沥青中间相炭材料的形成及其微结构与缺陷的研究

发布时间：2020-04-20 04:38

【摘要】：中间相沥青作为制备多种高级炭材料的优质前驱体,广泛应用于高科技领域,其品质在很大程度上决定了中间相炭材料最终产品的性能,因此研究中间相炭材料的形成及其结构(包括微结构与缺陷)具有十分重要的意义。本文以石油沥青为原料,采用多种定制设备,包括高温离心机及高温高压反应器,研制不同结构类型的中间相沥青样品。并在此基础上通过高分辨扫描电镜,偏光显微镜辅以先进的数码成像和分析技术等手段重点研究了中间相小球间的连接部分以及不同融并状态下沥青中间相的微结构,并在探讨中间相小球在高温离心状态下融并规律的同时,对沥青中间相形成的可石墨化炭材料的微结构及其缺陷做了系统的研究。本文的研究内容和主要结论按章节分为:1)中间相小球的分离及不同光学组织结构中间相沥青的制备研究:以含有中间相小球的石油沥青为原料,采用高温离心技术在不同的操作条件下进行分离,探讨了沥青中间相的分离效果以及离心力,温度等参数对中间相小球的分离,接触,融并等行为的影响。研究表明,通过高温离心技术可以有效地将中间相沥青与各向同性沥青分离,同时在较低的温度区间(220~320℃),可制得连接状态不同的中间相小球连接体。在较高温度和较强的离心力(T≥320℃,F≥50G)的条件下,能够容易获得中间相含量较高(95%以上)且组织结构相对均匀的中间相沥青。另外,以320℃离心得到的镶嵌型中间相沥青为原料,经不同时间和温度的恒温处理后可以得到不同结构类型的中间相沥青样品,包括镶嵌型,广域型,粗流线型,细流线型等,为后面研究沥青中间相的缺陷及微结构提供有价值的样品。此外,探讨了不同热处理条件对最终中间相沥青结构的影响,即,低温长时间(300℃,480min)处理可获得中间相含量100%,软化点较低且结构均匀的广域型中间相沥青;高温较短时间(400℃,120min)处理可得到中间相含量100%,软化点较低的结构均匀的粗流线型中间相沥青;高温长时间(400℃,480min)得到软化点较高的细流线型中间相沥青。最后针对上面得到的不同组织结构的中间相沥青的物性,包括软化点,热稳定性,溶解性进行了分析表征,探讨其内在规律,比如:热稳定性的顺序是:细流线型粗流线型广域型镶嵌型。2)中间相小球连接体相关的微结构:较低的离心温度下(220℃,50G)制得的中间相小球连接状态不同的沥青样品,通过溶剂抽提、预氧化、炭化处理,在高分辨扫描电镜下高倍观察其结构特点。研究发现,此方法能够清晰地观察到中间相炭材料样品的碳层结构(包括单层结构)。B-T型中间相小球在刚开始接触时会以“层层对接”的方式初步连接,若在小球之间的连接点的位置随机的情况下,连接角度可以是锐角,直角,钝角,或是平行,但是相邻两球的极轴以及连接点很多情况下会在同一个平面上。此外,进一步采用光学显微镜在四种不同的模式(第4章)下,通过动态原位观察中间相小球消光纹形状(或颜色)的变化规律,进一步分析了中间相小球的缺陷结构。研究表明,B-T型中间相小球可以被看作O-O复合结构(第4章),B-T型小球的极点位置对应于O型缺陷的中心,因此提出了确定了B-T型中间相小球的碳层取向的另一种方法。3)沥青中间相炭材料的微结构的研究:采用高分辨扫描电镜对不同融并状态的中间相炭材料的碳层结构特点进行了详细观察与分析。研究发现:中间相小球在刚接触时,由于连接的角度、空间位置以及周围小球数目不同而形成各种的结构缺陷;主要缺陷包括有数种旋错,连接状态不同的炭层错位,弯曲程度不同的碳层“褶皱”,以及碳层内部和碳层之间出现的不同程度的“撕裂”、裂缝和空隙;最终文中提出模型示意描述B-T型中间相小球形成中间相沥青的融并过程。4)中间相内部缺陷的光学显微研究:最后针对在扫描电镜直接观察已知碳层结构的基础上,采用偏光显微镜结合先进数码成像技术,进一步从光学显微角度系统地研究了四种不同光学组织的中间相沥青材料。研究发现,沥青中间相中U/Y复合结构(第6章)作为缺陷普遍存在,并且不同光学组织中U/Y复合结构呈现的状态各不相同,体现在形状、大小、方向和位置等方面。通过一系列观察确认,光学显微镜中显示的同色区(Isochromatic area/Domain)基本是由Y型和U型节点交替相连而形成的封闭区域,即仅通过对偏光显微组织的认识,可以比较准确快速地确定区域附近沥青中间相的缺陷和碳层结构。
【图文】：

然后再采用炭化或石墨化的高温处理而形成不同性质的可石墨化的炭材料，其形成过程大致可以分为两个阶段：1）沥青分子→中间相沥青，此阶段的过程可以通过图 1.2 的模型来示意，此过程又包括四个阶段：沥青分子→中间相小球（中间相复球体）→体中间相→半焦；对于沥青中间相炭材料最终结构的形成细节，此模型的描述是比较粗糙的。尤其是中间相小球相互之间的连接和融并所产生的微结构、缺陷等细节知之甚少，有关文献的报道也非常有限，人们通常是通过偏光显微镜的观察间接进行推测。

