炭材料是一种既古老又年轻、 既普通又神奇的材料。根据宇宙爆炸学说, 在约150亿年前, 由于巨大的能量块碰撞即宇宙爆炸生成了基本粒子, 基本粒子又生成氢和氦, 三个氦原子结合就生成了碳。地球上的碳约90%以碳酸钙(主要是石灰石)的形式存在。
碳在地球表面的存在量位居14位, 约为0.33%(w), 碳在地球上因为呼吸、 分解、 燃烧等作用而循环, 其循环过程见图1-1。
图1-1 碳在地球上的循环
50万年前的北京猿人就已学会用火, 尼安德特智人25万年前也已经使用火, 从而产生了木炭, 因此可以认为人类第一个采用化学方法制备的材料就是炭材料。公元前10世纪殷墟的甲骨文中, 煤炱已用作墨水使用。木炭、 煤炭、 石墨在我们的生活中被用作燃料、 颜料和冶炼金属的还原剂等。此后直到18世纪的工业革命时期, 炭的利用率都没有太多的变化。而炭的新制备、 新结构、 新应用一直是人们关注的重点。1906年, 法国化学家享利·莫瓦桑(Henri Moissan)因为合成人造金刚石等成果获得诺贝尔化学奖(后面证明是一场误会, 真正人类历史上第一次合成人造金刚石是1955年的事); 1996年美国化学家柯尔(R.F. Curl)、 斯莫利(R.E. Smalley)及英国化学家克罗托(H.W. Kroto)因为1985年发现富勒烯获得诺贝尔化学奖; 2010年俄裔科学家安德烈海姆(Andre Geim)、 康斯坦丁诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)因为2004年发现石墨烯而获得诺贝尔物理奖。由此可见炭材料在科学上的重要性。炭素材料的发展史见表1-1。
表1-1 炭素制品及其技术的发展史[1]
