NCM綜述|西北工業大學李鐵虎教授團隊：改性樹脂炭的石墨化及應用進展

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樹脂炭具有良好的力學、電學以及熱物理性能，是廣泛應用于航空、航天、能源等領域的結構功能一體化材料。樹脂作為炭材料的重要前驅體之一，具有優異的力學性能、耐腐蝕性能和可加工成復雜型構件等優點，廣泛應用于導熱/導電復合材料、阻燃材料、電磁屏蔽材料等工程領域。根據材料的性能要求和制備工藝的可操作性，選擇合適的樹脂，甚至可將多種樹脂復配使用。一般樹脂的分子鏈較長、柔順性較好，使得在分子間作用力的影響下分子鏈相互纏繞。此外，樹脂中含有較多的C-H 鍵，導致樹脂在炭化時脫氫較難，限制了樹脂炭在高溫下重排為石墨結構，進而導致樹脂炭難以石墨化。而炭材料的石墨化度和其性能密切相關，例如導電、導熱、抗氧化和力學性能等都與石墨化度有很大關系，不同的應用對炭材料的石墨化度有不同的要求。在導電性方面，用于二次電池的石墨負極和雙電層超級電容器均需要較高的石墨化度，導熱材料也需要有較高的石墨化度來完成聲子熱傳導，抗氧化炭/炭復合材料需要較高的石墨化度減少石墨晶體缺陷；在力學性能方面，石墨化度過高可能會降低材料的強度。因此，樹脂炭的石墨化是非常重要的基礎性研究課題。

圖1 圖文摘要

近日，西北工業大學李鐵虎教授團隊在《新型炭材料（中英文）》上發表了題為“改性樹脂炭的石墨化及應用進展”的綜述文章，重點總結了近年來改性樹脂炭石墨化及應用的研究進展，系統介紹了催化劑、碳納米材料、易石墨化共炭化劑三類樹脂改性劑，可提高樹脂炭的石墨化炭含量并降低其石墨化溫度。催化劑改性劑在較低溫度下便能使樹脂炭的石墨化度達74%，而碳納米材料改性劑需要在2000?℃以上才能較明顯地提高樹脂炭的石墨化度。相比前兩種改性劑，易石墨化的共炭化改性劑不僅能提高樹脂炭的石墨化度，還能提高樹脂的殘炭率。在應用方面，提高樹脂炭的石墨化度能提高炭/炭復合材料的導熱和導電性能，也能提高超級電容器材料和二次電池電極材料的導電性能、倍率性能和功率密度。最后，探討了改性樹脂炭的石墨化及應用面臨的挑戰和發展方向。

圖2?（a）煤瀝青和片狀酚醛樹脂為前體驅體合成多孔炭制備工藝，（b）煤瀝青改性酚醛樹脂炭化后的TEM照片，不同質量分數的煤瀝青改性酚醛樹脂炭化后的（c）XRD和(d)Raman光譜圖

針對催化劑改性樹脂炭的石墨化，目前對單一組分的催化劑已有較詳細研究，而對過渡金屬、B 與其他催化劑的協同催化研究較少，比如合金作為催化劑還有待進一步深入研究。催化劑在樹脂中的分散性、催化劑的尺寸控制等問題也值得深入探討。在炭納米材料改性樹脂炭的石墨化機理方面，后續研究可關注碳納米材料在樹脂中的均勻性分散問題，以及碳納米材料改性樹脂炭的力學、導電、導熱性能等。最后，對于共炭化劑改性樹脂炭的石墨化研究多集中于不同類型瀝青軟炭對不同樹脂硬炭的結構調控。此外，還需要深入研究不同樹脂與瀝青共炭化的改性機制，也可以考慮將這三種改性方法進行協同耦合，以達到綜合提高樹脂炭石墨化性能的目的。對于改性樹脂炭的石墨化和改性樹脂炭的應用研究，在關注炭材料結構調控的基礎上，可將材料的力學等其他性能與工程應用綜合考慮。基于原材料的基礎物性，設計切實可行的制備工藝，并根據材料的組成和性能，聚焦于材料的結構調控，從而實現改性樹脂炭材料的制備、結構、石墨化性能與工程應用的一體化優化目標。

文章信息

楊平軍, 李鐵虎, 李昊, 黨阿磊, 袁磊. 改性樹脂炭的石墨化及應用進展. 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

通訊作者簡介：

李鐵虎，西北工業大學材料學院教授、博士生導師、國家二級教授。國務院學位委員會學科評議組成員、教育部高等學校教學指導委員會委員、“國家石墨烯產品質量監督檢測中心”學術委員會委員、“陜西省石墨烯新型炭材料及應用工程實驗室”主任、《炭素技術》副主編及《新型炭材料（中英文）》、《炭素》、《煤炭轉化》、《交通運輸工程學報》等任編委。30多年來一直從事航空航天用炭—石墨材料的教學與研究工作，先后完成和在研國家及軍隊炭—石墨材料領域課題30多項，獲省部級科技成果一、二、三等獎4項，獲國家教學成果一等獎及陜西省教學成果特等獎各1項，發表論文300多篇，包括在Nature,、Science及其子刊等國際頂級期刊上發表論文6篇，其中SCI收錄200多篇、ESI高被引論文18篇（次）、最高影響因子41，相關研究成果受到《中國科學報》兩次專題報道。已為國家培養出新型炭材料領域博士后8名、博士57名、碩士121名，有的已成為國防科技領軍人才及985、211大學的教授、博導、院長和副校長。

期刊信息

《新型炭材料（中英文）》??????

SCI-E、EI收錄期刊與中文核心期刊

影響因子：3.7（2021年度）

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國際版主頁：https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

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