《碳质中间相理论与应用》是著者及其研究团队三十多年来在碳质中间相理论与应用研究方面部分工作的总结。主要内容包括：稠环芳烃的液相炭化理论、碳质中间相的形成机理、中间相沥青基炭材料的可控制备等。《碳质中间相理论与应用》从稠环芳烃液相炭化的物理化学角度系统阐述了均相成核和非均相成核碳质中间相的形成和形态发展规律，提出了碳质中间相形成和形态发展的"颗粒基本单元构筑"理论，完善了沿用已久的由国外学者提出的传统理论对中间相结构形成过程的解释。
《碳质中间相理论与应用》可供从事炭素材料研究、制造与应用工作的科学技术人员参考，也可作为高等院校相关专业本科生、研究生的教学参考书。
目录
序言
前言
第1章绪论1
1.1碳质中间相的定义1
1.2原料2
1.2.1沥青2
1.2.2重质油16
1.2.3焦油19
1.3热解反应28
1.3.1稠环芳烃的化学结构本性29
1.3.2稠环芳烃的中温液相热解41
1.4中间相现象56
1.4.1中间相现象的发现56
1.4.2中间相现象的分类57
1.4.3中间相现象的本性64
1.5中间相的科学意义和应用领域67
1.5.1碳质中间相的特殊性67
1.5.2碳质中间相的研究方向68
1.5.3碳质中间相的研究历程68
1.5.4碳质中间相的结构与其产品性能的关联69
1.5.5碳质中间相的应用领域69
参考文献73
第2章碳质中间相生成理论81
2.1中间相炭微球81
2.1.1中间相炭微球的研究发展81
2.1.2中间相炭微球的制备方法82
2.1.3影响中间相炭微球形成的因素85
2.1.4中间相炭微球结构的表征方法94
2.1.5中间相炭微球的形成过程102
2.1.6添加剂对中间相炭微球形成过程的影响115
2.1.7中间相炭微球形成过程中的超细碳质颗粒160
2.2体形碳质中间相(中间相沥青)167
2.2.1体形中间相的研究现状167
2.2.2体形中间相织构的分类167
2.2.3体形中间相的结构特征169
2.2.4不同后处理方式体形中间相沥青的结构特征172
2.2.5中间相沥青基炭材料的结构调控185
2.3碳质中间相形成理论188
2.3.1碳质中间相分子的结构特征189
2.3.2碳质中间相微球的结构特征190
2.3.3碳质中间相的形成机理192
2.4"颗粒基本单元构筑"理论的应用201
2.4.1碳质中间相形成和发展的预测201
2.4.2原料沥青中喹啉不溶物对中间相形成和发展作用的解释208
2.4.3中间相炭微球表面颗粒或粒状突起的解释208
2.4.4碳质中间相基超高比表面积活性炭的可控制备209
2.4.5中间相炭材料多元化储锂模型的构建210
参考文献211
第3章中间相沥青炭纤维222
3.1炭纤维发展概况222
3.2可纺中间相沥青224
3.2.1中间相沥青的几种典型制备方法224
3.2.2可纺中间相沥青制备的基本过程230
3.2.3可纺中间相沥青的有效制备途径232
3.2.4可纺中间相沥青的制备及其性能表征232
3.3中间相沥青的熔融纺丝239
3.3.1熔融纺丝工艺239
3.3.2纺丝工艺参数的选取248
3.3.3喷丝板的设计252
3.3.4中间相沥青纤维的纺制及其表征256
3.4中间相沥青纤维的后处理271
3.4.1不熔化处理271
3.4.2炭化处理277
3.4.3纤维微观结构与力学性能的表征280
3.4.4不熔化条件对中间相沥青炭纤维力学性能的影响281
3.5异形中间相沥青纤维的后处理和所获炭纤维的力学性能285
3.5.1异形中间相沥青纤维的不熔化和炭化285
3.5.2异形中间相沥青纤维的力学性能285
3.6影响异形中间相沥青炭纤维力学性能的因素286
3.6.1异形中间相沥青纤维的特征尺寸286
3.6.2异形中间相沥青纤维的分子取向度288
3.6.3异形中间相沥青炭纤维的微观结构288
3.6.4中间相沥青中空炭纤维的力学性能分析293
参考文献295
第4章中间相炭微球302
4.1中间相炭微球的生长302
