[实用新型]一种展示多种碳材料的教学演示装置

说明书

技术领域：

本实用新型属教学设备技术领域，涉及一种新的教学演示装置，特别是一种直观地展示多种炭材料的教学演示装置，可配合附加的书面资料和电子影像资料介绍和展示多种炭材料的形貌、结构、性质、用途等信息。

背景技术：

碳材料是指碳元素及由碳元素构成的金刚石、石墨、碳纳米管、富勒烯等碳单质和碳的化合物，其主要化学成分是碳，或含有氢、氧、硫、甚至金属元素等。碳是世界上为数不多的在自然界中有纯单质矿物存在的元素之一，加之许多有机物很容易碳化而获得相当高纯度的碳，从而使得碳材料最早为人类所认识并应用。碳单质包括金刚石、石墨、富勒烯和石墨烯，属于同素异形体。碳的化合物种类繁多，其中一些与人类生活息息相关，主要的有化石燃料石油、天然气和煤以及一些有机化合物。与无机物相比，有机物数目多达几百万种。碳的特殊物理化学性质构成了地球生物圈的千奇百怪，千变万化。碳是唯一具有从零维到三维结构同素异形体的元素：零维结构的富勒烯，一维结构的碳纳米管和碳纤维，二维结构的石墨和石墨烯，三维结构的金刚石。碳结构的多样性及其丰富多彩的性能特征，在各物质中是少见的。例如，在力学性能方面，金刚石的硬度非常高，而同样是纯碳的石墨柔软滑腻；在光学性能方面，金刚石晶莹剔透、光彩夺目，而石墨等碳材料则漆黑成墨、可用作制造黑体；在电学性能方面，金刚石是绝缘体，而石墨、碳纳米管等是良导电体。特别是1991年新发现的碳纳米管，具备优异的力学、电学等理化性能，在纳米电子器件、纳米复合材料等诸多领域有广泛的应用前景。

碳材料与人类文明的发展和进步密切相关，碳材料是人类使用最早的材料之一，沿用至今并且不断推陈出新，处于当今材料科技发展的前沿。例如，在人类文明从石器时代向青铜时代的飞跃中，碳作为铜冶炼的还原剂起到了关键作用。煤、石油、天然气等碳材料的广泛应用对近代工业革命起了巨大的推动作用。煤被誉为工业的粮食，石油被誉为工业的血液，直到现在，这三种古老而又现代的碳材料仍然在我们的日常生活中发挥着巨大作用。随着19世纪冶金、电力等产业的发展，形成了现代碳材料产业。19世纪40-70年代英国和法国开发了以焦碳为骨料加粘结剂成形，经碳化制造电极、电刷的技术，奠定了碳素产业的基础。20世纪，伴随着科学技术的迅猛发展，碳科学以及新型炭材料也得到了迅猛的发展。20世纪40-50年代制成了高纯、高密度的核用石墨；50-60年代发展了气相沉积技术，制成了热解石墨以及人造金刚石薄膜；50-70年代开发了碳纤维及其复合材料的技术，在航空航天领域得到了广泛应用；80年代发现了以足球状C₆₀为代表的富勒烯；90年代又发现了碳纳米管；2004年，俄国科学家发现一种大量掺硼的金刚石在低温下是超导体，打破了金刚石是绝缘体的传统观念；同年，英国科学家制备出了石墨烯，石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮，它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬(强度比世界上最好的钢铁还高100倍)；作为单质，室温电导率比已知导体都高；石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，当施加外部机械力时，仍能保持结构的稳定；以上这些发现促进了材料科学和纳米科技的迅速发展。由此可见，碳材料已经进入了科学技术和人类生活的各个领域，是至今人们研究最多而未解之谜也最多的材料领域之一，也将是21世纪最有发展前景的新材料之一。

我国是世界上主要的碳资源大国，因此，在学校教育中普及碳材料知识、培养碳资源保护意识刻不容缓。但是，目前国内中小学和大学在碳材料方面的教学相对滞后，大多数学校仍局限于课本理论教学和简易的碳结构模型教学，对碳材料的实物、诸多种类和应用、国际最新进展、我国碳资源和碳产业的现状和问题等方面的教学比较缺乏；特别是用于教学中可以展示多种碳材料形貌、性能、用途等信息的设备装置至今尚未见有理想效果的报道。

发明内容：

本实用新型的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，设计制备一种新型的可以直观展示多种碳材料的教学仪器装置，使学生在理论学习碳材料之余，通过实物展示加深对碳材料的认识，并通过配套的书面资料、影像资料(光盘)等加深对各种碳材料的形貌结构、理化性质和应用等方面的理解，特别是加强对碳资源和碳产业现状的了解，培养学生的碳资源保护意识。