石墨材料材料加工制备

——90wt%,900C; 99wt%,1300C

碳收率(Carbon Yield): 炭化后残余碳含量与炭化前原料质量之比
炭化过程示意图
热聚反应
中间相
液相炭化


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原料：沥青、重质油等 通常≤500 ℃进行 出现以缩聚稠环芳香烃结构为主体的液晶状态，即中间相 （mesophase）

是一种有序结构，炭化学叫中间相，实际是液晶
天然鳞片石墨的提纯

化学提纯：

酸法：在反应釜中与HCl, HF, HCl+HF反应（一定温度下），再水 洗干燥筛分包装(99.8%)

HF是一个祸害，对环境污染很厉害，对人危害也很大，剧毒

碱法：中碳石墨 熔融烧碱 水洗 盐酸中和 水洗 干燥筛 分包装(99.9%)

高温提纯：卤素气体，高温下通入卤素气体与石墨中的灰份反应
炭质中间相形成的“颗粒单元基本构筑”理论
炭质中间相形成的BGBU过程
石墨化(Graphitization)



由碳向有序排列的石墨结构转变。高于2500C。 晶体尺度（Crystallite size Lc）：由5nm（碳）增加到100nm以上。 面间距(Interlayer spacing d)：由0.344nm以上（未完全石墨化）降到 0.3354nm（理想单晶石墨）。 实际上人工炭达不到0.3354nm

石墨化度G: (0.344-d002)/(0.344-0.3354)
Formation of graphitic regularity
Homogeneous graphitization
Heterogeneous graphitizatio
石墨化机理
l l l l l 消除层面内和层面间的缺陷 晶体逐渐长大 消除交叉键 ABAB密排结构形成 碳环和单原子移动来填充空位和消除位错
第一章 碳材料的制备

天然碳材料 天然石墨的类型 提纯 改性 人工碳材料 原料 碳化（气、液、固） 中间相 石墨化

天然石墨的种类
晶质石墨：致密晶质石墨 (Vein, >0.5mm)，鳞片石墨 (Flake, 1m0.5mm)。碳在石头里过饱和析出，含碳量超过每吨30kg, 就有开采价 值


隐晶质石墨：土状石墨(Amorphous, microcrystalline, <1um)。 天然鳞片石墨的开采：石墨亲油疏水 采矿粉碎 浮选电选 重选水洗 干燥包装（中碳石墨,80-
94%）
Crystal unit > 1µm <1µm
Flake graphite
Microcrystalline graphite （晶粒很细）
（99.99%），加热到2500°C以上
天然鳞片石墨的提纯(二）
物理提纯：


石墨在4500C以上升华，将石墨在石墨炉中加热到3000C以上， 低沸点灰份蒸发去(99%)
天然石墨的改性

粉体颗粒改性 球形化 表面氧化 表面包覆 插层
人工炭材料
碳黑用作橡胶的增强剂
人工炭材料的原料

各种富碳的有机物 动植物（木、竹、骨等） 煤 油 气 树脂
炭化(Carbonization)

原料在还原性或惰性气氛中缓慢加热，有机物分解成残余碳和挥发性 化合物，几种反应同时发生： ——脱氢反应，凝聚反应，同素异质转变。
——热解，热聚（链变成环（芳香环））

残余碳含量与原料种类和热解温度有关

产品：针状焦、MCMB（中间相碳微球）
炭质中间相的形态
图1炭质中间相的典型聚芳烃分子模型. (a) 煤系中间相沥青分子[1]; (b) 石油系中 间相沥青分子[2]; (c) 萘系中间相沥青分子[3]
萘系即卫生球
[1] Zimmer JE, White JL. Disclination structure in carbonaceous mesophase and graphite. Aerospace report, 1976: 1-5 [2] Fitzer E. Carbon fibers and their composites. New York: Springer-Verlag, 1985 [3] Mochida I, Shimizu K, Korai Y, et al. Preparation of mesophase pitch from aromatic hydrocarbons by the aid of HF/BF3. Carbon, 1990, 28(2): 311-319