4.1.1原料选择302
4.1.2生长工艺303
4.2中间相炭微球的分离305
4.2.1溶剂分离法305
4.2.2离心分离法305
4.2.3热过滤分离法306
4.2.4超临界热萃取法306
4.2.5溶剂 离心联合分离法307
4.3中间相炭微球的炭化和石墨化307
4.4工业中间相炭微球的结构特征308
4.4.1中低温炭化中间相炭微球的结构特征308
4.4.2石墨化中间相炭微球的结构特征333
4.5中间相炭微球结构特征的调控339
4.5.1影响中间相炭微球结构特征的因素339
4.5.2中间相炭微球结构特征的调控手段341
参考文献341
第5章中间相沥青基泡沫炭346
5.1中间相沥青基泡沫炭的研究进展346
5.2中间相沥青基泡沫炭的制备348
5.2.1发泡用中间相沥青348
5.2.2中间相沥青基泡沫炭生料的制备350
5.2.3中间相沥青基泡沫炭生料的炭化与石墨化355
5.3中间相沥青基泡沫炭的表征357
5.3.1孔泡形貌与结构357
5.3.2密度和孔隙率357
5.4中间相沥青基泡沫炭的性质358
5.4.1中间相沥青性能对泡沫炭性能的影响358
5.4.2发泡压力对中间相沥青基泡沫炭性能的影响370
5.4.3发泡温度对中间相沥青基泡沫炭性能的影响375
5.5限定尺寸法制备中间相沥青基泡沫炭377
5.5.1限定尺寸发泡法377
5.5.2限定尺寸法制备中间相沥青基泡沫炭的工艺378
5.5.3不同处理阶段限定尺寸法中间相沥青基泡沫体的形貌379
5.5.4限定尺寸法中间相沥青基泡沫炭的孔泡结构特征382
5.6中间相沥青基泡沫炭微裂纹的控制384
5.6.1泡沫炭微裂纹的结构及其形成机制384
5.6.2泡沫炭微裂纹的控制386
5.7中间相沥青基泡沫炭孔泡的生长过程397
5.7.1中间相沥青孔泡的初生点及其发育生长398
5.7.2中间相沥青孔泡的生长方向与孔泡的形貌399
5.7.3中间相沥青的自发泡历程及其生长机理401
参考文献403
第6章针状焦408
6.1针状焦的发展历程408
6.2针状焦制备的理论基础410
6.2.1中间相成焦理论411
6.2.2气流拉焦工艺411
6.2.3针状焦组织形态411
6.3针状焦的原料与种类413
6.3.1针状焦的原料及要求413
6.3.2针状焦的分类414
6.4针状焦的制备工艺414
6.4.1原料预处理414
6.4.2焦化417
6.4.3煅烧420
6.5针状焦的主要性能指标426
6.5.1真实密度426
6.5.2热膨胀系数427
6.5.3机械强度427
6.5.4电阻率427
6.5.5抗氧化性428
6.5.6几种典型针状焦的性能指标428
6.6针状焦的可控制备428
6.6.1原料的基本性质429
6.6.2工艺与装置429
6.6.3单一原料体系针状焦的制备431
6.6.4混配体系针状焦的制备434
参考文献438
第1章绪论
炭是人类早利用的能源之一，作为主要燃料，自人类发明了取火后就与炭结下了不解之缘。碳元素作为与人类密切相关、重要的元素之一，一直是各国学者研究的热点。随着科学的发展，人们发现了炭材料的许多新奇特性，如优良的耐热性能、高导热系数、良好的化学惰性、高电导率等，使其在航空航天、能源、环保、医疗、电子、化工、冶金、机械等诸多领域体现出越来越重要的作用。
碳质中间相是一类重要的炭材料前驱体，其结构决定了所制备中间相炭材料的几乎所有性质，是影响其具体性能和终应用的关键因素之一。因此，控制碳质中间相形成和形态发展及其向炭材料转化过程中的结构发展具有十分重要的科学意义。
1.1碳质中间相的定义
国际理论和应用化学联合会(IUPAC)在Compendium of Chemical Terminology(第二版)中对碳质中间相作了如下描述：
碳质中间相是沥青的一种液晶状态，呈现盘状向列型液晶的双折射特性。它可以由各向同性的沥青热解生成，也可以通过沉降选择性萃取的沥青分级获得。一般说来，从热解沥青中沉淀出来的球形中间相具有Brooks-Taylor型结构。通过持续热处理，碳质中间相融并成体中间相，然后随着氢和低相对分子质量物质的进一步逸出，形成生焦。
