炭素材料是一种古老的材料，又是一种新型材料。早在史前，人类就与炭物质发生了关系。公元前8000年，人类就已经将木炭用于取暖、煮食等；公元前3000年开始，有色金属冶炼就用炭加热或还原制取金属；公元2世纪，中国汉代已经开始用煤烟制墨，16世纪中国明代的冶炼工业已使用天然石墨和粘土制成耐火坩锅，这是人类最早的炭素制品；但作为高质量的工业材料使用仅有100多年的历史， 1810年，英国戴维用木炭粉和煤焦油混合，经成型、焙烧制成碳棒，作为伏特电池的正极，炭制品开始用作电极和导电材料；。1842 年德国人本生（ R . H . Bunsen ）用 2 份能结焦的煤粉和1份焦炭粉混合在钢模中加压成型，然后焙烧制成炭质电极，这是近代炭素制品工业的先驱。19世纪70年代以后，随着蒸气机、发电机的出现，开辟了炭材料在电化学、电热等领域的应用，电工电刷、电话用炭粒、电解电极、导电碳棒等大量的炭素制品得到广泛的使用。但这些制品都属于无定形碳，其容量、耐蚀性及抗热震性等使用性能是不够理想的。近代炭素制品生产史上重要的里程碑是人造石墨电极（石墨化电极）的发明， 1886年美国人卡斯特纳 ( H . Y .Castner ）和爱奇逊（ E . G . Acheson）分别用不同产生高温的方法使无定形碳转化为石墨晶体，从而使炭质电极转变为人造石墨电极。1895年、1896年相继出现了艾奇逊石墨化炉（Acheson furnace）和卡斯特纳石墨化炉（Castner furnace），经过 10 年左右，人造石墨终于实现工业规模生产。20 世纪 70 年代又研制出以针状焦为原料的高功率和超高功率电炉用的优质石墨电极，称为“高功率石墨电极”和“超高功率石墨电极”。人造石墨的出现为炭素工业的发展揭开了新的一页。

自从1893年英国科学家法拉第（ M . Faraday ）发现了电解定律，打下了电化学理论基础以后，1886年美国人霍尔（ C . M . Hall ）和法国人埃鲁特 ( P . L. T .Heroult ）分别发明了从冰晶石-氧化铝电解质中制取金属铝的方法，电解制铝需要大量炭质导电材料作为电解槽的内衬及炭质阳极（预焙阳极或自焙阳极），电解铝工业的迅速发展带动了铝用炭素制品的大规模生产。从数量上看，铝用炭素制品远大于钢铁冶金所用的石墨电极和高炉炭块，铝用炭素已成为数量最大的炭素制品。

第二次世界大战推动了核能的研究和应用，建造核反应堆需要慢化中子的材料及外层屏蔽材料，石墨因具有良好的中子慢化性能和散射截面大、高温强度好，而且价格比较低，因此初期建造的核反应堆的堆芯用特制的石墨块砌成，建造一座核反应堆需要数百吨到数千吨杂质极低的高纯、高密度石墨，这种反应堆用石墨又称为核石墨。高纯度和高密度石墨还被加工成冶炼高纯金属（或高纯非金属）的坩埚、容器、加热元件及电子管栅极等产品。

第二次世界大战以后，军备竞赛加剧，火箭及导弹工业崛起，石墨材料又一次崭露头角。由于石墨材料体积密度较低又耐高温而且高温强度好，由此开发了高强石墨。为了提高石墨的抗烧蚀性能，在石墨表面渗涂金属或非金属材料，美国贝尔实验室对在石墨表面沉积热解炭（化学气相沉积）进行了系统的试验，并于1960年前完成了热解炭和热解石墨的研制工作。热解炭和热解石墨除用于火箭及航天器材外还大量用于电子工业、仪表仪器工业，还可用作生物工程材料，如在1500℃左右沉积的各向同性热解炭具有不与血液或其他体液发生化学变化也不会引起血凝，而且有足够的强度和耐磨性，因此可制作人工心脏瓣膜、人土关节及人工骨植入人体，代替已经损坏的器官，这类产品统称为生物炭素材料（简称生物炭）。

20世纪60年代炭素材料领域最重要的成果就是炭纤维及其复合材料的问世，利用聚丙烯睛纤维、粘胶纤维或沥青纤维在受控的条件下使其炭化，而又保持纤维形状和可挠曲性能，最后获得含碳量在95％以上的炭纤维，如再在2000℃以上的高温下热处理即可得到高模量的石墨纤维，炭纤维的体积密度比铝小，但比强度高于钢，炭纤维与环氧树脂等多种材料复合后形成的复合材料，是较理想的耐烧蚀材料和高强度的结构材料，可用于制作多种航天航空器材。20世纪80年代起炭纤维大量生产后价格不断下降，因此在民用机械设备（汽车外壳）、化工生产（绝热保温、过滤）及运动器材中（网球拍、钓鱼竿、赛车架、滑雪板）作为结构材料或其他功能材料得到广泛应用。20世纪60~80年代已经使用的新型炭素材料还有玻璃炭和再结晶石墨、高定向热解石墨等。

元素碳是法国科学家拉瓦锡（ A . L . Lavoisier ）于 1776 年发现并列人元素周期表中， 1797 年法国科学家特纳尔（ L . J . Thenard）通过实验，证实了金刚石和石墨都是碳元素的同素异形体，到 20世纪末，已经发现的碳的同素异形体有 5 种，即金刚石、石墨、炔（卡宾）碳和富勒烯碳及碳纳米管（巴基管）等中间型碳，。后 2 种主要来自人工合成。 5 类碳元素的同素异形体，由于晶体结构不同，其物理化学性质也有很大区别。根据近代材料结构分析研究，证明无定形碳也是一种晶体，只是晶体尺寸很小，属于微晶形碳，某些品种的无定形碳（如石油焦、沥青焦、无烟煤）在 2500 ℃ 左右的高温下可转化为较完善的石墨晶体结构，其导电及导热等物理化学性能明显提高，纯净的石墨在高温高压下可转化为金刚石晶体结构。

材料一直是人类社会进化的重要里程碑，有史以来，人类社会的发展和进步，总是与新材料的出现和使用分不开的。如石器时代、青铜时代、铁器时代都是以材料作为时代的主要标志。材料又是技术进步的先导和基础。例如，若没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术，没有现代的高温、高强度结构材料，也就没有今天的宇航工业。材料和元件的突破会导致新技术产业的诞生，对国民经济甚至对人类生活产生重大影响。炭素材料是无机非金属材料，它具有很多独特的物理、化学性质，还具有将其它固体材料（如金属、陶瓷、有机高分子材料）的性质巧妙地结合起来的特点。图1-1 表示了炭素材料与金属、陶瓷、有机高分子材料性质的比较。

图1-1 炭素材料与金属材料、陶瓷材料、有机高分子材料的比较     

由上图可见，炭素材料在导电性、导热性方面与金属材料有相似之处，在耐热性、耐腐蚀性方面与陶瓷材料有共同性，而在质量轻、具有还原性和分子结构多样性方面又与有机高分子材料有相同之处。由此说明，炭素材料兼有金属、陶瓷和有机高分子三种主要固体材料的共同特性。