碳是第6号元素, 碳原子在空间的排列不同, 使得碳具有较多的结构和多样的性能, 从而使得由单一的碳元素构成的物质在自然界焕发出迷人的光彩, 在工业生产及高科技领域发挥着巨大的作用。从传统的金刚石、 石墨、 乱层结构炭、 炭黑、 活性炭, 到新发展的炭纤维、 活性炭纤维、 气相生长炭纤维、 炭/炭复合材料、 中间相炭微球、 炭储能材料、 富勒烯、 纳米碳管、 石墨层间化合物和石墨烯等, 碳的家族成员在不断扩大。除金刚石以外, 其余炭材料的基本组成都是石墨微晶。随着科学技术的发展, 碳的一些特性还会被人类发现并加以利用。

炭材料的这些神奇特点是由其结构决定的, 碳有许多的同素异形体, 当然这要归因于碳键的结合方式(见图1-2), 碳的代表性同素异形体有以sp3杂化轨道[C—C]构成的金刚石, 以sp2杂化轨道[C=C]构成的石墨及富勒烯, 以sp杂化轨道[C≡C]构成的卡宾碳, 另外, 在高温高压的特殊环境下, 也会生成有特异结构的碳多形体以及液体。

图1-2 碳结构示意图