碳材料工艺学
炭素工艺学——第三章原料的煅烧资料.
石油焦 Ⅰ 0.11 0.35 1.61 2.09 0.9 0.97 3.63 5.13 0.51 0.58 2.23 0.95 13.0 511
石油焦 Ⅱ 0.15 0.41 1.46 2.09 0.82 0.99 3.00 4.08 0.40 0.57 3.23 1.97 14.6 493
石油焦 石油焦
石油焦和沥青焦煅烧时的收缩 1—沥青焦；2—石油焦
煅烧后焦炭导电性提高。焦炭导电性的变化与其结构变化相关，它取决于 共轭π键的形成程度。煤和焦炭的导电性是碳原子网格中共轭π键体系的离域电 子的传导性的反映，它随六角网格层面的增大而增大。
无烟煤 Ⅱ 5.06 9.11
1.85 1.35 1.59 13.00 3.19 0.41 0.73 6.31 0.33 23.9 1022
热裂石油焦性质随煅烧温度的变化 1—挥发分排出量；2—电阻率；3—相对收缩；4—真密度
煅烧后焦炭氢含量发生变化，其中在1000℃~1300℃温度范围内，焦炭的 氢含量几乎减少了90%。对 大 部 分 炭 素 原 料 来 说 ， 氢 含 量 降 低 到 0 . 0 5 % 的 温 度为最佳煅烧温度。
热裂焦的真密度、氢含量与煅烧温度的关系
煅烧温度，℃ 真密度，g/cm3 含氢量，% 煅烧温度，℃ 真密度，g/cm3 含氢量，%
1000
1.956
0.332
1200
2.096
0.085
1100
2.037
0.188
1300
2.136
0.031
煅烧后焦炭含硫量降低。由于高温可促进焦炭结构重排，使C—S的化学键 断裂，因此，高温煅烧是焦炭实现脱硫的最现实而有效的方法。
石油焦含硫量与煅烧温度的关系 1—鞑靼原油残渣有焦炭； 2—鞑靼石油裂化焦炭； 3—高尔基厂焦油热解焦炭； 4—戈洛茨涅斯基原油裂化焦炭
碳碳复合材料制备工艺及研究现状
2、科研院所和企业的研发团队 及其成果
目前，国内外众多科研院所和企业都在积极开展碳碳复合材料制备工艺的研 究和开发工作。其中，中国科学院、清华大学、北京大学、浙江大学、上海交通 大学等高校和研究机构在碳碳复合材料的制备工艺方面取得了重要进展。众多企 业在碳碳复合材料的产业化方面也取得了显著成果，
（4）加工和成型：将表面处理后的碳纤维增强基体进行加工和成型，得到 所需的形状和尺寸。
2、碳碳复合材料制备中的关键 问题和解决方案
碳碳复合材料制备过程中的关键问题包括炭纤维或炭化纤维的制备、基体与 炭纤维或炭化纤维的界面结合、表面处理的效率和一致性等方面。针对这些问题， 目前的研究主要集中在以下几个方面：
研究现状
1、国家政策支持及项目进展情 况
近年来，各国政府纷纷出台相关政策和项目，支持和推动碳碳复合材料的研 究和应用。例如，中国政府在“十三五”国家科技创新规划中提出要大力发展新 型复合材料，并将碳碳复合材料列为重点发展的领域之一。同时，国内外众多科 研机构和企业也在积极投入研发和生产，推动碳碳复合材料制备工艺的发展和应 用。
引言
随着科技的不断进步，碳材料因其独特的物理、化学性质而受到广泛。特别 是纤维素碳化制备碳材料，由于其来源广泛、环保且具有优异的性能，在能源、 环保、材料等领域具有广泛的应用前景。因此，研究纤维素碳化制备碳材料的工 艺具有重要意义。
文献综述
纤维素碳化制备碳材料的研究可以追溯到20世纪60年代，随着科技的不断进 步，这一领域的研究取得了长足的进展。以前的研究主要集中在碳化温度、时间、 气氛等因素对纤维素碳化过程的影响上。近年来，研究者们还致力于探索纤维素 碳化过程中的反应机理，以及如何提高碳材料的性能。尽管取得了一定的进展， 但仍存在许多问题需要解决，例如如何提高碳材料的质量和产量，以及如何实现 工业化生产。
2023年炭素工艺学炭素工艺学(试题)
炭素工艺学-炭素工艺学1、如何评价炭材料生产用石油焦的质量？2、什么是煤沥青，煤沥青具有哪些用途？3、什么叫锻烧？炭质原料锻烧的目的是什么？4、影响混捏质量的因素有哪些？5、什么是炭材料的成型？炭材料成型方法有哪几种，它们各适用于哪些制品的成型？6、挤压时影响压力大小的因素有哪些？7、影响挤压生坏质量的因素有哪些，如何提高压型成品率？8、什么是弹性后效〔生坯回胀〕？9、影响弹性后效〔生坯回胀〕的因素有哪些？10、挤压废品类型有哪些，其产生的缘由是什么？11、什么是等静压成型，等静压成型原理是怎样的？12、等静压成型有什么特点和规律？13、什么是焙烧？焙烧的目的是什么？14、什么是二次焙烧，它与一次焙烧有何差异？15、浸渍品经二次焙烧后再进展石墨化的优点是什么？16、焙烧工序废品产生的缘由是什么？17、什么是浸渍，哪些炭材料需要进展浸渍处理？18、为什么要对炭材料进展浸渍处理，浸渍的目的有哪些？19、影响浸渍效果的工艺因素有哪些？20、什么是石墨化和石墨化过程？石墨化的目的是什么？21、什么是石墨单晶、石墨多晶体和石墨微晶？22、什么是易石墨化炭和难石墨化炭？23、高纯石墨化原理是怎样的？24、什么是“内串”石墨化？25、石墨化供电有哪些特点？26、什么是石墨化炉的炉芯，装炉时围炉芯的目的是什么？27、什么是电阻料，其在石墨化过程中起什么作用？28、在石墨化过程中保温料起什么作用，对石墨化保温料有哪些要求？29、碳有三种同素异形体，分别是〔〕〔〕〔〕。
