Węgiel jest lekkim pierwiastkiem, który w fazie skondensowanej występuje w różnych odmianach alotropowych. Podstawowe dwie – diament i grafit – różnią się pod względem właściwości mechanicznych i fizycznych. Różnice te wynikają z geometrii oraz charakteru wiązań chemicznych. W strukturze diamentu każdy atom węgla jest związany z czterema sąsiadami silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, których kierunki wyznaczają wierzchołki czworościanu foremnego. Dlatego strukturę diamentu określa się jako tetraedryczną. Ponieważ w tworzeniu czterech silnych wiązań uczestniczy 1 elektron z orbitalu s oraz 3 elektrony z orbitalu p, mówimy o konfiguracji bądź fazie sp³. Z kolei w graficie krystalicznym atomy węgla są kowalencyjnie związane jedynie z trzema sąsiadami. Kierunki wiązań są określane przez wierzchołki trójkąta równobocznego (struktura trygonalna). W tworzeniu wiązań kowalencyjnych uczestniczą tylko 3 elektrony, 1 z powłoki s oraz 2 z powłoki p, co daje konfigurację sp². Kowalencyjnie związane atomy tworzą bardzo trwałe płaszczyzny grafenowe. Płaszczyzny te w krysztale grafitu układają się jedna nad drugą i związane są ze sobą słabymi oddziaływaniami metalicznymi. Taka struktura powoduje, że grafit jest silnie anizotropowym kryształem.ⁱ Oprócz czystego diamentu i grafitu istnieją także struktury mieszane. Diament z niewielką domieszką fazy sp² określamy jako węgiel amorficzny o strukturze tetraedrycznej. W miarę wzrostu udziału fazy sp² przechodzi się do węgla diamentopodobnego. Jeżeli w strukturę materiału wbudowywany jest wodór, mówi się o węglach amorficznych wodorowanych. Właściwości fizyczne diamentu, grafitu oraz węgla diamentopodobnego (struktury o fazie mieszanej).[...]

Grafity naturalne i sztuczne są na ogół materiałami polikrystalicznymi. Charakteryzują się dobrym przewodnictwem elektrycznym, dużą odpornością na ściskanie, łupliwością oraz podatnością na ścieranie. Wykorzystuje się je jako materiały ogniotrwałe w hutnictwie, hodowli sztucznych kryształów oraz hutach szkła. Z grafitów naturalnych konstruuje się tygle, cegły węglowo-magnezytowe, cegły węglowo-korundowe oraz elementy pieców elektrołukowych. Bardzo dobrym materiałem izolującym, odpornym na działanie wysokich temperatur jest grafit ekspandowany. Uzyskuje się go z grafitu łuskowego poprzez działanie kwasem chromowym, a następnie stężonym kwasem siarkowym. Z tego materiału wytwarzane są przegrody ogniotrwałe.[...]

Naturalny grafit amorficzny oraz grafit łuskowy wykorzystywany jest jako okładziny szczęk i klocków hamulcowych, gdzie zastępuje stosowany wcześniej azbest. Jednakże w ostatnim czasie wprowadza się nieazbestowe materiały kompozytowe, które są alternatywą dla materiałów węglowych.

Grafity naturalne są wykorzystywane w produkcji smarów. Smary grafitowe dobrze sprawdzają się zarówno w bardzo wysokich, jak i niskich temperaturach. Stosowane są do smarowania ruchomych elementów pras hutniczych oraz jako smary przekładniowe w urządzeniach górniczych. Zawiesiną wodną proszku grafitowego pokrywa się formy odlewnicze przed wypełnieniem. Dzięki temu łatwiejsze staje się oddzielenie odlewu od formy. Grafit ze względu na miękkość oraz dobre przewodnictwo elektryczne znajduje zastosowanie w poligrafii. Zmieszany z glinkami ziemnymi wykorzystywany jest w malarstwie i grafice. Inne znane zastosowania grafitu, to szczotki silników elektrycznych, elektrody w bateriach cynkowo-węglowych oraz elektrody używane w procesach powlekania elektrolitycznego.[...] Grafit syntetyczny wytwarzany jest z koksu naftowego zmieszanego z pakami naftowymi. Etapy produkcji obejmują wytłaczanie, kształtowanie, wypalanie, spiekanie oraz wyżarzanie (grafityzację). Za pomocą elektrod z grafitu syntetycznego doprowadza się prąd zasilający piece elektrołukowe do produkcji stali. Materiał ten jest również wykorzystywany jako moderator neutronów w elektrowniach jądrowych.

