《碳質(zhì)中間相理論與應用》是著者及其研究團隊三十多年來在碳質(zhì)中間相理論與應用研究方面部分工作的總結(jié)。主要內(nèi)容包括：稠環(huán)芳烴的液相炭化理論、碳質(zhì)中間相的形成機理、中間相瀝青基炭材料的可控制備等。《碳質(zhì)中間相理論與應用》從稠環(huán)芳烴液相炭化的物理化學角度系統(tǒng)闡述了均相成核和非均相成核碳質(zhì)中間相的形成和形態(tài)發(fā)展規(guī)律，提出了碳質(zhì)中間相形成和形態(tài)發(fā)展的“顆粒基本單元構(gòu)筑”理論，完善了沿用已久的由國外學者提出的傳統(tǒng)理論對中間相結(jié)構(gòu)形成過程的解釋。
《碳質(zhì)中間相理論與應用》可供從事炭素材料研究、制造與應用工作的科學技術人員參考，也可作為高等院校相關專業(yè)本科生、研究生的教學參考書。
目錄
序言
前言
第1章緒論1
1.1碳質(zhì)中間相的定義1
1.2原料2
1.2.1瀝青2
1.2.2重質(zhì)油16
1.2.3焦油19
1.3熱解反應28
1.3.1稠環(huán)芳烴的化學結(jié)構(gòu)本性29
1.3.2稠環(huán)芳烴的中溫液相熱解41
1.4中間相現(xiàn)象56
1.4.1中間相現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)56
1.4.2中間相現(xiàn)象的分類57
1.4.3中間相現(xiàn)象的本性64
1.5中間相的科學意義和應用領域67
1.5.1碳質(zhì)中間相的特殊性67
1.5.2碳質(zhì)中間相的研究方向68
1.5.3碳質(zhì)中間相的研究歷程68
1.5.4碳質(zhì)中間相的結(jié)構(gòu)與其產(chǎn)品性能的關聯(lián)69
1.5.5碳質(zhì)中間相的應用領域69
參考文獻73
第2章碳質(zhì)中間相生成理論81
2.1中間相炭微球81
2.1.1中間相炭微球的研究發(fā)展81
2.1.2中間相炭微球的制備方法82
2.1.3影響中間相炭微球形成的因素85
2.1.4中間相炭微球結(jié)構(gòu)的表征方法94
2.1.5中間相炭微球的形成過程102
2.1.6添加劑對中間相炭微球形成過程的影響115
2.1.7中間相炭微球形成過程中的超細碳質(zhì)顆粒160
2.2體形碳質(zhì)中間相（中間相瀝青）167
2.2.1體形中間相的研究現(xiàn)狀167
2.2.2體形中間相織構(gòu)的分類167
2.2.3體形中間相的結(jié)構(gòu)特征169
2.2.4不同后處理方式體形中間相瀝青的結(jié)構(gòu)特征172
2.2.5中間相瀝青基炭材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控185
2.3碳質(zhì)中間相形成理論188
2.3.1碳質(zhì)中間相分子的結(jié)構(gòu)特征189
2.3.2碳質(zhì)中間相微球的結(jié)構(gòu)特征190
2.3.3碳質(zhì)中間相的形成機理192
2.4“顆粒基本單元構(gòu)筑”理論的應用201
2.4.1碳質(zhì)中間相形成和發(fā)展的預測201
2.4.2原料瀝青中喹啉不溶物對中間相形成和發(fā)展作用的解釋208
2.4.3中間相炭微球表面顆粒或粒狀突起的解釋208
2.4.4碳質(zhì)中間相基超高比表面積活性炭的可控制備209
2.4.5中間相炭材料多元化儲鋰模型的構(gòu)建210
參考文獻211
第3章中間相瀝青炭纖維222
3.1炭纖維發(fā)展概況222
3.2可紡中間相瀝青224