30、石墨按其外观外形分为两种，分别是〔〕〔〕。
31、生产各种炭素制品的主要原料有〔〕〔〕〔〕〔〕等。
32、体密度可以表示材料或制品的宏观组织构造的〔〕，制品的气孔率越大，则体密度〔〕，宏观组织构造越〔〕。
33、碳质材料及其碳和石墨制品样块中的气孔按其外形和位置可分为〔〕〔〕〔〕三种类型。
34、电解槽的残极可分为两大类分别是〔〕〔〕。
35、炭阳极属于少灰制品，其主要原料是〔〕〔〕。
炭素工艺学 炭和石墨材料
同时，炭素材料的弹性模量随温度升高而增大。用石油焦或沥青焦制成 的人造石墨在1800℃下的弹性模量相比于室温下，提高了40%~50%。
石墨的弹性模量与温度的关系 1—沥青焦基；2—石油焦基
炭素材料的蠕变特性：对于弹性体而言，应力—应变在弹性极限内呈线性 关系，对交变应力是可逆的；而炭素材料是非弹性体，其应力—应变呈非线性 关系，即使在很小的应力作用下也会发生塑性变型，并且在2000℃以上存在明 显的蠕变现象。
3—烧结Al2O3；4—烧结BeO；5—人造石墨
由上面两图可知，炭素材料的抗拉强度随温度升高的增加率；在1500℃ 以上，其他材料的强度急剧下降，而人造石墨材料的比强度继续升高，直到 2500℃才开始下降。因此，在不考虑氧化的情况下，炭素材料作为高温才来 有其独特的优越性。
1.1.3.2 炭素材料的弹性模量及蠕变特性
C60分子具有很高的对称性，人们将其描述为平截正20面体形成的32面体， 直径为7.1 Å。C60具有60个顶角，每个顶角为两个正六角环和一个正五角环的 汇聚点，在每个顶角上有一个碳原子，每个碳原子以两个单键、一个双键与 相临的三个碳原子相连接。每个六角环，C与C之间以sp2杂化轨道形成共轭双 键，而在笼的内外表面都被π电子云所覆盖。整个分子是芳香性的。
滑动流动，气体压力减小，气体分子的平均自由程接近孔 径时，呈滑动流动。
自由流动，气体在毛细管内流动，且压力不大时，气体分 子的平均自由程大于孔径，产生分子自由流动。
一般炭素材料的气体渗透率更苦达尔塞定律，按下式计算：
K Q•L P• A
K——气体渗透率，cm2/s； Q——压力-体积流速，MPa•cm3/s； L——试样厚度，cm； A——试样截面积，cm2； △P——在试样厚度两侧的压力差，MPa。
碳碳的制造工艺
碳碳的制造工艺简介碳碳（Carbon-Carbon，简称C/C）是一种由碳纤维和碳基质组成的复合材料，具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天、能源、汽车等领域有广泛的应用。
本文将介绍碳碳的制造工艺以及相关技术。
碳纤维的制备碳纤维是制造碳碳的关键材料，其制备过程主要包括聚合纤维、氧化、碳化等步骤。
首先，在聚合纤维阶段，聚丙烯或聚丙烯酸甲酯等聚合物通过纺丝成纤维，在高温、低氧环境下进行干燥和热处理，形成初步成型的聚合纤维。
然后，在氧化阶段，将聚合纤维在氧气或空气中进行热处理，使其氧化生成聚丙烯酸纤维。
最后，在碳化阶段，将聚丙烯酸纤维在高温下进行碳化处理，使其转变为碳纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度等优点，是制造碳碳材料的重要基础。
碳基质的制备碳基质是碳碳的主要组成部分，其作用是提供机械支撑和保护碳纤维。
碳基质的制备通常采用炭化树脂、炭化油等方法。
炭化树脂是一种含有碳元素较高的树脂，通常通过模压成型，在高温下进行炭化处理，形成高碳化度的碳基质。
炭化油是一种含有碳元素较高的石油产品，通过涂覆在碳纤维上，再进行热处理，也能制备碳基质。
碳基质的炭化度越高，其机械性能和耐高温性能也越好。
碳碳的制造工艺碳碳的制造工艺主要包括堆叠、热压、碳化、再热压等步骤。
堆叠堆叠是将碳纤维与碳基质按照一定的顺序和方式进行层叠组合，形成一个整体结构。
堆叠的方式有平行堆叠、绕线堆叠等。
平行堆叠是将碳纤维和碳基质平行地堆积起来，形成多层叠压结构。
绕线堆叠是将碳纤维绕在轴上，再进行层叠组合。
堆叠时需要注意碳纤维的方向和排列的均匀性，以保证碳碳的性能和质量。
热压热压是将堆叠好的碳碳放入高温高压的环境中，通过热压力将碳纤维和碳基质结合在一起。
热压时需要控制压力、温度和时间等参数，以确保材料的密实度和结合强度。
热压能够使碳碳材料形成致密的结构，提高其机械性能和耐高温性能。
碳化碳化是将热压得到的碳碳材料在高温下进行碳化处理，使其形成高度碳化的结构。
碳材料工艺学
活性炭物理活化和化学活化的机理。
1 物理活化法及其活化机理物理活化法是将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发生反应,在炭材料内部形成发达的微孔结构。
物理法一般使用水蒸气、二氧化碳、烟道气等作为活化剂。
由于物理活化法在制备过程中不引入化学试剂,其制得的活性炭无需过多的后处理步骤，不像化学活化法制得的活性炭需要除去残留的活化剂，所以用物理活化法制得的活性炭用途较广泛。
物理活化反应的实质是碳的氧化反应。
首先对原料进行炭化,即含碳有机物在热的作用下发生分解,非碳元素以挥发分的形式逸出,制得炭化料;然后将炭化料加热到合适温度并通入活化气体与碳发生活化反应,使炭化料的孔径疏通,进而扩大、发展,形成孔隙发达的微晶结构的活性炭。
