CN115181554A - 煤基储热碳材料及其制备方法与应用、用于制备煤基储热碳材料的组合物与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储热材料技术领域，公开了一种煤基储热碳材料及其制备方法与应用、一种用于制备煤基储热碳材料的组合物与应用。所述煤基储热材料包括组分A和组分B；所述组分A的ID/IG为0‑0.6，所述组分B的ID/IG>1；其中，ID为通过拉曼光谱获得的D峰的高度，IG为通过拉曼光谱获得的G峰的高度；所述煤基储热碳材料通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为15‑70nm，a轴方向的微晶尺寸La为15‑150nm，(002)晶面的层间距d002为3.345‑3.370nm。该煤基储热碳材料既包含有强度高的碳结构又有热导率高的石墨结构，使得该煤基储热同时具备高的抗压强度和高的热导率。
Description
技术领域
本发明涉及储热材料技术领域，具体涉及一种煤基储热碳材料及其制备方法与应用、一种用于制备煤基储热碳材料的组合物与应用。
背景技术
现有的储热碳材料采用石墨填料或沥青焦、石油焦制品和沥青粘结剂经过混料、成型及浸渍焙烧和石墨化制备而成。因石墨的表面光滑，与沥青粘结剂的粘结弱，造成材料有裂纹、局部缺陷或开裂等结果。因此，我们解决办法就是用煤部分替代石墨。煤与沥青的相容性优于石墨，能够起到增强粘结的作用，避免界面问题造成的开裂等症状。
CN112110730A公开了一种储热材料用组合物和储热材料及其制备方法，该组合物包含沥青材料、石墨和无机矿物材料，其中，所述沥青材料选自煤基沥青和/或煤基改质沥青，所述沥青材料的C/H为1.3～1.7，软化点≥ 130℃，炭化后的残碳率≥66％；以所述储热材料用组合物的总重量为基准，所述沥青材料的含量为10～40重量％，所述石墨的含量为20～80重量％，所述无机矿物材料的含量为10～70重量％，所制备的储热材料同时兼具较高的热导率、抗压强度和体积密度，其抗压强度/热导率的比值为0.08-0.25。
CN112111310A公开了一种储热炭材料用组合物和储热炭材料及其制备方法，该组合物包含沥青材料和石墨，其中，所述沥青材料选自煤基沥青和 /或煤基改质沥青，且所述沥青材料的C/H为1.3～1.7，软化点≥130℃，炭化后的残碳率≥66％；以所述储热材料用组合物的总重量为基准，所述沥青材料的含量为10～40重量％，所述石墨的含量为60～90重量％。述储热炭材料同时兼具较高的热导率、抗压强度和体积密度，其抗压强度/热导率的比值为0.08-0.25。
CN106242570A公开了一种储热用石墨制品的生产方法，包括以下步骤： S01、配料：对原料进行配比，所述原料包括质量比为77～79％的石油焦和质量比为21～23％的中温煤沥青；S02、混捏：将配比好的原料进行混捏得到糊料；S03、振动成型：对混捏好的糊料凉料后，对糊料施加压力进行振动成型，所述振动成型的工艺条件为：以2-5MPa的压力预压3-5min；以6-12MPa 的压力振压10-15min；所述振动的振幅1～1.5mm、频率2500～3000次/分钟； S04、一次焙烧得到碳制品；S05、浸渍；S06、二次焙烧；S07、石墨化；该石墨制品体积密度大，灰分小，储热能力强。
CN107673759A公开一种新型太阳能热发电石墨储热材料的制备方法，包括以下步骤：选料配料：选用真密度≥2.13g/cm3，灰分≤0.25％，挥发分≤0.30％，硫含量≤0.40％的针状石油焦，电阻率≤8.5μΩm，抗折强度≥ 30Mpa，抗压强度≥65Mpa，灰分≤0.30％，粒径为30～60μm的特种石墨粉、和电阻率为0.6～1.0μΩ·m，pH值7.5～9，粒径为45～60μm的半补强炭黑作为原料，按照针状石油焦的重量比为60～70％，特种石墨粉的重量比为 15～20％，半补强炭黑的重量比为15～20％的配比配制原料；混捏：按粘结剂与原料的质量比为：25：75～30：70的配比进行湿混得到糊料；预成型；破碎、磨粉、筛分、混合；模压成型；一次焙烧；浸渍；二次焙烧；石墨化。该方法制得的石墨理化理指标优良，可以广泛应用于太阳能热发电石墨储热材料领域。
上述现有技术都采用碳素和石墨行业最常用的石油焦或针状焦做原料，后者更加入了石墨粉为原料，和起粘结作用的中温煤沥青或补强炭黑，来提高办成品的强度。原材料方面，这些原料均为工业品原料，来源固定且有限，会分食本来紧张的碳素和石墨行业的原材料市场。生产工艺方面，经过混料、成型甚至多次成型和多次浸渍焙烧最终石墨化，生产工艺长且复杂，产生的能耗高。特别地，现有技术中的储热材料中，抗压强度与热导率的比值较低，导致储热材料表面光滑、较难与其他储热材料结合等缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的以碳素和石墨为原料制备储热材料所带来原料来源有限并且工艺复杂、生产流程冗长及能耗高的问题，提供一种煤基储热材料及其制备方法与应用、一种用于制备煤基储热碳材料的组合物，该煤基储热碳材料既包含有强度高的碳结构又有热导率高的石墨结构，使得该煤基储热同时具备高的抗压强度和高的热导率。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种煤基储热碳材料，其特征在于，所述煤基储热材料包括组分A和组分B；
所述组分A的ID/IG为0-0.6，所述组分B的ID/IG>1，
其中，ID为通过拉曼光谱获得的D峰的高度，IG为通过拉曼光谱获得的G峰的高度；
