低煤级煤的石墨化研究:芳香结构演化特征

摘要

石墨因其特殊属性及结构赋予的优越性能而被应用广泛。煤炭是碳的富集物,在制备石墨等碳材料方面颇具潜力。以低变质程度且富惰质体的榆家梁煤(YJL5)为研究对象,对其进行高温热处理,对不同温度下样品进行X-射线衍射(XRD)测试及扫描电子显微镜(SEM)表征,以探讨在热处理过程中的芳香结构演化规律及形貌特征,揭示低煤级富惰质体煤芳香结构向石墨结构演化的轨迹及规律,并分析煤中灰分对芳香结构的影响。结果表明,低煤级富惰质体煤YJL5制备石墨的石墨化度>80%,可作为制备石墨的原材料煤种来源;YJL5石墨化产物以棒状石墨为主,其由层状薄膜组成。微观形貌特征显示棒状石墨的生长模式与结构参数揭示的微晶结构尺寸的生长模式一致。随着石墨化温度升高,YJL5芳香层结构尺寸(L_(a),L_(c))增大,芳香结构横向拼接作用和纵向堆砌作用同时发生。室温~1800℃时,以碳化作用为主,非碳元素逐渐以挥发分形式排出,碳元素逐渐富集,该阶段芳香结构增长以横向拼接作用为主。温度高于1800℃时,层间距d_(002)<0.3440 nm,石墨结构初步形成。随着温度升高,芳香结构增长先以纵向堆砌作用为主(1800~2250℃),然后以横向拼接作用为主(2250~2850℃)。YJL5中灰分对其石墨化具有一定的促进作用,但对芳香层横向拼接和纵向堆砌影响效果不同。1800~2850℃,未脱灰煤样的L_(a)大于脱灰煤样,可知YJL5中灰分对其芳香层横向增长具有持续显著的促进作用。未脱灰煤样L_(c)仅在温度低于2250℃时大于脱灰煤样,高于2250℃后比脱灰煤样的L_(c)更小,可知YJL5中灰分对芳香层纵向增长的促进作用主要在1800~2250℃,高于2250℃时无显著促进作用。