以低成本炭质原料开启无粘结剂炭材料制备新征程：工艺、性能与展望.docxVIP

以低成本炭质原料开启无粘结剂炭材料制备新征程：工艺、性能与展望

一、引言

1.1研究背景与意义

炭材料作为一类具有独特性能的材料，在现代工业和科技领域中占据着举足轻重的地位。从传统的冶金、机械制造到新兴的新能源、电子信息、航空航天等领域，炭材料都发挥着不可替代的作用。例如，在新能源领域，炭材料被广泛应用于锂离子电池的电极材料，其性能直接影响着电池的能量密度、充放电效率和循环寿命；在航空航天领域，炭/炭复合材料凭借其高比强度、高比模量、耐高温等优异性能，成为制造飞机机翼、发动机部件等关键结构件的理想材料。随着科技的不断进步和产业的快速发展，对炭材料的性能要求也越来越高，不仅需要具备高强度、高模量、高导电性等基本性能，还需要满足特殊环境下的使用需求，如高温、高压、强腐蚀等。

无粘结剂炭材料作为炭材料的一个重要分支，近年来受到了广泛的关注和研究。与传统的炭材料相比，无粘结剂炭材料具有诸多显著的优势。在结构方面，无粘结剂炭材料由于无需添加粘结剂，避免了粘结剂在高温处理过程中分解逸出留下孔隙的问题，从而使其结构更加均匀致密。这种均匀致密的结构赋予了无粘结剂炭材料更高的强度和模量，使其在承受外力时能够更加均匀地分散应力，减少应力集中点，从而有效提高材料的力学性能。在制备工艺上，无粘结剂炭材料的制备过程相对简单，无需复杂的粘结剂添加和处理步骤，这不仅降低了制备成本，还提高了生产效率。而且，由于制备工艺的简化，更容易实现大规模工业化生产，为其广泛应用提供了有力的保障。无粘结剂炭材料还具有更好的化学稳定性和热稳定性，在高温、强腐蚀等恶劣环境下能够保持良好的性能，拓宽了其应用领域。

目前，国内外制备无粘结剂炭材料主要采用沥青中间相小球（MCMB）等价格昂贵的原料。沥青中间相小球的价格每公斤可达数百元，这使得无粘结剂炭材料的生产成本居高不下，严重限制了其大规模应用和推广。因此，寻求低成本的炭质原料来制备无粘结剂炭材料具有重要的现实意义。采用低成本的炭质原料，如普通生石油焦、烟煤等，可以显著降低无粘结剂炭材料的制备成本，提高其市场竞争力。这些低成本原料来源广泛，储量丰富，能够满足大规模生产的需求，有助于推动无粘结剂炭材料产业的可持续发展。通过对低成本炭质原料的研究和开发，还可以探索新的制备工艺和方法，进一步优化无粘结剂炭材料的性能，使其在更多领域得到应用，为相关产业的发展提供新的材料选择和技术支持。

1.2国内外研究现状

在无粘结剂炭材料制备方面，国外起步较早，取得了一系列重要成果。美国、日本等发达国家的科研团队和企业在该领域投入了大量资源进行深入研究。美国的一些研究机构通过对炭材料微观结构的精准调控，成功制备出具有优异力学性能和导电性能的无粘结剂炭材料。他们采用先进的热解技术和成型工艺，实现了对炭材料孔隙结构和晶体结构的精确控制，使得材料在保持高强度的同时，具备良好的导电性能，在电子器件和能源存储领域展现出潜在的应用价值。日本则在无粘结剂炭材料的制备工艺创新方面取得了显著进展，开发出了一些独特的制备方法，如采用特殊的模板剂和催化剂，实现了无粘结剂炭材料的低温快速制备，大大缩短了制备周期，提高了生产效率。

国内对无粘结剂炭材料的研究也在不断深入，近年来取得了不少突破性成果。许多高校和科研院所积极开展相关研究工作，如清华大学、中国科学院等单位在无粘结剂炭材料的基础研究和应用开发方面取得了重要进展。清华大学的研究团队通过对原料的预处理和成型工艺的优化，成功制备出了高性能的无粘结剂炭材料，其力学性能和热稳定性达到了国际先进水平。中国科学院的科研人员则致力于开发新型的无粘结剂炭材料制备技术，利用纳米技术和复合材料技术，制备出了具有特殊结构和性能的无粘结剂炭材料，为其在高端领域的应用奠定了基础。

在低成本原料应用方面，国内外学者都进行了广泛的探索。国外研究人员尝试使用多种低成本原料，如生物质、废弃塑料等，来制备无粘结剂炭材料。以生物质为例，一些研究将秸秆、木屑等生物质经过预处理后，采用热解、碳化等工艺制备无粘结剂炭材料。这种方法不仅实现了生物质的资源化利用，降低了原料成本，还赋予了炭材料一些独特的性能，如较高的比表面积和丰富的孔隙结构，使其在吸附、催化等领域具有潜在的应用价值。然而，使用生物质作为原料也面临一些挑战，如生物质成分复杂，导致制备过程难以精确控制，且所得炭材料的性能稳定性有待提高。

国内在低成本原料应用方面也做了大量工作。一些研究以普通生石油焦、烟煤等为原料制备无粘结剂炭材料。有研究表明，通过对普通生石油焦进行预处理，如高温煅烧、化学改性等，可以改善其性能，使其适合用于制备无粘结剂炭材料。烟煤由于其储量丰富、价格低廉，也成为研究的热点原料之一。研究人员通过对烟煤进行洗选、除灰等处理，降低其杂质含量，然后采用合适的成型和烧结工艺，成功制备出