Odpady grafitowe pochodzące z produkcji oraz eksploatacji grafitu po sproszkowaniu wykorzystuje się jako materiał do wzbogacania stali w węgiel. Do tego celu używany jest również syntetyczny proszek grafitowy pochodzący z wyżarzania powyżej temperatury grafityzacji sproszkowanego koksu naftowego. [...] Grafit znacząco obniża przekrój czynny na rozpraszanie promieniowania radarowego. Dlatego z grafitu zmieszanego z kauczukiem wykonywane są chrapy okrętów podwodnych. Z tego materiału wykonuje się pokrycie niewidzialnego dla radarów samolotu F-117 Nighthawk. Z grafitu wytwarza się również folie grafitowe, które znajdują zastosowanie w konstrukcji ogniw paliwowych oraz jako materiał uszczelniający zawory. Do rozwoju nowych technologii, które znajdują zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, elektronice oraz wielu obszarach zaawansowanych technologii, przyczyniło się odkrycie i opracowanie wydajnych metod wytwarzania włókien oraz nanomateriałów węglowych. [...]

Włókna węglowe wytwarza się poprzez pirolizę syntetycznych włókien poliestrowych bądź poliakrylonitrylowych. Zbudowane są one z mikrokryształów węgla w fazie sp². Ich średnice wynoszą od 5 do 10 m. Charakteryzują się dużą wytrzymałością na rozciąganie oraz małym współczynnikiem rozszerzalności termicznej. Z włókien węglowych wytwarza się ultralekkie materiały kompozytowe stosowane w produkcji sprzętu wędkarskiego, kijów golfowych oraz bilardowych oraz sprzętu sportowego. Innym materiałem z udziałem włókien węglowych jest wzmacniany laminat węglowy (często używa się skrótu RCC od reinforced carbon-carbon). RCC jest kompozytem złożonym z włókien węglowych w matrycy grafitowej. Wzmacniany laminat węglowy jest odporny na szok termiczny i charakteryzuje się małym współczynnikiem rozszerzalności termicznej. Materiał ten jest wykorzystywany w pokryciach stożków dziobowych międzykontynentalnych pocisków balistycznych, stożków dziobowych oraz krawędzi przednich promów kosmicznych, jak również pokryciach dysków hamulcowych pojazdów używanych w wyścigach Formuły 1.

Nanorurki węglowe są to struktury cylindryczne, których ścianki stanowią zwinięte warstwy grafenowe. Najtańszą i najbardziej wydajną metodą syntezy nanorurek jest chemiczne odkładanie z par związków organicznych z udziałem katalizatorów metalicznych. Średnice nanorurek są ponad tysiąckrotnie mniejsze od średnicy włókien i wynoszą od 0,6 do kilkudziesięciu nm. Długości pojedynczych nanorurek wynoszą nawet do kilku mm. Niewielkie domieszki nanorurek zmieniają w sposób istotny właściwości mechaniczne materiałów kompozytowych. Badania wykonane na Uniwersytecie Drezdeńskim wykazały obecność nanorurek w stali damasceńskiej.ⁱⁱ Obecność nanorurek jest odpowiedzialna za bardzo dobre właściwości tej stali. Zatem już w średniowieczu nieświadomie stosowano nanorurki węglowe do poprawiania właściwości mechanicznych stali. Spadające koszty wytwarzania nanorurek powodują, że znajdują one coraz szersze zastosowanie w przemyśle elektronicznym (zimne emitery), w konstrukcji urządzeń do konwersji energii (superkondensatorów, baterii, ogniw paliwowych), przetworników elektrochemicznych oraz w dziedzinach związanych z inżynierią chemiczną i materiałową.[...]

Materiałem który znajduje szerokie zastosowanie są sadze powstające w wyniku niezupełnego spalania ciężkich frakcji ropy naftowej z domieszką olejów roślinnych. Stanowią one rodzaj węgla amorficznego, który charakteryzuje się dużym stosunkiem powierzchni do objętości. Wykorzystuje się je jako wypełniacz do produkcji opon samochodowych, pasów transmisyjnych oraz przewodów giętkich. Sadze odgrywają bardzo ważną rolę w oponach samochodowych zwiększając ich odporność na ścieranie oraz poprawiając odprowadzanie ciepła w bieżnikach. Przyczynia się to do wzrostu żywotności opon. Sadze stanowią również podstawowy surowiec w produkcji pigmentów farb, atramentów i tonerów. Do tradycyjnych pigmentów węglowych należą czerń kostna, czerń winna oraz czerń lampowa. Domieszka sadzy do polipropylenu powoduje silną absorpcję promieniowania UV, co zapobiega szybkiej degradacji tego materiału. Sadze stanowią również komponent wspomnianych wyżej materiałów absorbujących promieniowania radarowe.

Kolejną ważną grupą materiałów węglowych są węgle aktywowane, które formowane są z węgla drzewnego w taki sposób, by miały możliwie największą powierzchnię. Od tego bowiem zależy ich zdolności adsorpcyjne i chemisorpcyjne. Węgle aktywowane stosowane są w procesach oczyszczania gazów, filtracji wody i powietrza, oczyszczania złota, ekstrakcji metali oraz w produkcji benzyny. Zastosowania medyczne obejmują leczenie zatruć pokarmowych oraz skutków przedawkowania leków.