3.2.1中間相瀝青的幾種典型制備方法224
3.2.2可紡中間相瀝青制備的基本過程230
3.2.3可紡中間相瀝青的有效制備途徑232
3.2.4可紡中間相瀝青的制備及其性能表征232
3.3中間相瀝青的熔融紡絲239
3.3.1熔融紡絲工藝239
3.3.2紡絲工藝參數(shù)的選取248
3.3.3噴絲板的設計252
3.3.4中間相瀝青纖維的紡制及其表征256
3.4中間相瀝青纖維的后處理271
3.4.1不熔化處理271
3.4.2炭化處理277
3.4.3纖維微觀結(jié)構(gòu)與力學性能的表征280
3.4.4不熔化條件對中間相瀝青炭纖維力學性能的影響281
3.5異形中間相瀝青纖維的后處理和所獲炭纖維的力學性能285
3.5.1異形中間相瀝青纖維的不熔化和炭化285
3.5.2異形中間相瀝青纖維的力學性能285
3.6影響異形中間相瀝青炭纖維力學性能的因素286
3.6.1異形中間相瀝青纖維的特征尺寸286
3.6.2異形中間相瀝青纖維的分子取向度288
3.6.3異形中間相瀝青炭纖維的微觀結(jié)構(gòu)288
3.6.4中間相瀝青中空炭纖維的力學性能分析293
參考文獻295
第4章中間相炭微球302
4.1中間相炭微球的生長302
4.1.1原料選擇302
4.1.2生長工藝303
4.2中間相炭微球的分離305
4.2.1溶劑分離法305
4.2.2離心分離法305
4.2.3熱過濾分離法306
4.2.4超臨界熱萃取法306
4.2.5溶劑 離心聯(lián)合分離法307
4.3中間相炭微球的炭化和石墨化307
4.4工業(yè)中間相炭微球的結(jié)構(gòu)特征308
4.4.1中低溫炭化中間相炭微球的結(jié)構(gòu)特征308
4.4.2石墨化中間相炭微球的結(jié)構(gòu)特征333
4.5中間相炭微球結(jié)構(gòu)特征的調(diào)控339
4.5.1影響中間相炭微球結(jié)構(gòu)特征的因素339
4.5.2中間相炭微球結(jié)構(gòu)特征的調(diào)控手段341
參考文獻341
第5章中間相瀝青基泡沫炭346
5.1中間相瀝青基泡沫炭的研究進展346
5.2中間相瀝青基泡沫炭的制備348
5.2.1發(fā)泡用中間相瀝青348
5.2.2中間相瀝青基泡沫炭生料的制備350
5.2.3中間相瀝青基泡沫炭生料的炭化與石墨化355
5.3中間相瀝青基泡沫炭的表征357
5.3.1孔泡形貌與結(jié)構(gòu)357
5.3.2密度和孔隙率357
5.4中間相瀝青基泡沫炭的性質(zhì)358
5.4.1中間相瀝青性能對泡沫炭性能的影響358
5.4.2發(fā)泡壓力對中間相瀝青基泡沫炭性能的影響370
5.4.3發(fā)泡溫度對中間相瀝青基泡沫炭性能的影響375
5.5限定尺寸法制備中間相瀝青基泡沫炭377
5.5.1限定尺寸發(fā)泡法377
5.5.2限定尺寸法制備中間相瀝青基泡沫炭的工藝378
5.5.3不同處理階段限定尺寸法中間相瀝青基泡沫體的形貌379
5.5.4限定尺寸法中間相瀝青基泡沫炭的孔泡結(jié)構(gòu)特征382
5.6中間相瀝青基泡沫炭微裂紋的控制384
5.6.1泡沫炭微裂紋的結(jié)構(gòu)及其形成機制384
5.6.2泡沫炭微裂紋的控制386
5.7中間相瀝青基泡沫炭孔泡的生長過程397
5.7.1中間相瀝青孔泡的初生點及其發(fā)育生長398
5.7.2中間相瀝青孔泡的生長方向與孔泡的形貌399
5.7.3中間相瀝青的自發(fā)泡歷程及其生長機理401
參考文獻403
第6章針狀焦408
6.1針狀焦的發(fā)展歷程408
6.2針狀焦制備的理論基礎410
6.2.1中間相成焦理論411
6.2.2氣流拉焦工藝411
6.2.3針狀焦組織形態(tài)411