图 1.2 中间相形成和发展的示意图[80]2）中间相沥青→中间相炭材料，此阶段可以通过图 1.3 的模型来示意，中间相料经过不同温度（1100-2500℃）的炭化或石墨化热处理过程，芳烃平面分子的型也没有详细地显示中间相沥青形成炭材料的过程中所产生的碳层结构及其缺献上看到的研究也非常有限，本研究将重点关注此阶段，即从中间相小球开始
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 韩显晖;消除异戌醇萃取铼过程中产生的“中间相”试验[J];稀有金属合金加工;1976年03期

2 王俊明;;综述沥青中间相的热力学和动力学研究——兼论中间相理论的实际应用[J];新型碳材料;1986年01期

3 K.Behrenbeck;栾吉刚;;由中间相制造全基质炭的改良工艺[J];新型碳材料;1990年01期

4 单长春,刘春法,张家埭;精制沥青中间相热转化的研究[J];燃料与化工;2004年05期

5 李同起;王成扬;胡子君;王俊山;;影响炭质中间相形成和发展的因素——Ⅱ.添加剂和外加场[J];炭素技术;2007年02期

6 常云峰,李柏龄,钱树安;中间相的分子结构[J];碳素;1986年03期

7 王茂章;;可溶性中间相[J];炭素技术;1988年01期

8 Hidemasa Honda;王剑锋;;炭质中间相的历史和展望[J];煤炭转化;1991年04期

9 K、J、Huttinger;树安;;液相热解(中间相生成)时不同金属表面上焦的沉积[J];新型碳材料;1991年01期

10 李生华,梁文杰,朱亚杰;碳质中间相研究的进展 Ⅲ 碳质中间相的研究方法[J];碳素;1993年04期

相关会议论文 前10条

1 李同起;王成扬;;炭质中间相形成过程研究[A];2004年材料科学与工程新进展[C];2004年

2 李同起;王成扬;;炭质中间相形成过程研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年

3 张晓林;王成扬;马铁;;中间相沥青基锂离子电池负极材料的制备及性能[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年

4 王茂华;浦琦伟;姚超;;中间相碳微球(MCMB)复合材料的液相烧结制备及性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第2分册）[C];2010年

5 李同起;王俊山;胡子君;王成扬;;均相成核和非均相成核碳质中间相的异同[A];第20届炭—石墨材料学术会论文集[C];2006年

6 崔小浩;李生华;宋怀河;金元生;;摩擦过程中载荷对中间相碳微球结构转化的影响[A];第七届全国摩擦学大会会议论文集（一）[C];2002年

7 黄银;陈航;冯雪;;基于微结构调控的可拉伸波状硅[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

8 宋永忠;翟更太;史景利;郭全贵;刘朗;;中间相沥青制备高密高强炭石墨材料[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集（上册）[C];2008年

9 王广军;杨小鸿;韩筱玉;;进行性肌营养不良12例亚微结构改变[A];第四次全国电子显微学会议论文摘要集[C];1986年

10 李小燕;蔡江涛;刘国阳;张亚婷;邱介山;周安宁;;氮磷共掺杂介孔-微孔炭材料的制备及其电容性能研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第27分会：多孔功能材料[C];2014年

相关重要报纸文章 前4条

1 宋莹　姚大捚　陈晓春;南京微结构国家实验室建设正式启动[N];新华日报;2005年

2 记者 沈朝晖　通讯员 吴俊;中科院煤化所与我市民企组建炭材料研发中心[N];宁波日报;2010年

3 本报记者 曹继军　颜维琦 本报通讯员 朱璎;听“碳时代”的脚步声越来越近[N];光明日报;2011年

4 百川;山西煤化所两成果获省科技奖[N];中国化工报;2013年

相关博士学位论文 前10条

1 陈雷;沥青中间相炭材料的形成及其微结构与缺陷的研究[D];湖南大学;2018年

2 田誉娇;中间相小球体源质分离及碳质中间相制备与应用[D];中国矿业大学;2013年

3 李同起;碳质中间相结构的形成及其相关材料的应用研究[D];天津大学;2005年

4 杨亦双;中间相炭材料的制备及其电化学性能研究[D];天津大学;2011年

5 黄金国;微结构表面红外热辐射特性调控方法研究[D];南京理工大学;2015年

6 刘高阳;水电解电催化材料合成、微结构调控及性能研究[D];北京科技大学;2016年

7 毕宴钢;有机电致发光器件的微结构电极研究[D];吉林大学;2016年

8 侯俊杰;大豆蛋白—甜菜果胶相互作用及其对食品微结构及感官性质影响的研究[D];华南理工大学;2016年

9 董亭亭;仿生蛾眼抗反射微结构光学机理研究[D];长春理工大学;2016年

10 姜辉;金属—塑料复合式微结构散热器换热机理的研究[D];北京化工大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 王洁;导线焊点界面中间相中的空洞生长问题模拟和分析[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 董亚威;石油沥青对煤沥青碳化过程中间相及焦结构影响研究[D];太原理工大学;2016年

3 李太平;炭质中间相生长和成焦过程中的形貌与结构研究[D];天津大学;2004年

4 梁志勇;炭质中间相的形成与应用研究[D];长沙理工大学;2011年

5 李春艳;中间相碳微球的制备与研究[D];长沙理工大学;2013年

6 王连星;中间相有序组装对块体炭材料导热性能的影响[D];华东理工大学;2012年

7 周洁;生物质衍生碳质中间相的形成机理研究[D];上海交通大学;2007年

8 张海琦;以软沥青为原料制备有序性中间相焦的研究[D];上海师范大学;2007年

9 孙培山;煤焦油预处理及电场和压力对炭化过程中间相结构的影响[D];太原理工大学;2011年

10 喻欣;SBS改件沥青用中间相的制备及性能研究[D];西安理工大学;2017年

，

本文编号：2634163