生产中炭化温度一般为600℃,活化温度一般在800一1000℃之间。
水蒸气活化的反应方程式为:C+H2O=H2+CO此活化反应为吸热反应,应由外部供热,故多用过热水蒸气,在750一1000℃和隔绝氧的条件下完成,因为氧的存在会使碳烧失,所以用水蒸气活化法制得的活性炭得率较低。
二氧化碳活化反应为:C+CO2=2CO此反应也是吸热反应,反应温度比水蒸气活化还要高,达850一1000℃。
物理活化法具有环境污染小,产品用途广泛等优点。
1.1CO2活化二氧化碳为活化剂时,活化反应的实质是炭的二氧化碳的氧化反应,其反应式为:C+CO2=2CO一170.5KJ反应是吸热反应,反应温度通常在800一1000℃。
因此,二氧化碳作活化剂活化温度一般在800一1000℃之间。
但碳的氧化反应不是在碳的整个表面均匀地进行,而仅仅发生在“活性点”上,即与活化剂亲和力较大的部位才发生反应,如在微晶的边角和有缺陷的位置上的碳原子。
活化反应在活性炭细孔形成过程中有3个作用:①开孔作用:由于加热过程中焦油的挥发与炭化,造成了闭孔,使被吸附分子无法进入孔隙,所以无吸附能力。
活化时,由于这些堵塞物与气体活化剂反应而被除去,使闭孔打开,孔隙结构变得丰富。
北京化工大学碳材料工艺学作业总结
1、炭材料的多样性？(广义和狭义定义)广义上看：金刚石、石墨、咔宾都属于炭材料，这是一个广义的定义，但由于金刚石和咔宾在自然界存在非常少，结构也单一，不像石墨那样具有众多的过渡态中间结构（如焦炭、CF、煤炭、炭黑、木炭等）。
狭义上看：炭材料一般是指类石墨材料，即以SP 杂化轨道为主构成的炭材料，从无定形炭到石墨晶体的所有中间结构物质（过渡态碳），它是由有机化合物炭化制得的人造炭。
补充：新型炭材料：根据使用的目的，通过原料和工艺的改变，控制所得材料的功能，开发出新用途的炭及其复合材料。
大谷杉郎认为：新型炭材料可大致分为三类。
一是强度在100MPa以上，模量在10GPa以上使用时不必后加工的方法制得的新型炭成型物；二是以炭为主要构成要素，与树脂、陶瓷、金属等组成的各种复合材料；三是基本上利用炭结构的特征，由炭或炭化物形成的各种功能材料。
2、炭材料的基本性质？和金属一样具有导电性、导热性；和陶瓷一样耐热、耐腐蚀；和有机高分子一样质量轻，分子结构多样；另外，还具有比模量、比强度高，震动衰减率小，以及生体适应性好，具滑动性和减速中子等性能。
这些都是三大固体材料金属、陶瓷和高分子材料所不具备的。
因此，炭及其复合材料被认为是人类必须的第四类原材料。
3、炭材料科学的主要研究内容？研究自然界中（广义）一切增炭化（富碳）物质的形成过程机理，特别是着重于它（包括原料经历部分炭化的中间产物）多层次的微观结构的形成，以及此结构在外界条件（如温度、压力）影响下的转变。
此外，炭科学还研究炭集合体的各种物理与化学性质。
核心内容：自有机物前驱体出发，通过热处理使有机物转化成具有可被控制的微晶排列的炭固体，这一知识乃是炭材料科学的最核心部分。
有机原料中间状态终炭材料：1、形成过程（机理） 2、各过程中物质的结构与性质（化学、物理）3、外界条件与材料结构性能的关系；第一部分碳的结构与性能1、碳的结晶形式有哪些，阐述其结构与性能的关系？结晶形式：金刚石、石墨、咔宾、富勒烯金刚石：SP3杂化轨道，四个等同σ共价键，具饱和性和方向性面心立方晶体特征：1）硬而脆；2）碳中密度最大（3.52g/cm3）；3) 1800℃以上转换为石墨；4）电绝缘体和热良导体；5）具四个等同轨道，如果与氢、碳结合就形成典型的脂肪族化合物。
多孔碳材料的制备
多孔碳材料的制备一、本文概述多孔碳材料是一种具有丰富孔隙结构和优异性能的新型碳素材料，因其在能源、环境、催化等多个领域中的广泛应用而备受关注。
本文旨在全面概述多孔碳材料的制备方法，包括物理法、化学法以及模板法等，并深入探讨各种制备方法的优缺点，以及多孔碳材料在不同领域的应用现状和发展前景。
通过本文的阐述，读者可以更加深入地了解多孔碳材料的制备技术和应用领域，为多孔碳材料的进一步研究和应用提供有价值的参考。
二、多孔碳材料的制备原理多孔碳材料的制备主要基于碳前驱体的热解或碳化过程，以及后续的活化处理。
制备原理主要涉及碳源的选择、热解或碳化过程、活化方法以及孔结构的调控等方面。
碳源的选择是多孔碳材料制备的关键。
常见的碳源包括天然生物质（如木材、椰子壳、动物骨骼等）、合成高分子（如酚醛树脂、聚丙烯腈等）以及碳纳米材料（如石墨烯、碳纳米管等）。
这些碳源在热解或碳化过程中，能够形成碳骨架，为多孔结构的形成提供基础。
热解或碳化过程是多孔碳材料制备的核心步骤。
在热解过程中，碳源中的有机物在缺氧或低氧环境下发生热分解，生成碳和水、二氧化碳等小分子。
碳化过程则是在更高温度下，进一步去除碳中的杂质，提高碳的纯度。
这两个过程都能够形成多孔结构，其中孔的大小和分布取决于碳源的种类、热解或碳化温度以及气氛等因素。
活化处理是多孔碳材料制备过程中的重要环节。
活化方法主要包括物理活化和化学活化。
物理活化通常使用二氧化碳或水蒸气作为活化剂，在高温下与碳发生反应，刻蚀碳表面，形成多孔结构。
化学活化则使用酸、碱或盐等化学试剂，与碳源在较低温度下发生反应，生成多孔碳材料。
