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| 內容簡介： |
《炭材料基础》是一部系统阐述炭材料科学理论与工程应用的学术专著。全书以炭材料理论为基础，以“结构—性质—制备—表征—应用”为主线，分别从微观和宏观角度阐释了炭材料的结构与性质；炭材料制备过程中的炭化、石墨化、活化与功能化；碳质中间相的形成理论、合成及应用；工业炭材料和碳纳米管的制备方法、生产工艺、应用前景与发展方向；构建了从基础理论到工业实际应用的完整知识体系。
本书既可作为高等院校材料相关专业的教材，也可作为新材料、新能源等相关领域研究人员的参考用书。
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| 關於作者： |
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刘金昌，工学博士，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，副教授。研究方向：煤基炭材料（碳纤维、活性碳纤维、活性炭等）的制备、改性及功能化；化工过程（洁净煤技术、吸附等）计算模拟仿真研究。主持项目：1) 国家自然科学基金青年科学基金项目（氯化—脱氯化法煤直接液化残渣基高强度通用型碳纤维可控制备的机制研究22008254）； 2) 新疆煤的炭活化实验研究；3) 煤基碳量子点的制备机理及结构的精准调控。具体提出了基于氯化-脱氯化法制备煤基碳纤维的技术路线，揭示了氯化-脱氯化法的反应机理，建立了以煤液化残渣、煤焦油沥青、煤焦油等为原料的煤基碳纤维、煤基活性碳纤维的合成方法。与传统制备方法比，氯化-脱氯化法反应条件温和，制备出的前驱体具有线性的分子结构、高收率等特点，并且通用级碳纤维的强度可达1000MPa以上。此外，氯化-脱氯化法在碳量子点、储能炭等煤基先进功能材料的可控制备和宏观调控方面具有广阔的应用前景。
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| 目錄：
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第1章炭材料概论 1
1.1碳基础1
1.2碳与炭2
1.3碳的形成5
1.4炭材料的发展历程6
第2章炭材料的结构与性质 12
2.1炭材料的结构12
2.1.1碳的价键结构12
2.1.2碳的晶体结构14
2.1.3芳香簇与碳质液晶19
2.1.4石墨微晶20
2.1.5易石墨化炭和难石墨化炭22
2.1.6石墨晶体的各向异性23
2.2炭材料的性质24
2.2.1物理性质24
2.2.2化学性质32
2.2.3碳的相变化36
第3章炭材料原料 38
3.1煤基原料38
3.1.1煤39
3.1.2煤焦油41
3.1.3煤沥青44
3.1.4煤液化沥青49
3.1.5无灰煤49
3.2石油基原料50
3.2.1石油沥青50
3.2.2减压渣油52
3.2.3催化裂化油浆53
3.2.4乙烯焦油54
3.3生物质基原料55
3.3.1纤维素55
3.3.2木质素57
3.3.3生物质焦油58
3.4天然石墨59
3.5纯化学物质61
3.5.1高分子61
3.5.2芳香族化合物62
3.5.3低脂肪烃类62
第4章炭材料的制备 64
4.1炭化64
4.1.1气相炭化66
4.1.2液相炭化67
4.1.3固相炭化70
4.2石墨化71
4.2.1石墨化度72
4.2.2石墨化反应机理72
4.2.3催化石墨化73
4.2.4电化学石墨化74
4.3活化74
4.3.1物理活化法75
4.3.2化学活化法75
4.3.3联合活化法77
4.4功能化77
4.4.1表面改性77
4.4.2杂原子掺杂79
4.4.3负载改性80
4.5石墨与金刚石的相转化80
第5章碳质中间相 83
5.1碳质中间相发展历程83
5.2碳质中间相定义84
5.3碳质中间相织构84
5.4碳质中间相形成理论87
5.4.1传统中间相形成理论87
5.4.2微域构筑理论89
5.4.3颗粒基本单元构筑理论91
5.5碳质中间相的合成方法93
5.5.1热缩聚法95
5.5.2共炭化法95
5.5.3加氢聚合法96
5.5.4催化合成法97
5.5.5卤化诱导法98
5.6碳质中间相的相变现象100
5.6.1热变型101
5.6.2溶变型102
5.6.3化学变型103
第6章工业炭材料 104
6.1炭黑104
6.1.1结构与性质104
6.1.2炭黑生产工艺与改性107
6.1.3炭黑的应用109
6.2活性炭109
6.2.1结构与性质110
6.2.2活性炭吸附的基础理论112
6.2.3活性炭的生产工艺118
6.2.4活性炭的分类与应用118
6.3碳纤维120
6.3.1结构与性质121
6.3.2碳纤维生产工艺121
6.3.3碳纤维的分类与应用129
6.4针状焦131
6.4.1结构与性质132
6.4.2针状焦生产工艺134
6.4.3针状焦的分类与应用139
第7章碳纳米材料 141
7.1碳纳米材料的发展历程141
7.2碳纳米材料的分类与特征145
7.3碳量子点146
7.3.1结构与性质147