W ostatnim czasie coraz większe znaczenie zyskują węgle porowate, które występują w postaci włókien, mikrocząsteczek oraz mydła węglowego.ⁱⁱⁱ Materiały te charakteryzują się dużo większym niż w przypadku sadzy i węgli aktywowanych stosunkiem powierzchni czynnej do objętości. Dlatego stosowane są jako anody w bateriach litowo-jonowych najnowszej generacji. Akumulatory tego typu są do tej pory głównie wykorzystywane w laptopach i telefonach komórkowych. Główną przeszkodą w zwiększeniu wydajności tych baterii jest ich przegrzewanie. Szacuje się, że w związku z gwałtownym rozwojem produkcji samochodów z napędem hybrydowym nastąpi rozwój tej technologii. Już w chwili obecnej osiąga się czasy ładowania baterii litowo-jonowej rzędu 15 minut. W niedalekiej przyszłości samochody wyposażone w silniki elektryczne zasilane z baterii litowo-jonowych mogą stać się alternatywą dla pojazdów spalinowych. Elektrody z węgla porowatego zawierającego katalizatory metaliczne stosowane są również w konstrukcji ogniw paliwowych. Schemat ogniwa paliwowego przedstawiony został na. Ogniwa te już w chwili obecnej osiągają sprawność rzędu 40%.

Bardzo ważną grupą węglowych materiałów amorficznych są węgle szkłopodobne. Charakteryzują się one dużą odpornością termiczną (do 700 ºC w powietrzu) oraz dużą odpornością na erozję chemiczną, zwłaszcza działanie soli organicznych i nieorganicznych. Węgle szkłopodobne są nieprzepuszczalne dla gazów i roztworów, po wypolerowaniu mają gładkie powierzchnie. Ponadto charakteryzują się duża twardością i są przewodnikiem elektryczności. Wykorzystuje się je do produkcji tygli oraz odpornych chemicznie naczyń, które nie ulegają zniszczeniu podczas szybkich cykli grzania i chłodzenia. Ważną cechą węgli szkłopodobnych jest ich biokompatybilność. Dlatego są dobrym materiałem do wytwarzania implantów bądź pokryć implantów. Innym przykładem węgli amorficznych są węgle diamentopodobne, stanowiące mieszaninę węgla w fazie sp³ oraz sp², jednakże z dużą przewagą tej pierwszej. Do zalet tych materiałów należą duża twardość, niski współczynnik tarcia oraz duża odporność na czynniki chemiczne. Z punktu widzenia technologicznego istotna jest z kolei niska temperatura odkładania. Dzięki temu, pokrycia z węgla diamentopodobnego można wykonywać na materiałach o obniżonej odporności na działanie wysokich temperatur. Ponieważ jest to materiał biokompatybilny, nadaje się do modyfikacji powierzchniowej materiałów, zwłaszcza implantów chirurgicznych.[...]

Do szczególnie użytecznych właściwości diamentu krystalicznego należy jego twardość. Warstwami diamentu polikrystalicznego pokrywa się powierzchnie urządzeń do obróbki materiałów. Diament jest jedynym znanym półprzewodnikiem, który charakteryzuje się dużym przewodnictwem cieplnym. Dlatego stosuje się go w układach elektronicznych, w których istotne jest wydajne odprowadzanie ciepła. Zjawiska adsorpcji i desorpcji gazów obecnych w atmosferze wykorzystywana jest w konstrukcji czujników gazów i innych urządzeń pomiarowych na bazie cienkich warstw diamentu polikrystalicznego. W chwili obecnej prowadzi się zaawansowane badania nad zastosowaniem warstw diamentu polikrystalicznego wytwarzanego metodą chemicznego odkładania z par węglowodorów do wytwarzania czujników elektrochemicznych. Schemat czujnika został przedstawiony na. U podstaw działania takich urządzeń leżą mechanizmy przenoszenia ładunku pomiędzy warstwą diamentową a substancją elektroaktywną oraz bramkowania elektrochemicznego. Odpowiedź prądowa takiego układu jest proporcjonalna do stężenia substancji w badanym roztworze. Warstwy diamentowe są wykorzystywane w detekcji molekuł bioorganicznych, takich jak glukoza, kwas moczowy, aminokwasy oraz molekuły DNA. Ponadto sprawdzają się w detekcji powierzchniowej jonów, takich jak na przykład NH₃⁺. Dużą zaletą czujników na bazie warstw diamentowych jest duża odporność chemiczna, co pozwala na stosowanie ich w środowiskach chemicznie agresywnych.

Jak wiadomo stal węglowa, stop żelaza i węgla, charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi. To samo dotyczy związków węgla, wolframu, tytanu i krzemu. Ze względu na dużą twardość i wytrzymałość są one stosowane jako pokrycia ostrzy i końcówek wierteł.

Paliwa kopalne (węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf, antracyt, gaz ziemny, klastraty metanu i ropa naftowa) są podstawowym nieodnawialnym źródłem energii. Na bazie paliw kopalnianych wytwarza się tworzywa sztuczne. Oprócz tworzyw sztucznych, szeroko stosowane są naturalne polimery węglowe. Najważniejszym z nich jest celuloza. Różne odmiany celulozy stanowią podstawowy materiał przemysłu tekstylnego (bawełna, len, konopie, wełna, jedwab) i papierniczego.[...]