碳材知識+

  1. 碳材料簡介

      碳是組成有機體的基本元素,在地球上到處皆可發現碳元素的蹤跡,包含空氣、海洋、地表、各類生物體、甚至於我們生活周遭的食物與日常用品…等。由於碳元素可組成多樣性的化學鍵,產生了許多特殊性質,而在不同領域中扮演不同的角色。而在碳材料方面,可依據鍵結種類與結構主要可以分為:sp3 (C-C)、sp2 (C=C)與sp (C≡C)三大類。

    1.sp3:碳材料的結構為100%之sp3 C-C鍵結,形成具有三維之立體結構。其中,非結晶結構稱為類鑽石(Diamond-like carbon, DLC),而結晶結構中依照晶粒尺寸由大到小,又分為單晶鑽石(Single crystalline diamond)、微晶鑽石(Microcrystalline diamond, MCD)與超奈米微晶鑽石(Ultrananocrystalline diamond, UNCD)。
    2.sp2:碳材料的結構以sp2 C=C鍵結為主,形成平面的結構,且可以此平面結構可作為單位體,堆疊出不同尺度之立體結構。其中,若以C=C平面結構堆疊成非結晶結構為碳黑 (Carbon black);若堆疊成結晶結構,且依照其維度可分為零維 (0-D,三維度皆小於100 nm)的富勒烯(Fullerene,包含C60、C70等)、一維(1-D,二維度皆小於100 nm)中空管狀的奈米碳管(Carbon nanotubes, CNT)與實心線徑較粗的碳纖維(Carbon fiber)、二維(2-D,一維度小於100 nm)的石墨烯(Graphene)及三維(3-D)的石墨(Graphite,所有維度皆大於100 nm)。
    3.sp:碳材料的結構以sp C-C鍵結為主,形成鏈狀結構的碳鏈,如具有微米級超長碳鏈-碳炔(Carbyne),其機械性能預期會超過目前已知的所有材料,受到相當高的注目。

      此外,木炭、焦炭、碳黑、碳薄膜、玻璃碳等由有機化合物熱解過程得到的碳材料,由於其結晶性不明顯,通稱為非結晶碳,結構主要是混合sp2、sp3與sp的碳鍵結,其微觀結構,主要是由小於60 nm的二維多層石墨結構形成的球體,有時也會有短程有序的類鑽石結構存在。各類型的碳材料擁有不同的化學及物理性質,並在各類領域中扮演不可或缺的角色,是人類發展史上最重要的材料之一。