6.3針狀焦的原料與種類413
6.3.1針狀焦的原料及要求413
6.3.2針狀焦的分類414
6.4針狀焦的制備工藝414
6.4.1原料預處理414
6.4.2焦化417
6.4.3煅燒420
6.5針狀焦的主要性能指標426
6.5.1真實密度426
6.5.2熱膨脹系數(shù)427
6.5.3機械強度427
6.5.4電阻率427
6.5.5抗氧化性428
6.5.6幾種典型針狀焦的性能指標428
6.6針狀焦的可控制備428
6.6.1原料的基本性質(zhì)429
6.6.2工藝與裝置429
6.6.3單一原料體系針狀焦的制備431
6.6.4混配體系針狀焦的制備434
參考文獻438
第1章緒論
炭是人類*早利用的能源之一，作為主要燃料，自人類發(fā)明了取火后就與炭結(jié)下了不解之緣。碳元素作為與人類*密切相關、*重要的元素之一，一直是各國學者研究的熱點。隨著科學的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了炭材料的許多新奇特性，如優(yōu)良的耐熱性能、高導熱系數(shù)、良好的化學惰性、高電導率等，使其在航空航天、能源、環(huán)保、醫(yī)療、電子、化工、冶金、機械等諸多領域體現(xiàn)出越來越重要的作用。
碳質(zhì)中間相是一類重要的炭材料前驅(qū)體，其結(jié)構(gòu)決定了所制備中間相炭材料的幾乎所有性質(zhì)，是影響其具體性能和*終應用的關鍵因素之一。因此，控制碳質(zhì)中間相形成和形態(tài)發(fā)展及其向炭材料轉(zhuǎn)化過程中的結(jié)構(gòu)發(fā)展具有十分重要的科學意義。
1.1碳質(zhì)中間相的定義
國際理論和應用化學聯(lián)合會（IUPAC）在Compendium of Chemical Terminology（第二版）中對碳質(zhì)中間相作了如下描述：
碳質(zhì)中間相是瀝青的一種液晶狀態(tài)，呈現(xiàn)盤狀向列型液晶的雙折射特性。它可以由各向同性的瀝青熱解生成，也可以通過沉降選擇性萃取的瀝青分級獲得。一般說來，從熱解瀝青中沉淀出來的球形中間相具有Brooks-Taylor型結(jié)構(gòu)。通過持續(xù)熱處理，碳質(zhì)中間相融并成體中間相，然后隨著氫和低相對分子質(zhì)量物質(zhì)的進一步逸出，形成生焦。
由IUPAC對碳質(zhì)中間相的描述，可以得出有關碳質(zhì)中間相的以下信息：
（1） 碳質(zhì)中間相是一種由盤狀分子構(gòu)成的向列型液晶物質(zhì)；
（2） 碳質(zhì)中間相可以通過熱處理從瀝青中獲得；
（3） 根據(jù)碳質(zhì)中間相的形態(tài)可以分為球形中間相和體中間相；
（4） 球形中間相一般具有Brooks-Taylor型結(jié)構(gòu)。
隨著碳質(zhì)中間相研究的深入，IUPAC的描述已不能準確地定義碳質(zhì)中間相，其原因如下：
（1） 制備碳質(zhì)中間相的原料已不限于瀝青，還可以為重質(zhì)油，甚至是化合物，如萘、甲基萘、喹啉、異喹啉等［1-5］。
（2） 通過調(diào)整原料組分、添加固體物質(zhì)或控制反應條件，球形碳質(zhì)中間相的結(jié)構(gòu)也可以為“洋蔥”型［6］、“同心圓”型［7］、“第四種結(jié)構(gòu)”型［8］和“非定義”復雜結(jié)構(gòu)［9-12］等。
（3） 構(gòu)成碳質(zhì)中間相的分子也可以不是圓盤狀，如萘系中間相瀝青分子為棒狀分子［13］。
（4） 此描述沒有把碳質(zhì)中間相和其他液晶區(qū)分開來。