活化处理能够有效地调控多孔碳材料的孔结构和比表面积，提高其吸附性能和电化学性能。
孔结构的调控是多孔碳材料制备过程中的关键技术。
通过调整碳源、热解或碳化条件、活化方法等因素，可以实现对多孔碳材料孔结构的有效调控。
例如，改变碳源的种类和粒径可以影响孔的大小和分布；调整热解或碳化温度可以改变孔的形貌和连通性；选择不同的活化剂和活化条件可以调控孔的数量和比表面积等。
化学气相沉积制备碳碳复合材料
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种重要的制备碳碳复合材料（C/C）的方法。
碳碳复合材料具有优异的高温性能和抗氧化性能，因此在航空航天和汽车制造等领域有着广泛的应用。
本文将介绍化学气相沉积制备碳碳复合材料的原理、工艺及其在工程领域的应用。
一、碳碳复合材料的特点1. 高温性能：碳碳复合材料具有优异的高温强度和稳定性，在高温下依然能够保持较好的力学性能。
2. 抗氧化性能：碳碳复合材料在高温氧化条件下依然能够保持较好的性能，不易氧化。
3. 导热性能：碳碳复合材料具有优异的导热性能，能够有效传导热量。
4. 轻质高强：碳碳复合材料具有较低的密度和较高的强度，是一种优秀的结构材料。
二、化学气相沉积制备碳碳复合材料的原理化学气相沉积是一种将气态前体物质经化学反应沉积到基底表面上形成薄膜或者块体材料的方法。
在制备碳碳复合材料中，通过该方法可以实现碳元素在高温条件下的重复沉积，形成高纯度的碳碳复合材料。
1. 原料气体的选择：一般采用含碳气体作为原料气体，如甲烷、乙烷等，同时还需要控制供气速率和混合气的比例。
2. 反应机理：原料气体在高温条件下发生裂解或氧化等反应，产生碳原子或碳烷基自由基。
这些自由基在基底表面上发生聚合反应，逐渐形成碳碳键，最终形成碳碳复合材料。
3. 控制条件：制备碳碳复合材料需要控制反应温度、反应压力、反应时间等参数，来实现碳元素的高纯度沉积。
三、化学气相沉积制备碳碳复合材料的工艺步骤1. 基底处理：对基底进行表面处理，包括清洗、激活等工艺，以增强基底表面对碳的吸附能力。
2. 原料气体供给：将经过预处理的原料气体供给到反应室内，并在一定的温度和压力条件下进行反应。
3. 沉积过程：原料气体在基底表面发生化学反应，并逐渐形成碳碳复合材料。
4. 后处理工艺：对沉积后的材料进行退火、表面处理等工艺，以提高碳碳复合材料的性能。
四、化学气相沉积制备碳碳复合材料的应用碳碳复合材料由于其优异的性能，在航空航天、汽车制造、船舶制造等领域有着广泛的应用。
碳素化学与工艺-多孔碳材料
物理活化法工艺
活化阶段通常在大约900℃下，把炭暴露于氧化 性气体介质中进行处理而构成。活化的目的是清 除炭化过程中积蓄在孔隙结构中的焦油物质及裂 解产物，以提高孔容积或比表面积。活化过程分 为两个阶段，第一阶段除去被吸附质并使被堵塞 的细孔开放；进一步活化使原来的细孔和通路扩 大；随后，由于碳质结构反应性能高的部分的选 择性氧化而形成了微孔组织。
多孔炭材料之一
活性炭
主要内容
活性炭简介 活性炭结构 活性炭的制备 活性炭的应用
活性炭的基本性质 活性炭的国内外生产现状 高比表面积活性炭的研究进展
微晶结构、孔隙结构、表面化学官能团 活性炭表面形貌
原料来源 活化方法与工艺 活化机理
吸附材料 催化剂载体 储氢储电
简介
AC是黑色多孔物质，由微晶炭和无定型炭构成，含有灰 分。
物理活化机理
水蒸汽活化机理：
C H 2 O H 2 C O 1k 3J 0
C 2 H 2 O 2 H 2 C 2 O 9 k7 J
CO2活化机理：
C C2O 2 C O 16 kJ 3
活化过程中，气体与碳发生反应的同时，使被吸附的碳 氢化合物部分地发生分解而除去。活化第一阶段，除去被吸 附质并使被堵塞的细孔放开；进一步活化，使原来的细孔和 通路扩大；随后，由于碳质结构反应性能高的部分的选择性 氧化而形成了微孔组织。
AC的突出优点是内部孔隙结构发达、比表面积大，具有 优良的吸附性能和良好的化学稳定性、物理稳定性以及使 用失效后容易再生等性能。
它能脱色、脱臭、脱硫、脱苯，还能选择性地脱除液相或 气相中某些化学杂质。
它也能吸附某些物质作为催化剂，使化学反应速度大大加 快，是良好的催化剂裁体。
AC广泛用于国防、化工、石油、电子、纺织、食品、医 药、交通能源、农业、原子能工业、城建、环保等方面。
碳材料工艺流程
碳材料工艺流程
《碳材料工艺流程》
碳材料是一类重要的功能材料，广泛应用于电子、光电、储能、环保等领域。
碳材料的工艺流程包括原料选择、制备工艺、加工工艺和表面处理等环节。
首先，原料选择是碳材料工艺流程中的关键一步。
常见的原料包括石墨、沥青、聚丙烯、腈纶、苯酚等。
通过选择不同的原料，可以制备出具有不同性能和用途的碳材料。
接下来是制备工艺。
常见的碳材料制备工艺包括石墨化、活性炭制备、碳纳米管生长等。
其中，石墨化是制备石墨材料的常见方法，主要包括石墨化剥离和石墨化还原两种工艺。
而活性炭制备则是通过物理或化学方法将原料转化成活性炭。
随后是加工工艺。
碳材料的加工工艺主要包括造型、成型、烧结等工艺过程。
通过这些工艺，可以将碳材料制成各种形状和尺寸的成品，满足不同领域的需求。
最后是表面处理。
