文 献 综 述

1.引言

碳元素是一种常见而用途广泛的元素，它既是有机化合物的基本组成元素，也是人类日常生产生活必不可缺的元素之一。碳元素组成的物质具有多种丰富的结构和优良的性能。碳在地球上含量极为丰富，除了大量含碳的有机化合物之外，碳元素还可以形成性能各异的各种同素异形体。碳材料是很神奇的，没有哪种材料能像碳材料一样呈现出如此多的甚至极端对立的性能。随着碳家族中新成员C₆₀^[1]和CNTs^[2]的发现，碳材料从结构和功能的角度把科学家们的想象力引向了无限的境界。纳米碳材料有着非常广泛的应用前景，例如场发射显示器、纳米探针、储氢材料、超级电容、晶体管等。碳元素之所以具备其它元素所不具备的很多特征，可以由其电子结构特征来解释。碳原子最外层具有四个价电子，其最稳定的电子组态是2s²2p²。 碳素材料之所以具有诸多截然不同的性质，来源于碳原子价电子轨道不同的杂化构型^[3]。

人们对球形碳材料的认识始于1960年，在热处理沥青类化合物时，发现了有微米级的球形碳生成。1973年，Honda把此球行碳从沥青母体中分离了出来，并称之为中间相碳微球^[4]。日本的Inagaki根据晶态碳球基本结构单元石墨片层的排列取向将其分为随机排列结构碳球、放射状结构碳球和同心环状结构碳球。根据碳球的形貌还可以分为实心碳球、空心碳球、胶状碳球等种类。根据其结晶程度可分为石墨碳球和非晶碳球。Serp根据碳球的大小将其分为三类：直径2-20nm的富勒烯或巴基葱，如C₆₀、C₇₀等；直径20nm-1μm的纳米碳球；直径﹥1μm的碳珠。

随着纳米技术的飞速发展，古老的碳元素展现出全新的结构和物性，如富勒烯、碳纳米管、空心（实心）碳球、单层石墨片^[5,6]等新结构形态不断被发现，其相应的制备技术也越来越成熟。碳元素的纳米材料得到了广泛的开发，并且在很多方面具有广阔的应用前景。碳纳米管在众多方面具有优良的性能，场发射性能最为显著。这种特性一经发现，碳纳米管场发射显示器便成为近几年来的热门研究课题，但到目前为止，并没有成熟的碳纳米管场发射显示器产品上市^[7]，原因是其场发射稳定性，大面积制备，使用寿命等受到了很大的挑战。

近年来，随着科学技术和材料制备合成技术的进步，以及对碳材料的深入研究与探索，不同形貌和结构的新型碳材料不断被发现，极大丰富了碳化学，如卡宾、碳纤维、富勒烯、碳纳米管、洋葱碳、有序介孔碳和多孔碳等。

本文主要介绍碳球的制备方法以及其个阶段的发展、在各个领域的应用，并将进一步论述其将来的研究方向等内容。

2.碳球的主要制备方法

目前，碳球的制备方法主要有化学气相沉积法（CVD法）、电弧放电法、冲击压缩法、金属还原法、水热合成法和模板法等。不同的制备方法对应于不同材料、不同结构和不同尺度的碳球。

2.1化学气相沉积法（CVD）