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碳元素是自然界中存在的與人類密切相關(guān)、的元素之一,它具有SP、SP2、SP3雜化的多樣電子軌道特性,在加之SP2的異向性導致晶體的各向?qū)院推渌帕械母飨驅(qū)浴R虼艘蕴荚貫闃?gòu)成元素的碳素材料具有各式各樣的性質(zhì),并且新碳素相合新碳素材料還不斷被發(fā)現(xiàn)和人工制得。事實上,沒有任何元素能像碳這樣作為單一元素可形成像三維金剛石晶體、二維石墨層片、一維卡賓和碳納米管、零維富勒烯分子等如此之多的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)完全不同的物質(zhì)。表1給出了碳的化學鍵合及其形成的各種典型有機物、無機物和碳相的例子。
科學家們逐漸發(fā)現(xiàn)碳素材料在硬度、光學特性、耐熱性納米碳材料、耐輻射特性、耐化學藥品特性、電絕緣性、導電性、表面與界面特性等方面比其它材料優(yōu)異,可以說碳材料幾乎包括了地球上所有物質(zhì)所具有的特性,如硬-軟,絕緣體-半導體-良導體,絕熱-良導熱,全吸光-全透光等,因此具有廣泛的用途,如表2所列。碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷成納米碳材料的無縫、中空的管體,一般可分為單壁碳納米管、多壁碳納米管和雙壁碳納米管。