碳材料的表面处理包括表面改性、表面涂覆等工艺。
通过表面处理，可以改善碳材料的性能和功能。
综上所述，碳材料的工艺流程是一个复杂而严谨的过程。
在不同的制备、加工和表面处理工艺中，各种技术手段相互交融，为碳材料的优化性能和广泛应用提供了坚实的技术基础。
湖南大学炭素工艺学资料
67 炭材料生产用原料有哪些？在常规炭材料生产中，通常采用的原料可分为以下几类：( ”固体炭质原料。
主要有石油焦、沥青焦、冶金焦、无烟煤、天然石墨、人造石墨、炭黑和生产返回料（生碎、焙烧碎和石墨碎）等，其中石油焦和沥青焦又可分为普通焦和针状焦两类。
( 2 ）非炭质固体原料。
主要有电工用炭生产用金属粉末、活性炭生产用植物材料以及微孔炭砖生产用碳化硅和金属硅等。
( 3 ）勃结剂和浸渍剂。
主要有煤沥青、石油沥青、合成树脂、润滑剂和低熔点合金等。
( 4 ）改性添加剂。
主要有煤焦油、葱油、氧化铁和硬脂酸等。
此外，炭材料生产中还采用一些辅助物料（保温料、填充料和电阻料），如冶金焦、石油焦、炭黑、石英砂和河沙等。
生产新型炭材料和特种炭材料则采用一些特殊的原料，如聚丙烯睛纤维和气态烃类有机物等。
68 各种固体炭质原料的特征和适用范围是怎样的？各种固体炭质原料的特征和适用范围见表2 一l 。
表2 一1 固体炭质原料的特征和适用范围69 什么是少灰原料和多灰原料？为了合理选择、保管和使用固体炭质原料，一般按其所含无机物杂质的多少，将固体炭质原料分为少灰原料和多灰原料。
石油焦和沥青焦等属于少灰原料，它们的灰分含量一般小于1 % ; 冶金焦和无烟煤等属于多灰原料，它们的灰分含量在10 ％左右。
石墨制品和少灰炭制品（如预焙阳极）的生产要选用少灰原料，多灰炭制品（如炭块和电极糊）的生产则要选用多灰原料。
70 炭材料生产用原料贮存过程中要注意哪些事项？( 1 ）炭质原料堆放场地必须是水泥地面，原料贮存时应尽量减少外界杂质的混入。
( 2 ）原料贮存过程中，严禁混入灰尘、泥沙和其他杂质。
少灰原料最好是入库保管，急用原料应库存。
对于备用原料，如无库房贮存，亦可露天存放，但必须加强管理，采取恰当的措施，如打水泥地面、苇席遮盖和袋包装等，以免原料在存放期间混入杂质。
( 3 ）炭质原料在存放期间要防止互相混入，特别是要防止多灰原料混入少灰原料内。
炭素工艺学——第一章炭和石墨材料
1.1.2 炭素材料的结构性质
1.1.2.1 密度
真实密度反映炭素材料的石墨化度，比较精确的测定方法是采用X射线衍 射法测定其晶格常数a和c，然后按下式计算：
Dt——真实密度，g/cm3； m ——碳原子质量，1.65963×10-24g； N ——单位晶格中碳原子数，N=4； v ——单位晶格的体积容积，a2 sin60°•c， μm3
人造石墨的蠕变曲线 （2500℃，31 MPa）
人造石墨在不同温度下的蠕变进度
1.1.3.3 石墨材料的摩擦性能
石墨材料既耐磨，又具有自润滑性。这是由于石墨晶体层间以分子键结合， 易于剥离，在摩擦面上形成极薄的石墨晶体，使摩察系数显著降低。 石墨对各种材料的摩擦系数
石墨材料 具有优异 摩擦性能 的原因
同时，炭素材料的弹性模量随温度升高而增大。用石油焦或沥青焦制成 的人造石墨在1800℃下的弹性模量相比于室温下，提高了40%~50%。
石墨的弹性模量与温度的关系 1—沥青焦基；2—石油焦基
炭素材料的蠕变特性：对于弹性体而言，应力—应变在弹性极限内呈线性 关系，对交变应力是可逆的；而炭素材料是非弹性体，其应力—应变呈非线性 关系，即使在很小的应力作用下也会发生塑性变型，并且在2000℃以上存在明 显的蠕变现象。 与石墨材料相比其他炭素材料的蠕变更大，且蠕变温度（1500℃）更低； 炭素材料的蠕变也呈各向异性，一般平行于晶粒取向方向上蠕变小，垂直方向 蠕变大。
气孔率 炭素材料的全气孔率可以用真实密度和体积密度来计算，如下式：
Dt Dv pt 100% Dt
Pt——全气孔率，%；Dt，Dv——真实密度核体积密度，g/cm3。
几种常用炭素材料的全气孔 名称
炭电极 石墨电极 炭块 全气孔率，% 17~25 22~30 15~20
炭素工艺学考点
炭素工艺学考点1、填空题沥青熔化的目的在于O,并使（）,减少（）。
正确答案：排除沥青中的水分；机械杂质沉淀；其膨胀性2、问答题如何评价炭材料生产用石油焦的质量？正确答案：炭材料生产用石油焦的质（江南博哥）量可用灰分、硫分、挥发分、锻后焦真密度、粉焦量和杂质元素含量来衡量。
灰分含量是石油焦的主要质量指标，硫分对于炭材料生产来说是一种有害元素。
石油焦的挥发分高低显示了焦炭的焦化程度，其对锻烧操作有较大的影响。
锻后焦的真密度大小标志着石油焦的石墨化难易程度，锻后焦真密度越大，石油焦越易石墨化，并且石典化产品电阻率较低。
为r更全面地分析炭材料用石油焦的使用性能，有时还需要检测石油焦的堆积密度、振实密度与锻后焦的电阻率、热膨胀系数和机械性能长可破碎性、脆性和磨损率。
3、判断题弹性后效通常是随着压力的增大而增加。
O正确答案：对4、填空题体密度可以表示材料或制品的宏观组织结构的（），制品的气孔率越大，则体密度（），宏观组织结构越O.正确答案：宏观组织结构；越低；疏松5、问答题影响浸渍效果的工艺因素有哪些？正确答案：对于采用煤沥青作为浸渍剂来说，影响浸涉质量和浸涉效果的工艺囚素有浸渍前焙烧炭坯的预热温度、浸渍剂沥青的熔化预热温度、浸泄系统的真空度及抽真空时间、浸渍罐的预热温度、浸渍时所加压力的大小及加压时间等。