由IUPAC对碳质中间相的描述，可以得出有关碳质中间相的以下信息：
(1) 碳质中间相是一种由盘状分子构成的向列型液晶物质；
(2) 碳质中间相可以通过热处理从沥青中获得；
(3) 根据碳质中间相的形态可以分为球形中间相和体中间相；
(4) 球形中间相一般具有Brooks-Taylor型结构。
随着碳质中间相研究的深入，IUPAC的描述已不能地定义碳质中间相，其原因如下：
(1) 制备碳质中间相的原料已不限于沥青，还可以为重质油，甚至是化合物，如萘、甲基萘、喹啉、异喹啉等［1-5］。
(2) 通过调整原料组分、添加固体物质或控制反应条件，球形碳质中间相的结构也可以为"洋葱"型［6］、"同心圆"型［7］、"第四种结构"型［8］和"非定义"复杂结构［9-12］等。
(3) 构成碳质中间相的分子也可以不是圆盘状，如萘系中间相沥青分子为棒状分子［13］。
(4) 此描述没有把碳质中间相和其他液晶区分开来。
结合碳质中间相的各种性质，可以把它大致描述为：碳质中间相是重质芳香烃类物质在热处理过程中生成的一种由圆盘状或棒状分子构成的向列型液晶物质，虽然在一些特殊的情况下中间相可以具有某种程度的热可逆性质，但由于中间相分子热缩聚的不可逆性，形成的碳质中间相往往不具有热可逆性质(即不是热致液晶)；虽然在沥青形成过程中不同大小的芳香分子之间的相互溶解造成了碳质中间相在一定程度上具有溶致性质，但它也不是传统意义上的溶致液晶物质。碳质中间相的形态可以分为可具有多种结构的球形中间相、体中间相和介于它们中间的过渡状态。
1.2原料
由于碳质中间相基本上由大芳香平面分子堆积而成，这就要求其制备原料含有或易于生成相当数量的芳香平面大分子。按照液相炭化理论，各种烃类化合物按照液相炭化的难易程度从难到易的顺序依次为烷烃、烯烃、芳烃和多环芳烃。因此，制备碳质中间相的原料多为含有多环芳烃重质成分的烃类，如煤系或石油系沥青、重质油等。目前，已用于制备碳质中间相的工业或实验原料主要有煤沥青、石油沥青、萘沥青、重质油、焦油或它们的组合等。
1.2.1沥青
1. 煤焦油沥青
煤焦油沥青简称煤沥青，是煤焦油蒸馏提取馏分(如轻油、酚油、萘油、洗油和蒽油等)后的残留物。亦即，煤沥青是焦油蒸馏后残留在蒸馏釜内的黑色物质，与煤焦油同属炼焦的副产品。
煤沥青常温下为黑色固体，呈玻璃相，无固定的熔点，只有从固态转化为过渡态的温度范围，通常用软化点表示。根据软化点的高低，煤沥青分为低温煤沥青(软沥青)、中温煤沥青(普通沥青)、高温煤沥青(硬沥青)。各种煤沥青因软化点等的差异，以致其性质不同、用途各异。
低温煤沥青主要用作筑路材料、加工防水油毡纸、建筑用防水涂料、生产沥青漆(如沥青环氧树脂漆)、干电池的密封材料等；也是生产沥青焦的原料，经过特殊处理后可作为生产针状焦、沥青基炭纤维等的原料。
中温煤沥青是制备碳质中间相及其系列新型炭材料(如中间相炭微球、针状焦、沥青炭纤维、泡沫炭等)的主要原料之一；并可作为炭材料生产用黏结剂和浸渍剂，如生产石墨电极、冶金炉用和铝电解槽用炭块、电解铝用预焙阳极和阳极糊以及冶炼铁合金、电石所需电极糊等。
高温沥青可作为生产沥青焦或活性炭的原料，并用作各种高性能炭材料，如高功率和超高功率石墨电极、品质预焙阳极和炭块、高密高强石墨、耐磨炭材料、高温模压炭砖以及微孔炭砖等的黏结剂。
煤沥青的性质及组成与原料煤的性质、炼焦的工艺条件、焦油蒸馏条件及沥青的生产工艺等有关［13-16］。
组成煤沥青的主要化学元素是碳和氢，其中碳的质量分数大于90%，氢的质量分数一般不超过5%。C/H原子比高于1.6。煤沥青中碳和氢的组分比例直接影响其物理性能和化学性质。
表1-1是我国、苏联和日本煤沥青的质量指标。
表1-1煤沥青的质量指标［13］
表1-2列出了几个国家煤沥青的元素组成。
表1-2煤沥青的元素组成［13］
表1-3中温煤沥青的化学组成和结构［13］
