两类：
1）以石焦或沥青焦为粘结剂，并加入适当比例的造孔剂制成。造孔剂是在低温下不 起变化，而高温下熔融并挥发的物质，如氯化钠、氟化钠、氯化铵、三氯化铁等。加入的造孔剂愈多，产品的气孔率愈高。其具体制造工艺与普通冷压感恩相同。用 这种方法抽得的多孔石墨的气孔率不于于45%，体积密度为1.0~1.2G/CM3，抗压强度为12.7~29.5MPA。
2）用合成树 脂制造的泡沫塑料直接炭化及石墨化制成。抽取时，应在树脂中加入一定数量的固化剂、发泡剂及其它添加剂，经混合磨粉后置于模具内，以一琮的升温速度加热， 使塑料发泡和固化，然后再炭化及石墨化。通过改变发泡剂与固化剂的用量和固化时的升温速度，能调节产品的气孔率和孔径。用这种方法制得的泡沫石墨，总气孔 率为57%左右，其中工口气孔率占74%，体积密度为0.567~0.643G/CM3，抗压强度为23.1~28.1MPA，率为 0.725~1.086Ω*M，是一种低密度高强度制品。
泡沫石墨可作为宇航工业中的发汗材料的基体；化学工业中的绝热保温材料，吸附、 过滤材料及催化剂载体；核反应堆的过滤器、油分离器；高温高频电缆绝经材料；燃料电池的结构材料等。
6 金刚石薄膜
6.1 概述
金刚石薄膜（简称DF）是一种人工合成的以SP3的C-C键为主体的薄膜。金刚石薄膜通常是以甲烷等烃类气体为原料，在低温低压气 相中合成的。这样的合成的薄膜，并非都是完善的结晶状金刚石，对于那些除SP3C-C键外，SP2C-C键和SP1C-C键仍占相当比例的非晶质薄膜，则 一肌称之为类金刚石薄膜。由于金刚石的特殊性质和应用价值，自80年代以来，金刚石薄膜碾子世界各工业发达国家意相研究的热门课题，在我国，它也是重要的 研究项目之一。
6.2 金刚石薄膜的制备
金刚石与石墨一样，都是碳的同素异构体；但从石墨向金刚石转变的条件比较苛刻， 一般工艺难以实现。
金刚石薄膜的制备主要采用化学气相沉积（CVD）法，早期开发具较典型的技术有热丝CVD法等。CVD法以的要点是将 金刚石品种放在反应管内，CH4和H2混合物进入反应管在高温下热解而沉积。这时沉积物中金刚石所占比例不到1%，其余均是石墨。沉积一须时间后，通入 H2在1030℃下驻港若干小时，由于H原子石墨的速率大于金刚石的速率，故可除去沉积石墨，基片上只留下沉积金刚石，然后再进行第二轮沉积循环。采用这 种方法金刚石的产率很低，一般完成一个沉积循环需17H，而沉积一个完整的膜耐80个循环，而且沉积基片上非得有金刚石晶种。显然，用CVD法来制备DF 是实用上有很大的困难。
等离子体化学气相沉积（PCVD）法是近年来发展起来的一种新的制备方法，它实际上是一种冷等离子体促进的 CVD，与一般CVD相比，它有两个重要的特点，其一可以在非金刚石基片上沉积，即不需要金刚石晶种；其二是由于等离子体活性离子的作用，沉积效率大大提 高。PCVD法制务金刚石薄膜的具体技术主要有：
（1）射频等离子体CVD法（R。F。PCVD）该法一般采用13.56MHZ高频电流 使反应气体等离子体化，典型工艺条件为：反应气体：CH4+H2，压强8~15KPA，温度约700℃。这种技术具有沉积温度较低，沉积速度较快（可达 60μM/H）的优点，但沉积物既有金刚石薄膜也有类金刚石薄膜。
（2）微波等离子体CVD法（M。W。PCVD）这是近年来研究较多的 DF制备技术。M。W。PCVD通过2.45GHZ的微波放电使反应气体等离子化，其典型的工艺条件为：反应气体：CH4+H2，压强1~8KPA，温度 800~1000℃。
