NCM综述|西北工业大学李铁虎教授团队：改性树脂炭的石墨化及应用进展

树脂炭具有良好的力学、电学以及热物理性能，是广泛应用于航空、航天、能源等领域的结构功能一体化材料。树脂作为炭材料的重要前驱体之一，具有优异的力学性能、耐腐蚀性能和可加工成复杂型构件等优点，广泛应用于导热/导电复合材料、阻燃材料、电磁屏蔽材料等工程领域。根据材料的性能要求和制备工艺的可操作性，选择合适的树脂，甚至可将多种树脂复配使用。一般树脂的分子链较长、柔顺性较好，使得在分子间作用力的影响下分子链相互缠绕。此外，树脂中含有较多的C-H 键，导致树脂在炭化时脱氢较难，限制了树脂炭在高温下重排为石墨结构，进而导致树脂炭难以石墨化。而炭材料的石墨化度和其性能密切相关，例如导电、导热、抗氧化和力学性能等都与石墨化度有很大关系，不同的应用对炭材料的石墨化度有不同的要求。在导电性方面，用于二次电池的石墨负极和双电层超级电容器均需要较高的石墨化度，导热材料也需要有较高的石墨化度来完成声子热传导，抗氧化炭/炭复合材料需要较高的石墨化度减少石墨晶体缺陷；在力学性能方面，石墨化度过高可能会降低材料的强度。因此，树脂炭的石墨化是非常重要的基础性研究课题。

图1 图文摘要

近日，西北工业大学李铁虎教授团队在《新型炭材料（中英文）》上发表了题为“改性树脂炭的石墨化及应用进展”的综述文章，重点总结了近年来改性树脂炭石墨化及应用的研究进展，系统介绍了催化剂、碳纳米材料、易石墨化共炭化剂三类树脂改性剂，可提高树脂炭的石墨化炭含量并降低其石墨化温度。催化剂改性剂在较低温度下便能使树脂炭的石墨化度达74%，而碳纳米材料改性剂需要在2000 ℃以上才能较明显地提高树脂炭的石墨化度。相比前两种改性剂，易石墨化的共炭化改性剂不仅能提高树脂炭的石墨化度，还能提高树脂的残炭率。在应用方面，提高树脂炭的石墨化度能提高炭/炭复合材料的导热和导电性能，也能提高超级电容器材料和二次电池电极材料的导电性能、倍率性能和功率密度。最后，探讨了改性树脂炭的石墨化及应用面临的挑战和发展方向。

图2 （a）煤沥青和片状酚醛树脂为前体驱体合成多孔炭制备工艺，（b）煤沥青改性酚醛树脂炭化后的TEM照片，不同质量分数的煤沥青改性酚醛树脂炭化后的（c）XRD和(d)Raman光谱图

针对催化剂改性树脂炭的石墨化，目前对单一组分的催化剂已有较详细研究，而对过渡金属、B 与其他催化剂的协同催化研究较少，比如合金作为催化剂还有待进一步深入研究。催化剂在树脂中的分散性、催化剂的尺寸控制等问题也值得深入探讨。在炭纳米材料改性树脂炭的石墨化机理方面，后续研究可关注碳纳米材料在树脂中的均匀性分散问题，以及碳纳米材料改性树脂炭的力学、导电、导热性能等。最后，对于共炭化剂改性树脂炭的石墨化研究多集中于不同类型沥青软炭对不同树脂硬炭的结构调控。此外，还需要深入研究不同树脂与沥青共炭化的改性机制，也可以考虑将这三种改性方法进行协同耦合，以达到综合提高树脂炭石墨化性能的目的。对于改性树脂炭的石墨化和改性树脂炭的应用研究，在关注炭材料结构调控的基础上，可将材料的力学等其他性能与工程应用综合考虑。基于原材料的基础物性，设计切实可行的制备工艺，并根据材料的组成和性能，聚焦于材料的结构调控，从而实现改性树脂炭材料的制备、结构、石墨化性能与工程应用的一体化优化目标。

文章信息

杨平军, 李铁虎, 李昊, 党阿磊, 袁磊. 改性树脂炭的石墨化及应用进展. 新型炭材料（中英文）, 2023, 38(1): 96-110.

YANG Ping-jun, LI Tie-hu, LI Hao, DANG A-lei, YUAN Lei. Progress in the graphitization and applications of modified resin carbons. New Carbon Mater., 2023, 38(1): 96-110.

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http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(23)60715-2

通讯作者简介：

李铁虎，西北工业大学材料学院教授、博士生导师、国家二级教授。国务院学位委员会学科评议组成员、教育部高等学校教学指导委员会委员、“国家石墨烯产品质量监督检测中心”学术委员会委员、“陕西省石墨烯新型炭材料及应用工程实验室”主任、《炭素技术》副主编及《新型炭材料（中英文）》、《炭素》、《煤炭转化》、《交通运输工程学报》等任编委。30多年来一直从事航空航天用炭—石墨材料的教学与研究工作，先后完成和在研国家及军队炭—石墨材料领域课题30多项，获省部级科技成果一、二、三等奖4项，获国家教学成果一等奖及陕西省教学成果特等奖各1项，发表论文300多篇，包括在Nature,、Science及其子刊等国际顶级期刊上发表论文6篇，其中SCI收录200多篇、ESI高被引论文18篇（次）、最高影响因子41，相关研究成果受到《中国科学报》两次专题报道。已为国家培养出新型炭材料领域博士后8名、博士57名、硕士121名，有的已成为国防科技领军人才及985、211大学的教授、博导、院长和副校长。

期刊信息

《新型炭材料（中英文）》      

SCI-E、EI收录期刊与中文核心期刊

影响因子：3.7（2021年度）

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