碳材料是不断发展的材料。它是传统性材料，同时又发现其具有许多符合时代要求的理化性质。碳材料的种类很多，其优良的理化性质在很多领域中已经得到广泛的应用。碳材料之所以成为具有如此多样性材料的原因之一，因为它是由碳这样一种元素所构成的。
碳原子具有下列特征 [1]：
① 轻而小；
② 结合能 (键能) 大；
③ 对热稳定，力学性质强；
④ 能形成包括双键、三键在内的多样性结构；
⑤ 夺取电子或释放电子能同等程度地发生等等。
表 1.1.1 中列出了按结合方式及分子轨道的不同，对碳的同素异形体的分类。最近发现的一种同素异形体符拉宁碳 (フラーレン) 是仅由碳原子能形成一个分子的分子性同素异形体。符拉宁碳是由碳的 12 个五员环与 20 个以上的六员环所构成的，具有封闭球形的多面体结构的碳分子。例如有 60 个碳原子像足球那样结合而形成的 C60，由 70 个碳原子形成的 C70，此外，还存在 C76、C78、C84 以及大小达到 C500 左右的符拉宁碳分子。最近还发现并合成了另一种碳的同素异形体碳纳米管 (カーボンナノチューブ)，它具有直径 1nm 左右的管状结构 [2]。
表 1.1.1 碳同素异形体的种类
碳材料的多样性还起因于其原料种类及制造方法的多样性。表 1.1.2 中列示了各种碳材料的原料、制法及用途。这些碳材料的化学成分主要是碳，也含有来自原料的多种其他元素。此外，它们的结构大多不像碳的同素异形体那样规则。在活性炭中，同时存在着 sp³及 sp²两种结合方式。
表 1.1.2 碳材料的制法、原料及用途
| 碳材料 | 制 法 | 原 料 | 用 途 |
|---|---|---|---|
| 焦炭 | 液相炭化 | 沥青、煤焦油 | 人造石墨基材 |
| 人造石墨 | 液相炭化 | 焦炭 + 结合性沥青 | 炼钢用电极、原子反应堆结构材料等 |
| 活性炭 | 固相炭化 | 植物、煤等 | 吸附剂 |
| 木炭 | 固相炭化 | 木材 | 燃料、土壤改良剂等 |
| 骨炭* | 固相炭化 | 牛骨 | 制糖用脱色剂 |
| 玻璃状炭 | 固相炭化 | 呋喃树脂等 | 各种模具 |
| 炭纤维 | 固相炭化 | PAN(聚丙烯腈)、沥青等 | 复合材料基材 |
| 炭黑 | 气相炭化 | 烃类气体等 | 橡胶用基材、颜料 |
