炭薄膜(carbonfilm)

廣義地說，炭薄膜應包括氣相生長的金剛石膜，熱解炭薄膜以及從有機先驅體膜炭化得到的炭和石墨薄膜。本條專指以高分子膜經過固相炭化，石墨化處理，而制成的一種薄膜狀炭質材料。1975年，從聚酰亞胺薄膜經過炭化和石墨化后得到石墨化程度很高的炭薄膜。進入20世紀80年代，這一課題得到深入研究，日本學者研究了從聚酰亞胺薄膜，聚惡二唑薄膜，聚苯撐乙烯基薄膜，對位聚苯撐，聚萘撐和聚蒽薄膜出發制取炭和石墨薄膜材料，目前，日本已經能夠達到批量生產石墨薄膜的能力。

制造方法以高分子原料膜為原料，經過固相炭化及石墨化處理，可以制取石墨薄膜，為了得到具有高石墨化性能的薄膜，要求高分子原料膜具有：(1)聚合物原料中單體分子具有高的平面度。(2)聚合物分子鏈沿膜表面的定向度要高。(3)在熱解時只釋放出小分子的氣體，以免擾亂炭網層面的形成。為了防止薄膜變形，采用加壓炭化的方法，這樣可以獲得平整的、性能好的、具有黑色金屬光澤的、電導率可達170s/cm的炭化薄膜，再將炭化薄膜放置于高溫石墨化爐中，在氬氣保護下以一定的升溫程序從室溫升到3000～3200℃進行石墨化處理，處理時間1h左右。為避免變形，采用加壓石墨化的辦法，得到黑灰色具有金屬光澤電導率達5x10⁴s/cm的高結晶度的石墨薄膜。

機理這類易石墨化的炭薄膜的形成機理還沒有研究清楚，但其熱解的炭化反應的歷程可認為是這樣的，首先是這種類型的原始薄膜的分子鏈單元受熱環化和碎裂，生成具有單個芳碳環的，不對稱電子的化學物種(游離基)和大量的、揮發性的小分子物質。而游離基以很快的速度進行對合，生成雜環多芳核聚合物。隨著熱處理溫度的提高，所形成的這類雜環多芳核聚合物繼續熱分解，使體系中產生的游離基進一步重排成連續六元雜環芳碳網平面，其中有些還出現了相當充分的π軌道重疊的價鍵結構，它類似于一切軟炭中之亂層碳，而無硬炭結構中所共有的三維交聯鍵。繼續升溫，盡管在苯環上還有一定量的氮原子，但已轉化為由苯環組成定向的疊層片狀結構。當溫度升至1600℃時，氮全部從其分子中被裂解出去。這時，隨著溫度進一步的提高，連續脫氫反應一直在進行。縮聚分子邊緣上的氫原子以H₂和CH₄的形式而逸出。固態產物的增炭特征清晰的呈現出來，其苯核便漸漸形成和縮合度逐漸增大，使微晶成長的各項條件顯著好轉。此時，碳微晶也隨之逐漸形成，并在1800℃開始增長和完善。在各微晶之間進行交聯，結合成相互交錯重疊的類石墨的層面結構。但按其晶體結構而言，這種不夠完善的晶體結構，逐漸趨向完善。再經過3000℃以上的高溫處理，使其原子充分聚合和排列得十分完整，就變成了發達的三維有序的晶體，而接近于石墨單晶。

性能及應用炭薄膜具有機械強度高，電導率高以及炭素材料所共有的其他特性，使其具有很好的應用前景，如用于電池屏蔽材料，高能電池的電極材料，電致變色元件，優質揚聲器振動板，它還具有良好的生物相容性，可以用作生物工程體材料。經過處理可以制得具有一定孔隙度的炭薄膜，可以在化工領域中作為催化劑載體，等等。總之，炭薄膜的各種用途正逐漸被開發出來。