1.1　碳材料簡介

碳材料伴隨著人類走過了幾千年的歷史，在人類社會發展過程中發揮著重要的作用。在20世紀之前，木炭、焦炭、炭黑等諸如此類的碳材料已逐漸被應用，并且推動了陶瓷、冶金和印刷業的發展。進入20世紀，隨著工農業和國防工業的發展，碳材料更是以驚人的速度發展，相繼出現了碳（石墨）纖維及其復合材料、活性炭纖維、碳分子篩等，并成功應用于宇航、潛艇、原子能、航空領域。20世紀末期，富勒烯、碳納米管和有序介孔碳材料的出現，體現了碳材料發展的巨大進步。這些新型碳材料具有密度小、耐高溫、抗化學腐蝕、高導電、高導熱、熱膨脹小等一系列優異的特性，是軍民兩用的新材料，備受各國政府和工業界的重視，其發展和應用對提高軍事實力和工業產品的競爭力都是至關重要的，已成為衡量一個國家科技水平、軍事和經濟實力的標志之一。進入21世紀，新型碳材料也一直是科技創新的前沿領域，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾洛肖洛夫由于首次發現了石墨烯而獲得2010年度的諾貝爾物理學獎。石墨烯是由單層sp²雜化的碳原子組成，具有六邊形蜂巢狀二維晶體結構，是一種新型碳質納米材料，也是構建其他碳納米材料的結構基礎。石墨烯具有高的比表面積，突出的導熱性能和力學性能等，在電子、信息、能源和新材料等諸多領域有著巨大的應用前景。石墨烯的發現有效促進了一個完備碳材料結構體系的形成（圖1.1），該結構體系包含了各個維度的碳材料，其家族成員包括富勒烯、碳納米管、石墨烯以及體相石墨。完整的碳系家族對科學研究具有重要的指導意義，為人們深入研究碳材料并開發其潛在應用提供了強有力的理論基礎。

圖1.1　由碳元素構成的從零維富勒烯到三維石墨的碳材料結構體系