此外，浸渍剂沥青的组分构成、哇琳不溶物含量和流变性能对浸渍效果也有明显的影响。
6、判断题适宜的糊料温度，使糊料具有一定的流动性，使成型种不出或少出裂纹废品。
O正确答案：对7、判断题混捏时间的长短，对混捏质量影响不大。
（）正确答案：错8、问答题挤压废品类型有哪些，其产生的原因是什么？正确答案：（1）裂纹。
裂纹是挤压成型最常见的废品类型，裂纹可分为横向裂纹、纵向裂纹和网状裂纹等。
（2）体积密度不合格。
产生生坯体积密度不合格的原因有：1）糊料中勃结剂用量过大，糊料中骨料颗粒内部颗粒的孔隙没有被勃结剂填满；2）压机压缩比太小，压型时糊料交流程度不够，压机吨位不够：3）预压压力低，预压时间短；4）型嘴温度较高，下料温度较低；5）压型速率较快；6）西甜中颗粒较大并且大颗粒所占比率较大，干料堆积密度低。
炭素工艺学思考题及答案
炭素思考题及答案0-2炭素材料有什么特点。
P3答：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。
而它又有别的材料无法取代的性质：比弹性模量、比强度高，减震率大，生物相容性好和具有自润滑性及中子减速能力。
0-3试述炭素材料在国民经济中的地位。
答：当前，炭素材料已广泛应用于冶金、化工、电子、电器、机械等工业以及核能和航空航天工业，乃至作为人体生理补缀材料。
炭素材料已经成为近代工业中不可缺少的结构材料和功能材料。
1-1.碳的同素异形体在结构上有什么差别？造成性质上各有什么特点？P5-7答：碳有四种晶体，即金刚石，石墨，炔炭和富勒烯。
金刚石是最典型的共价键晶体，每个碳原子通过SP3杂化轨道与相邻的4个碳原子形成共价键；石墨结构是由SP2杂化轨道形成的，呈六角平面网状结构，以平行于基面的方向堆砌；炔炭由SP杂化轨道形成方向相反，交角为180度，2个未参与杂化的2P电子形成π键，生成线性聚合物键；C60的结构为20个正六角环和12个正五角环组成的笼状结构；金刚石具有很高的硬度和很高的熔点，而且是电绝缘体，而石墨呈偏状结构，具有很好的润滑性和导电性，炔炭熔点比石墨高，性质较为稳定，而富勒烯对称度高，比较稳定，不易导电。
1-3.炭素材料的强度有什么特点？P10答：（1）炭素材料的强度具有各向异性，平行于层面方向的强度大，而垂直于层面方向的强度低。
（2）炭素材料的比强度在常温下属于中等，但在2500℃以内，它的比强度随温度升高而增大。
1-4.什么叫自润滑性？为什么石墨具有自润滑性？P13答：自润滑性：由于晶体易于沿晶体层面剥离，在摩擦面上形成极薄的晶体膜，而使摩擦系数显著降低的性质。
原因:主要是因为石墨层之间结合力弱，易于相对滑动的缘故。
当石墨在金属表面形成石墨薄层后，就成为石墨与石墨之间的摩擦。
碳材料浸渍工艺
碳材料浸渍工艺一、引言碳材料是一种重要的工程材料，具有优异的力学性能、化学稳定性和导电性能等特点，在航空航天、人工心脏、新能源等领域得到广泛应用。
而碳材料浸渍工艺是制备高性能碳材料的重要方法之一，本文将对碳材料浸渍工艺进行详细介绍。
二、碳材料浸渍工艺概述碳材料浸渍工艺是指将柔性基体（如纤维布）与预浸渍树脂（如环氧树脂）进行复合，然后经过热处理和炭化等步骤制备出具有高强度和高导电性能的复合碳材料。
该工艺通常包括以下几个步骤：1. 基体表面处理：将基体表面进行清洗、去除油污和尘埃等污染物，以保证基体与预浸渍树脂之间的黏附力。
2. 预浸渍树脂处理：将环氧树脂等预浸渍树脂涂覆在基体上，并通过真空吸取或压实等方式使预浸渍树脂充分浸润基体，以提高基体与树脂之间的黏附力。
3. 热固化处理：将经过涂覆预浸渍树脂的基体放置在烤箱中进行热固化处理，使预浸渍树脂固化成为具有一定强度和硬度的复合材料。
4. 炭化处理：将经过热固化处理的复合材料放置在高温炭化炉中进行炭化处理，使其转变为具有高强度和高导电性能的碳材料。
三、碳材料浸渍工艺的优点1. 可以制备出具有优异力学性能和导电性能的碳材料，适用于航空航天、人工心脏和新能源等领域。
2. 工艺简单易行，生产效率高，可以大规模生产碳材料。
3. 可以灵活地控制碳材料的组织结构和物理性质，以满足不同领域对碳材料性能要求的不同需求。
四、碳材料浸渍工艺的应用1. 航空航天领域：在飞机制造中，碳材料被广泛应用于机身、机翼和尾翼等部件的制造中，以提高飞机的强度和耐久性。
2. 人工心脏领域：碳材料被用于制造人工心脏等医疗器械中，以具有高强度和耐久性，同时具有良好的生物相容性。
3. 新能源领域：碳材料被用于制造太阳能电池板等新能源设备中，以提高设备的光电转换效率和使用寿命。
五、碳材料浸渍工艺存在的问题及解决方案1. 碳材料浸渍工艺中存在黏附力不足、气泡等缺陷问题。
解决方案是加强基体表面处理、优化预浸渍树脂配方、改进真空吸取或压实方式等。
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活性炭物理活化和化学活化的机理。
1 物理活化法及其活化机理物理活化法是将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发生反应,在炭材料内部形成发达的微孔结构。