M。W。PCVD具有产生活性效率高（电离度可达10%），电子动能大（可达100EV，其他PCVD一般是 1~2EV），沉积速度较快（~3μM/H），合成金刚石薄膜的结晶性好的优点，但也存在放电区域小，难以沉积大面积金刚石薄膜的不足。
（3） 电子回旋共振等离子体CVD法（ECRP）这是近年来对PCVD进行改进的最新技术之一，这种技术首先是在核聚变研究中发展起来的，最近几年移植到冷等离 子体的应用上来。
ECRP的装置实质上就是在M。W。PCVD的基础上外加一磁场。所谓电子回旋共振是指：在外加磁场的控制下，当微波 （2.45GHZ）频率等于电子回旋频率时，发生电子回放共振，微波能量通过共振耦合给电子，从而产生高密度等离子体（电离度大于10%）。ECPR制备 DF的典型工艺条件为：反应气体：CH4+CO2/H2，压力约15PA，温度580~650℃。ECRP具有等离子体密度大（1011~1013CM- 3），可形成均匀大面积等离子体的特点。因此，ECRP可实现大面积沉积（DF的走私可达80MM），是一种很有希望的实用方法，故而得到迅速发展。
金 刚石薄膜的抽取除了化学气相沉积法外，还有物理气相沉积（PVD）法，它的原理是将高运动能的活性分子撞击在低温基板上，局部地析出类金刚石薄膜，有时还 有硬质无定形碳。此法目前还不能得到正四面体的金刚石薄膜。
6.3 金刚石薄膜的性能
金刚石具有优良的机械、物理和化学 性能，长期以来，它就是宝贵的工业材料。人工合成的金刚石薄膜尽管通常只有几μM到十几μM厚，但却具有与天然金刚石相同的结构，因而也具有与天然金刚石 相似的性能，主要有：
1）硬度较高，弹性模量也极高，耐磨性好，摩擦系数小。其硬度是超硬合金的5倍以上，弹性模量高达 11.5*1011PA（AL为7*1010PA，TI为1.1*1011PA）；与钢接触时摩擦系数只有0.002~0.2.
2）热导 体率最高，热膨胀系数低20℃ 时的热导率为2000W/（M*K）[而CU为400W/（M*K）]；热膨胀系数为0.8*10-61/K（SIO2为0.5*10-61/K）。
3） 具有优良的透光和传声性能。除一部分（2.2~6.5μM）红外线外，能透过从紫外线至远红外线大部分波段（0.22~25μM）的辐身线，声波速度高达 18.2KM/S（纸为1-2.4KM/S）。
4）是优良的绝缘体，但又可制成具有很高掺杂性的半导体，其禁带宽度为5.45EV（SI 为1.10EV）。
5）化学稳定性好，可耐绝大部分酸、碱和溶剂的腐蚀。
6.4 金刚石薄膜的应用
金刚 石薄膜作业高硬度、高耐磨被用于车削工具、手术刀、牙料切削机、手表部件及光盘和磁盘保护膜。利用其导热性好、传音和光透过性好及绝缘等优点，广泛应用于 扬声器的振动板、放热性电路基板、集成电路材料、探测卫星的光学窗口、微波振动元件、高电压高速光开关元件、宽领域光传感器等。另外，金刚石薄膜内掺硼和 磷后，可得到禁带宽的优良半导体，其工作温度可达到500℃（一般锗为70℃，硅150℃，GaAs也不高于350℃)。
7 富勒烯
7.1 概述
富勒烯（Fullerene）Cn是碳原子以较大的数目（n＝32、44、50、58、60、70、76、84……）呈封闭球形或 椭球形笼状排列。它是不同于无定形碳、石墨、金刚石的又一种碳的同素异构体。它的发现是近代化学史上一个具有里程碑意义的重大事件，也为材料增加了一个十 分重要、潜力尚验证以完全预料的新成员，因此，引起了各车科学家的极大关注。到目前为止，研究最多的是C60，C70或两者的混合物。
7.2 C60的制备与提纯
1985年克罗托等人提出了笼形碳模型以后，在相当长时间内，科学家未能找到合适的方法来合成或分享出宏观数量的纯 C60物质。