結(jié)合碳質(zhì)中間相的各種性質(zhì)，可以把它大致描述為：碳質(zhì)中間相是重質(zhì)芳香烴類物質(zhì)在熱處理過程中生成的一種由圓盤狀或棒狀分子構(gòu)成的向列型液晶物質(zhì)，雖然在一些特殊的情況下中間相可以具有某種程度的熱可逆性質(zhì)，但由于中間相分子熱縮聚的不可逆性，形成的碳質(zhì)中間相往往不具有熱可逆性質(zhì)（即不是熱致液晶）；雖然在瀝青形成過程中不同大小的芳香分子之間的相互溶解造成了碳質(zhì)中間相在一定程度上具有溶致性質(zhì)，但它也不是傳統(tǒng)意義上的溶致液晶物質(zhì)。碳質(zhì)中間相的形態(tài)可以分為可具有多種結(jié)構(gòu)的球形中間相、體中間相和介于它們中間的過渡狀態(tài)。
1.2原料
由于碳質(zhì)中間相基本上由大芳香平面分子堆積而成，這就要求其制備原料含有或易于生成相當數(shù)量的芳香平面大分子。按照液相炭化理論，各種烴類化合物按照液相炭化的難易程度從難到易的順序依次為烷烴、烯烴、芳烴和多環(huán)芳烴。因此，制備碳質(zhì)中間相的原料多為含有多環(huán)芳烴重質(zhì)成分的烴類，如煤系或石油系瀝青、重質(zhì)油等。目前，已用于制備碳質(zhì)中間相的工業(yè)或?qū)嶒炘现饕忻簽r青、石油瀝青、萘瀝青、重質(zhì)油、焦油或它們的組合等。
1.2.1瀝青
1. 煤焦油瀝青
煤焦油瀝青簡稱煤瀝青，是煤焦油蒸餾提取餾分(如輕油、酚油、萘油、洗油和蒽油等)后的殘留物。亦即，煤瀝青是焦油蒸餾后殘留在蒸餾釜內(nèi)的黑色物質(zhì)，與煤焦油同屬煉焦的副產(chǎn)品。
煤瀝青常溫下為黑色固體，呈玻璃相，無固定的熔點，只有從固態(tài)轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)的溫度范圍，通常用軟化點表示。根據(jù)軟化點的高低，煤瀝青分為低溫煤瀝青(軟瀝青)、中溫煤瀝青(普通瀝青)、高溫煤瀝青(硬瀝青)。各種煤瀝青因軟化點等的差異，以致其性質(zhì)不同、用途各異。
低溫煤瀝青主要用作筑路材料、加工防水油氈紙、建筑用防水涂料、生產(chǎn)瀝青漆(如瀝青環(huán)氧樹脂漆)、干電池的密封材料等；也是生產(chǎn)瀝青焦的原料，經(jīng)過特殊處理后可作為生產(chǎn)針狀焦、瀝青基炭纖維等的原料。
中溫煤瀝青是制備碳質(zhì)中間相及其系列新型炭材料（如中間相炭微球、針狀焦、瀝青炭纖維、泡沫炭等）的主要原料之一；并可作為炭材料生產(chǎn)用黏結(jié)劑和浸漬劑，如生產(chǎn)石墨電極、冶金爐用和鋁電解槽用炭塊、電解鋁用預焙陽極和陽極糊以及冶煉鐵合金、電石所需電極糊等。
高溫瀝青可作為生產(chǎn)瀝青焦或活性炭的原料，并用作各種高性能炭材料，如高功率和超高功率石墨電極、優(yōu)質(zhì)預焙陽極和炭塊、高密高強石墨、耐磨炭材料、高溫模壓炭磚以及微孔炭磚等的黏結(jié)劑。
煤瀝青的性質(zhì)及組成與原料煤的性質(zhì)、煉焦的工藝條件、焦油蒸餾條件及瀝青的生產(chǎn)工藝等有關［13-16］。
組成煤瀝青的主要化學元素是碳和氫，其中碳的質(zhì)量分數(shù)大于90%，氫的質(zhì)量分數(shù)一般不超過5%。C/H原子比高于1.6。煤瀝青中碳和氫的組分比例直接影響其物理性能和化學性質(zhì)。
表1-1是我國、蘇聯(lián)和日本煤瀝青的質(zhì)量指標。
表1-1煤瀝青的質(zhì)量指標［13］
表1-2列出了幾個國家煤瀝青的元素組成。
表1-2煤瀝青的元素組成［13］
表1-3中溫煤瀝青的化學組成和結(jié)構(gòu)［13］
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