物理法一般使用水蒸气、二氧化碳、烟道气等作为活化剂。
由于物理活化法在制备过程中不引入化学试剂,其制得的活性炭无需过多的后处理步骤，不像化学活化法制得的活性炭需要除去残留的活化剂，所以用物理活化法制得的活性炭用途较广泛。
物理活化反应的实质是碳的氧化反应。
首先对原料进行炭化,即含碳有机物在热的作用下发生分解,非碳元素以挥发分的形式逸出,制得炭化料;然后将炭化料加热到合适温度并通入活化气体与碳发生活化反应,使炭化料的孔径疏通,进而扩大、发展,形成孔隙发达的微晶结构的活性炭。
生产中炭化温度一般为600℃,活化温度一般在800一1000℃之间。
水蒸气活化的反应方程式为:C+H2O=H2+CO此活化反应为吸热反应,应由外部供热,故多用过热水蒸气,在750一1000℃和隔绝氧的条件下完成,因为氧的存在会使碳烧失,所以用水蒸气活化法制得的活性炭得率较低。
二氧化碳活化反应为:C+CO2=2CO此反应也是吸热反应,反应温度比水蒸气活化还要高,达850一1000℃。
物理活化法具有环境污染小,产品用途广泛等优点。
1.1CO2活化二氧化碳为活化剂时,活化反应的实质是炭的二氧化碳的氧化反应,其反应式为:C+CO2=2CO一170.5KJ反应是吸热反应,反应温度通常在800一1000℃。
因此,二氧化碳作活化剂活化温度一般在800一1000℃之间。
但碳的氧化反应不是在碳的整个表面均匀地进行,而仅仅发生在“活性点”上,即与活化剂亲和力较大的部位才发生反应,如在微晶的边角和有缺陷的位置上的碳原子。
活化反应在活性炭细孔形成过程中有3个作用:①开孔作用:由于加热过程中焦油的挥发与炭化,造成了闭孔,使被吸附分子无法进入孔隙,所以无吸附能力。
活化时,由于这些堵塞物与气体活化剂反应而被除去,使闭孔打开,孔隙结构变得丰富。
②扩孔作用:由于孔隙内一部分与活化剂反应生成二氧化碳气体排出,使原有的孔隙直径增大。
③某些结构经选择性活化而生成新孔。
1.2水蒸气活化碳与水蒸气的活化反应实际上就碳与水的反应,是一吸热反应,反应式为: C+H20=H2+CO一129.77KJ水蒸气过量时的反应式为:C+2H2O→2H2+CO2一75.35KJ反应机理如下:C+2H2O↔C（H2O）C（H2O）→H2+C（O）C(O)→CO括号表示化合物与炭表面相结合,可能处于吸附状态"反应速度随着温度的升高而加快,所以温度升高,活性炭的烧失就会增加。
水蒸气与炭化料进行活化反应的过程可基本分为五步:第一步,气相中的活化剂(水蒸气)向颗粒炭表面扩散;第二步,活化剂由颗粒表面通过孔隙向内部扩散;第三步,活化剂(水蒸气)与碳发生反应,并生成气体,反应式如上述;第四步,反应生成的气体由内部向颗粒表面扩散;第五步,反应生成的气体不断从表面扩散到气体空间。
活化的速度取决于气体扩散和化学反应中最慢的那个速度。
活化反应应该在颗粒内部均匀进行,因此希望颗粒内部的气体浓度一致。
因为如果活化温度过高,反应速度过快,颗粒内部达到气体浓度赶不上化学反应速度,产生活化气体梯度,从而不能均匀地进行活化反应"因此,通常情况都是水蒸气过量。
碳与水蒸气的反应不是在炭的表面均匀的进行,而是选择性的进行。
通常认为,碳与水蒸气的反应仅仅发生在“活性点”上,即水蒸气与亲和力较大的炭发生反应。
水蒸汽活化法因其无污染操作简单等优势，在实际生产中受到重视; 但是其缺点也很明显，制得的活性炭比表面积不够大，活化温度要求也较高。
2.化学活化法及其活化机理化学活化法是指把化学试剂加入原料中,在惰性气体或氮气介质中进行热处理,氢和氧有选择地或完全从含碳材料中清除,与此同时进行炭化和活化的一种方法。
常用的化学活化试剂有氯化锌、磷酸、氢氧化钾、碳酸钾等。
2.1氯化锌活化机理氯化锌在浸溃及其活化过程中与物料的作用机理为:①氯化锌对植物原料中的纤维素起润胀、胶溶以致溶解作用,药液渗透到原料内部,溶解纤维素而形成孔隙。
②氯化锌在高温下具有催化脱水作用,使原料中的氢、氧原子以水的形式分离出来,使更多的碳保留在原料中,提高了活性炭的得率。
用氯化锌作活化剂,能降低活化温度,活化时产生的焦油颜色明显变浅,这说明木屑的活化过程与通常的热解反应有所不同。
③氯化锌在炭化时能起骨架作用,即它们在原料被炭化时给新生的碳提供一个骨架,让碳沉积在它的上面。
新生的碳具有初生的键,有吸附力,能使碳与氯化锌等锌化物结合在一起。
当用酸和水把氯化锌等无机成分溶解洗净之后,碳的表面便暴露出来,成为具有吸附力的活性炭内表面积。
这种作用最明显的体现是:活性炭的孔隙总容积随锌屑比的变化而呈规律性的变化。
而且当锌屑比大时,可以制得过渡孔较发达的活性炭,锌屑比小时,又可制得微孔较发达的活性炭。
当温度太高,超过600℃时,氯化锌不起活化剂的作用,且因为热收缩使活性炭表面积和孔容减小。
2.2 碳酸钾活化机理碳酸钾活化反应得主要反应有:K2CO3+2C→2K+COK2CO3→K2O+CO2K2O+C→2K+CO通常认为碳酸钾与碳反应形成钾和一氧化碳时,会消耗掉部分的碳,从而形成一些孔隙。
在碳酸钾分解为氧化钾和二氧化碳的分解反应,也有助于孔的形成;分解生成的氧化钾与碳反应钾和一氧化碳时,也会有助于形成更多的孔隙,使孔隙结构变得更为发达。
