碳纖維的固相反應與石墨的層間插入

 碳(C)纖維的固相反應在工業(yè)上具有重要應用，多數(shù)金屬是以氧(Oxygen)化（oxidation)物的形式存在，金屬氧化物的生成自由能隨溫度（temperature)的上升而增大，與此相比，碳纖維的氧化反應自由能變小，因此只要提高溫度，所有的金屬氧化物都能用碳還原。

  金屬和碳(C)纖維直接反應或者金屬氧(Oxygen)化（oxidation)物烴類還原可以生成金屬碳纖維化物，碳纖維化物的種類有鹽型化合物、侵入型化合物、過渡（transition)金屬碳纖維化物等，鹽型碳化物(carbide)是元素周期表中Ⅰ~Ⅲ族元素的碳化物(carbide)，多數(shù)和CaC2一樣，和水反應生成乙炔。碳纖維制品由于碳纖維擁有極高的材質特性，因此碳纖維制品的強度大，硬度高，遠超過同體積同重量的金屬材質。因此，碳纖維制品在航空、航海、軍工等高科技工業(yè)領域有著廣泛的應用。也正是因為如此，此前世界上碳纖維技術發(fā)達的國家（美國、德國、日本、韓國），對于向中國輸出碳纖維產品和技術，保持著極其謹慎的態(tài)度。即使在目前，我國碳纖維以及碳纖維制品的進口，還受到發(fā)達國家的嚴格控制。侵入型碳化物(carbide)為碳纖維原子進入原子半徑在0.13nm以上的金屬形成的間隙型固溶體，一般不透明、極硬、熔點高，例如，HFC的熔點為4160K，在雙組分組成的化合
  物中最高。碳纖維配件“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。過渡（transition)金屬化合物是原子半徑在0.13nm以下的F
　　E、Ni等過渡（transition)金屬的碳(C)纖維化物，一般結合力較小，容易與水反應生成各種烴類。

  在石墨(化學式C )晶體的層面之間插入其他一層原子或者分子將形成石墨層間化合物(GICs)，插入的層間原子為堿金屬鉀(Potassium)之類的含有自由電子的金屬時，電子將從層間原子轉移到石墨原子上，構成施主型
GiCs，其費密能級比石墨(化學式C )高數(shù)個數(shù)量級。反過來，受主型GICs中，空穴(Electron hole)從層間原子轉移到石墨原子上，降低（reduce)了石墨的費密能級。
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  插入層內的原子或分子之向，受到金屬鍵等強結合力作用，而在插入層與插入層之間，由于所帶電荷(electric charge)相同而相互排斥，這樣在由插入層與石墨(化學式C )層形成的超晶格中存在應力。碳纖維配件一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。插入層之間石墨原子的層數(shù)稱為這種超晶格的階數(shù)，如四階的鉀(Potassium)插入層化合物中，鉀層之間的石墨層數(shù)為4；該GICs中，鉀層的厚度為0.535nm，鉀層與鉀層之間的厚度為5XO.335nm=1.675nm。