磁场作用下煤系针状焦的制备及其性能研究

论文摘要

1950年美国大湖炭素公司首先发明了石油系针状焦。1969年超高功率电炉冶炼技术问世后,作为制备超高功率电极主要原料的针状焦,其生产迅速发展。针状焦具有明显的针状结构、纤维纹理、低热膨胀系数、低孔隙度、低硫、低灰份、低金属含量、高导电率及易石墨化等一系列优点,是生产超高功率电极、特种炭素材料及其复合材料等高端炭素制品的优质原料。煤系针状焦与石油系针状焦相比,具有较低的热膨胀系数（CTE）和较高的真密度,而CTE是针状焦最重要的性质。目前全球只有日本能生产优质煤系针状焦。我国每年针状焦的需求量约30～40万t,而80%～90%依赖进口。本论文以一种已除去喹啉不溶物的中温煤沥青为原料,以改变制备工艺、添加催化剂的形式经热缩聚、高温煅烧制备了煤系针状焦,考察了磁场作用下针状焦的结构形貌与性能的变化。并进一步考察了超声活化合成针状焦、催化剂催化合成针状焦的成焦机理、结构与性能的差异。试样分析测试采用了扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射分析（XRD）、红外测试（FT-IR）、电化学循环伏安法（CV）和电化学阻抗法（EIS）等。研究结果表明:1.磁场对针状焦结构与性能的影响是正向的。磁场能有效提高针状焦的有序度,改善其针形纤维组织形貌,并且随着磁场强度的增加,针状焦有序性呈递增趋势。磁场的引入,使得针状焦的平均微晶尺寸降低、石墨化性能提高、致密度增大、透光率降低。当所加磁场磁场强度为22mT时,石墨化度最高可达45.35%。2.超声空化能有效提高针状焦的有序度、石墨化度与结晶度。经超声空化处理并在1200℃高温煅烧制备的针状焦经过平面分子的堆叠,形成更大的平面大分子片层且有较多的“纸卷”状纤维出现。3.向煤沥青中添加氯化铁（FeCl3）或对甲苯磺酸（PTSA）和六次甲基四胺（HMTA）后,经聚合煅烧生成大片层纤维结构的针状焦。在磁场作用下平面大分子沿磁场方向进一步取向有序排列,呈现出较好的针状纤维结构。4.经磁场处理后制备的针状焦,其循环伏安曲线峰电流有下降趋势。随着所施加磁场的磁场强度的增加,针状焦试样的电化学容抗弧半径呈递增趋势,传递电阻增大。5.磁场作用下添加催化剂FeCl3制备的针状焦的循环伏安曲线氧化峰最高,其氧化峰电流值较不加磁场不加催化剂的提高了78.6%,其电化学传递性最好,表面粗糙度最小,电阻率最低。6.添加了PTSA和HMTA制备的针状焦,其循环伏安曲线表明静电吸附是其电极储能的主要方式。添加了磁场后,其电化学活性有所增加,电极反应过程由扩散控制变为电化学控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 针状焦概述
• 1.2.1 针状焦的结构与性能
• 1.2.2 针状焦的生产工艺
• 1.2.3 中间相及针状焦的形成过程
• 1.2.4 针状焦的性能参数
• 1.2.5 针状焦的应用
• 1.3 国内外针状焦研究的现状
• 1.3.1 国内外针状焦的研究现状
• 1.3.2 影响针状焦结构与性能的因素
• 1.4 针状焦的主要研究手段
• 1.4.1 热膨胀系数的测定
• 1.4.2 扫描电镜（SEM）分析
• 1.4.3 X 射线衍射分析（XRD）
• 1.4.4 电化学分析测试
• 1.4.5 其它分析手段
• 1.5 本章小结
• 第二章 实验部分
• 2.1 前言
• 2.2 原料、试剂和设备
• 2.3 针状焦的制备与处理
• 2.3.1 磁场诱导制备针状焦
• 2.3.2 超声空化制备针状焦
• 2.3.3 添加催化剂制备针状焦
• 2.4 针状焦的分析与测试
• 2.4.1 扫描电镜形貌（SEM）观察
• 2.4.2 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.4.3 红外分析（FT-IR）
• 2.4.4 电化学分析测试
• 2.5 本章小结
• 第三章 磁场对针状焦结构的影响
• 3.1 前言
• 3.2 试样制备
• 3.3 磁场作用对针状焦结构的影响
• 3.3.1 SEM 分析
• 3.3.2 XRD 分析
• 3.3.3 FT-IR 分析
• 3.4 磁场作用影响机理分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 超声空化对针状焦结构的影响
• 4.1 前言
• 4.2 试样制备
• 4.3 超声空化对针状焦结构的影响
• 4.3.1 SEM 分析
• 4.3.2 XRD 分析
• 4.4 超声空化作用影响机理分析
• 4.5 小结
• 第五章 催化剂在磁场作用下对针状焦结构的影响
• 5.1 前言
• 5.2 试样制备
• 5.3 催化剂在磁场作用下对针状焦结构的影响
• 5.3.1 SEM 分析
• 5.3.2 XRD 分析
• 5.4 催化剂在磁场作用下的影响机理分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 针状焦的电化学性能研究
• 6.1 前言
• 6.2 试样制备
• 6.3 电化学测试原理
• 6.3.1 循环伏安法
• 6.3.2 电化学阻抗谱
• 6.4 磁场作用下针状焦的电化学性能
• 6.4.1 样品CV 分析
• 6.4.2 样品EIS 分析
• 6.5 催化剂在磁场作用下对针状焦电化学性能的影响
• 6.5.1 样品CV 分析
• 6.5.2 样品EIS 分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文