同时,当活化温度超过钾的沸点762℃时,钾会变成蒸汽,并扩散进入碳层,促进孔的形成和扩展。
由于钾离子较小,故炭内形成的孔以微孔为主。
2.3 KOH活化机理KOH活化制备活性炭具有微孔分布集中孔隙结构方便控制等优点，主要用于生产较高比表面积的活性炭( 3000 m2/g以上) 。
KOH活化反应温度一般在700～900℃，其操作流程如图所示：El－Hendawy用玉米秸秆为原料研究了KOH的活化反应机理他认为，KOH首先将纤维素、半纤维素和木质素脱水，再经历破坏部分聚合和变形;然后热解时通过芳构化将木质纤维素变成碳，其间生成的一些焦油及钾会自发地与碳反应而使碳材料内部形成发达的孔隙; 最后CO2与K2O反应生成K2CO3反应式如下: Ligno. +KOH→Ligno. K2O+H2O( l)Ligno. +H2O →Char. C+H2O( g) +TarC+H2O( g)→CO+H2CO+H2O( g)→H2 +CO2K2O+H2 +CO2 +Char,C→K2CO3 +K+Char活化过程中可能存在KOH脱水、水煤气及水煤气转化反应、氢气还原与碳还原反应等。
2.4 H3PO4活化机理磷酸活化法活化温度一般较低，400～500℃即可，并且能够得到具有丰富中孔结构的活性炭另外，制得的活性炭产品酸性较强，表面含有较多的含氧基团，这在废水废气的处理中很具优势。
关于磷酸的活化机理，主要有：①磷酸在生物质炭前驱体中分散，活化后将磷酸洗出即在活性炭中留下孔隙；②由于磷酸的催化降解作用，使生物质炭前躯体低分子化，并以气体形式逸出留下孔隙。
Jagtoyen等认为在活化前的浸渍过程中，磷酸一旦与木质纤维素混合就开始反应，并且先与半纤维素和木质素反应。
可能是因为像半纤维素和木质素这些无定型聚合物比纤维素更容易接近。
随着活化过程中温度的升高，逐渐有CO、CO2 和CH4 生成。
CO和CO2 的生成可能是因为原料中酯类和羧酸中的羰基C O断裂造成的。
CH4 的生成说明脂肪族侧链的断裂相对温和并且有一定的芳香性。
他们最后得出结论，磷酸可以通过环化和缩合作用促进键断裂和链交联，并生成多磷酸盐来连接木质纤维素解聚后生成的小分子。
磷酸活化法的优势在于其活化温度低，成本低，制得的活性炭具有发达的孔隙。
但目前对其孔隙结构的形成机理还了解不够，致使生产过程多依靠经验，产品质量不够稳定。
活性炭在气相、液相催化中的应用。
1.气相吸附中的应用①即效性空气净化滤器用炭作为填充的活性炭既要求压力损失小, 又要求吸附气体速度快, 且更换方便。
固定型过滤薄板是一种在具有通气性能的发泡材料及网之类定型支承物上, 黏接固定了活性炭而制成的过滤材料。
活性炭可以添加多种化学吸附剂制成复合材料, 可以根据需要赋予各种化学吸附性能。
②电厂排烟脱硫用负载型活性炭活性炭负载Co 、Ni 、Mg 和V的化合物后脱除S O 2。
该方法将金属离子通过离子交换或络合方式引入到木质或煤表面, 然后对其进行炭活化。
将普通活性炭放入以碳酸钠为主( 含N a 2C O 9 %) 的复合溶液中制成的改性活性炭对H 2S 的吸附具有良好的选择性。
3③油汽回收专用活性炭为解决汽车排出的废气对城市的污染, 以及回收大量挥发的汽油, 节约能源, 开发了高效吸附和脱附油汽的特种活性炭。
④活性炭吸附解吸高档溶剂回收系统活性炭表面一般为非极性, 对非极性有机物质有很强的亲和性。
活性炭相对比较廉价, 所以活性炭在有机溶剂的吸附中被广泛应用。
⑤空气分离富氧用活性炭利用化学蒸气沉积( C V D ) 调节孔径, 制成活性炭的孔径分布窄而均匀的具有分子筛性能的炭分子筛, 通过变压变温吸附解吸装置, 对空气中的氧气、氮气进行分离富集, 得到高纯度气体。
2液相吸附应用①移动式水处理系统活性炭水处理系统向着小型化, 更新便捷方向发展。
Calgon 公司研发的C y c l e s o r b ＆r e g H P 是一种结构紧凑的全不锈钢饮用水处理设备, 包括大规模活性炭吸附系统中的所有必要部件。
内装近1 t粒状活性炭, 最大可处理流量0. 27 m3/ m i n 。
当处理完毕, 用户可将C y c l e s o r b ＆r e g H P 作为运输方便的容器运回卡尔冈炭素公司, 对使用后的活性炭安全地进行再生。
②重油的脱色除臭重油、柴油在生产过程中因氧化而变色, 一般为红色或咖啡色, 影响了油品的商业价值, 经过专用活性炭脱色处理后, 其燃油可达到国家标准色度( 3. 5) 以内。
同时可用于含硫量超标的汽/柴油, 经过处理的汽/柴油的含硫量达到国标要求, 恶臭味彻底去掉。
③金属离子的吸附对于水中无机重金属离子具有一定的选择吸附能力。
如对于A g+、P d2+、C d2 +、C r O4-等离子的吸附率可达8 5 %以上。
该产品通过催化活化技术制备，是微孔发达、强度高的高档贵金属回收用活性炭, 具有堆积密度高, 吸/脱附速度快等特点。
海水中有多种贵金属和稀有金属, 进行精选利用可产生非常可观的经济利润, 如利用活性炭和氢氧化铝、氢氧化铁混合物共同沉淀可以从海水中分离铀。
3作为催化剂和催化剂载体的应用有催化活性的金属和金属氧化物是由于其活性中心的存在, 而活性中心多半是由于结晶的缺陷而存在。