7.3.2碳量子点制备方法149
7.3.3碳量子点的应用150
7.4碳纳米管151
7.4.1结构与性质152
7.4.2碳纳米管制备方法154
7.4.3碳纳米管的应用157
7.5石墨烯158
7.5.1结构与性质158
7.5.2石墨烯制备方法160
7.5.3石墨烯的应用161
第8章炭材料表征 163
8.1元素组成163
8.1.1元素分析163
8.1.2X射线光电子能谱164
8.1.3能谱仪166
8.2官能团168
8.2.1傅里叶变换红外光谱168
8.2.2核磁共振波谱169
8.3石墨化度171
8.3.1X射线衍射171
8.3.2拉曼光谱173
8.4微观结构175
8.4.1偏光显微镜175
8.4.2透射电子显微镜177
8.5热化学与热机械性质178
8.5.1热重分析178
8.5.2热机械分析179
参考文献 181
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| 內容試閱：
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炭材料，这一与人类文明相伴相生的古老材料，在跨越数千年的历史长河中，始终以其独特的物理化学性质推动着技术革新与社会进步。从远古人类第一次点燃木炭取暖照明，到现代碳纤维材料支撑航空航天以及石墨烯材料引爆电子器件革命，炭材料的演化史既是一部人类对碳元素认知的探索史，也是材料科学与工程领域创新发展的缩影。值此《炭材料基础》付梓之际，谨以此文为引，与读者共探炭材料的过去、现在与未来。
炭材料的起源可追溯至旧石器时代。原始人类通过燃烧木材获取木炭，用于保存火种、加工工具或绘制岩画，这是人类对炭材料最早的主动利用。此时的炭材料以天然形态存在，性能受限于原料与工艺，应用场景极为有限。工业革命的浪潮推动了炭材料的第一次飞跃。18世纪焦炭的规模化生产标志着炭材料从“自然产物”向“工业原料”的转型。19世纪，电炉制炭技术的突破催生了石墨电极，支撑了电力工业的崛起。20世纪初，活性炭因优异的吸附性能被应用于水处理与化工分离，成为环保领域的“明星材料”。至此，炭材料的应用领域从冶金、能源拓展至环保、化工等多元领域。20世纪中后期至今，炭材料迎来了前所未有的创新黄金期。碳纤维的发明改写了航空航天史；富勒烯、碳纳米管与石墨烯的相继发现，则开启了碳纳米材料的“量子时代”。碳纳米管的超高强度与导电性使其成为柔性电子器件的理想基底，石墨烯的高载流子迁移率则为后硅基半导体技术的发展提供了新可能。回顾炭材料的发展历程，其始终遵循“需求牵引—技术突破—应用拓展”的逻辑链：从满足基本能源需求，到支撑高端制造，再到应对可持续发展挑战，其角色已从“工业味精”升级为“战略基石”。如今，炭材料的研究热点聚焦于结构精准调控、多组元复合设计及绿色制备技术。
目前，市面上的炭材料相关书籍大致可分为两类：一类侧重应用技术，聚焦某一类炭材料的制备工艺与工程案例，适合工程技术人员参考，但它对基础理论的深度挖掘不足；另一类偏向专题综述，内容分散且缺乏对炭材料共性的归纳。更值得关注的是，仍然缺少一本面向本科生和研究生学习的炭材料领域的入门教材，学生往往需要从零散的文献、专著中拼凑知识体系，难以建立从“碳元素本征特性”到“材料性能与应用关联”的系统认知体系，这严重制约了炭材料领域的人才培养质量。
本书希望作为结构清晰、内容全面的基础教材，帮助读者建立对炭材料的系统性理解：既涵盖碳元素的成键特性、炭材料的分类与结构表征等基础理论，也解析典型制备工艺的科学原理，并结合前沿案例阐释“结构—性能—应用”的内在逻辑，最终实现“从原子到宏观尺度”“从基础研究到工程实践”的知识贯通。本书的编写以“基础性、系统性、实用性”为核心原则，全书共8章，逻辑脉络如下：第1章“炭材料概论”从碳元素的宇宙起源讲起，明确炭材料的定义、分类与学科定位；第2章“炭材料的结构与性质”深入解析sp2、sp3杂化碳的结构特征，阐明结构参数与物理化学性质的关联规律；第3章“炭材料原料”系统介绍化石燃料、生物质及高分子聚合物等原料的特性与预处理方法；第4章“炭材料的制备”详细阐述炭化、石墨化、活化等核心工艺的原理与参数调控；第5章“碳质中间相”聚焦沥青基炭材料的关键中间体——中间相沥青的形成机制与性能优化；第6章“工业炭材料”覆盖冶金焦、电极炭、密封炭等经典产品的性能要求与制备要点；第7章“碳纳米材料”重点讲解富勒烯、碳纳米管、石墨烯的结构特性与制备技术；第8章“炭材料表征”则系统介绍X射线衍射、拉曼光谱、透射电镜等表征手段在炭材料结构分析中的应用。
本书的完成，凝聚着多位前辈与同行的智慧与支持，在此谨致以最诚挚的谢意。
感谢日本九州大学的Isao Mochida教授、Seong-Ho Yoon教授与Jin Miyawaki教授以及中国矿业大学（北京）的解强教授和王永刚教授对我的指导。
炭材料的故事仍在继续，而本书愿做一块“铺路石”，助力更多青年学子踏上探索之旅。期待与读者共赴这场关于碳元素的奇妙旅程！
囿于作者的学识和写作水平，书中疏漏之处难免，恳请广大读者批评指正。
刘金昌
2025年9月
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