1990年，德国马克。普朗克核物理研究所的克拉奇梅等人在13332.2PA（100TORR）的HE气中，用电阻法使石 墨棒加热到高温，石墨随即蒸发进入气相。在蒸发室内设置的若何表面收集冷凝的碳蒸发物，外表呈炭黑状。将此炭黑从基板上刮 下，然后溶于苯，无色的纯苯立即转变成酒红色到棕色的液体（颜色因浓度而异），炭黑则沉于器底。将其分享，排除溶剂，得到暗棕色到黑色结晶。这样便从三围 蒸汽的冷凝物中分享出了宏观数量的C60（杂有10%的C70）。
1991年7月，美国麻省理工学院杰克*霍华德等人采用掺氧笨火焰燃烧 法，让纯石墨棒在HE气中蒸发以产生炭黑状物质，然后将产物在笨中纯化，用1000G纯碳制得3GC60，为大规模制备样品C60开辟了道路。
美 国IBM的阿尔马登研究中心贝森也等也用克拉奇梅的方法制备样品，但在精制时采用梯度升温长华法，在冷凝面的不同部位发现不同颜色的沉积膜，也分离出了较 纯的C60和C70。
此外，采取色谱仪分离法可以得到99.9%纯度的C60和99%纯度的C70。中国科学院化学研究所和北京大学化学 系均已达到了这样样的水平。
9.7.3富勒烯的性能与用途
1）富勒烯的笼形分子是一个可以充填的“笼”，在制备C60的 过程中将非C元素裹入笼内，或用能量适当的离子束将元素注入笼内，同时不破坏C60，但这种分子的化学性与单纯的C60分子迥然不同。已有人在C60中掺 入K、RB、LA等。这些分子呈现超导性和特殊催化性。C60超导休比氧化物超导体的优点在于它是三维导体，能在任何方向上导电，在同等温度下还可能使电 流流量高于其它超导材料。由于C60的超导性和催化性，它可用作超导材料、高能电池和高级催化剂等。
2）合成新化合物是从事C60研究的 科学家的热门课题。例如H原子最易进入C60笼内，因而人们预见C60H60将有多种同素体，可以写作C60HniH60-n0。是标i和o分别代表笼内 和笼外。美国科学家预测，在某些高分子化合物，如聚苯乙烯长链中，可以嵌入许多C60分子，从而制成新型的以C60分子为骨架的长链高分子倾倒物。或者经 过适当的化学反应，使C60分子与高分子链上某些基团结合，从而产生一系列具有实用价值的C60有机化合物。
3）C60的抗压强度和弹性 显著大于金刚石，可能是世界上最硬的物质，其结构如微小的滚珠，可能作为超级润滑剂。其抗冲击性能比迄今所知的所有固体粒子都强，可用作优质的火箭燃料。
4）C60具有特别容易接受和放出电子的性能，它与其它有机分子形成的固态化合物，多数为电子转移体系，可以制成有机半导体，将其应用于 晶体管或计算机芯片。
5）C60具有非线性光学性，当光线穿透C60时，光的折射方向依光的强度而变化，这一性质有可能大大促进新一代光 学电脑的开发。
6）C60的物理性极为稳定，可以在20GPA的各向同性不胫而走下保持完好的结构，但若受异向高压作用，即使温度为室 温，亦可转变为金刚石。这是因为在C60和60个原子中，有48个以SP3杂化轨道成键，而在金刚石中全部碳原子均以SP3杂化轨道成键。当大量C60聚 集在一起时，这48个具有类似正四面体结构的碳原子的空间排列与金刚石中碳原子的空间排列相当接近，这意味着在压力或冲击波作用下，略作结构重排，可导致 整个结构变为金刚石。因此C60可以作为合成金刚石的原料。
富勒烯的研究还只有10多年历史，真正进入实用阶段还有相当距离，许多问题还 在处在假说或预测阶段，但不管如何，诺贝尔化学奖获得者克莱姆预言“一门新的化学科技将从C60系列中产生”。它将开辟炭素化学和有机化学新纪元。
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