所述煤基储热碳材料通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为 15-70nm，a轴方向的微晶尺寸La为15-150nm和(002)晶面的层间距d002为3.345-3.370nm。
本发明第二方面提供用于制备煤基储热碳材料的组合物，其特征在于，所述组合物包括煤、粘结剂和可选的导热填料；
基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为10-80wt％，所述粘结剂的用量为10-40wt％，所述导热填料的用量为0-55wt％；
以所述煤的总重量计，所述煤包含0.5-20wt％的灰分和0-30wt％的挥发分；所述煤的C/H比值>2。
本发明第三方面提供一种煤基储热碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将煤基储热碳材料组合物中的各组分进行煤基储热碳材料组合物进行混合，得到混合料；
S2、将所述混合料进行压坯、成型，得到成型样品；
S3、在真空条件下或在惰性气氛存在的条件下，将所述成型样品进行焙烧，得到所述煤基储热碳材料；
其中，所述组合物包括煤、粘结剂和可选的导热填料；
基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为10-80wt％，所述粘结剂的用量为10-40wt％，所述导热填料的用量为0-55wt％；
以所述煤的总重量计，所述煤包含0.5-20wt％的灰分和0-30wt％的挥发分；所述煤的C/H比值>2。
本发明第四方面提供一种由上述制备方法制得的煤基储热碳材料。
本发明第五方面提供一种上述煤基储热碳材料或上述用于制备煤基储热碳材料的组合物在储热过程、换热过程、导热过程和释热过程中的至少一种中的应用。
通过上述技术方案，本发明提供的煤基储热碳材料及其制备方法与应用、用于制备煤基储热碳材料的组合物获得以下有益地效果：
本发明提供的煤基储热碳材料具有类似于石墨的特殊的结构，由此该煤基储热碳材料同时具备高的抗压强度和高的热导率。
本发明中，根据煤的结构特点优选煤种后且对其进行高温预处理，获得具有特殊结构的高温预处理煤，并将其与粘结剂和可选的导热填料进行混料、成型和一次焙烧制，能够制得同时具备高的抗压强度和高的导热率的煤基储热碳材料。
本发明所提供的煤基储热碳材料的制备方法中，不仅充分利用了煤资源，提高了煤资源的有效利用率并且拓宽储热碳材料的原料来源，在获得高性能的储热材料的前提下，实现缩短工艺流程，使制备过程的简单化和易操作，起到节约能源和提高煤的产品附加值的作用。并且制得的煤基储热碳材料相对于镁砖和混凝土依然有很大的优势。
附图说明
图1是实施例1的煤基储热碳材料的XRD谱图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种煤基储热碳材料，其特征在于，所述煤基储热材料包括组分A和组分B；
所述组分A的ID/IG为0-0.6，所述组分B的ID/IG>1，
其中，ID为通过拉曼光谱获得的D峰的高度，IG为通过拉曼光谱获得的G峰的高度；
所述煤基储热碳材料通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为 15-70nm，a轴方向的微晶尺寸La为15-150nm和(002)晶面的层间距d002为3.345-3.370nm。
本发明所提供的煤基储热碳材料包含具有特定ID/IG范围的组分A和组分B，并且煤基储热碳材料的Lc、La和d002满足上述范围，如图1所示的 XRD所示，该煤基储热材料具有类似石墨的结构特征，由此该煤基储热碳材料不仅具有高的抗压强度，并且具有高的热导率。
本发明中，组分A具有类似石墨的结构，而组分B同时包括石墨结构和无定型碳结构。
进一步地，所述组分A的ID/IG为0-0.6，所述组分B的ID/IG>1.05。
进一步地，所述煤基储热碳材料通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸 Lc为20-65nm，a轴方向的微晶尺寸La为20-140nm，(002)晶面的层间距 d002为3.345-3.370nm。
根据本发明，所述煤基储热碳材料的抗压强度与热导率的比值为 0.3-0.8。
进一步地，所述煤基储热碳材料的抗压强度与热导率的比值为0.32-0.8。
根据本发明，所述煤基储热碳材料的体积密度为1.7-2g/cm3，热导率为 10-200W/mK，抗压强度为18-50MPa。
本发明中，储热碳材料的抗压强度按照GBT1431-2019方法测得；热导率按照ASTME1461方法测得；体积密度按照GB/T24528-2009方法测得。
本发明第二方面提供一种用于制备煤基储热碳材料的组合物，其特征在于，所述组合物包括煤、粘结剂和可选的导热填料；
基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为10-80wt％，所述粘结剂的用量为10-40wt％，所述导热填料的用量为0-55wt％；
以所述煤的总重量计，所述煤包含0.5-20wt％的灰分和0-30wt％的挥发分；所述煤的C/H比值>2。
本发明中，采用灰分和挥发分以及C/H比满足上述范围的煤作为原料，与粘结剂和可选的导热填料相互配合，作为制备煤基储热碳材料的组合物，将其用于原料制备煤基储热碳材料时，不仅能够因减少天然鳞片石墨的用量而显著降低成本，更重要的是无需对储热碳材料进行石墨化，就能够显著提升煤基储热碳材料的热导率以及抗压强度。
本发明中，煤的灰分和挥发分含量按照GB/T 212-2008测得。
本发明中，煤的C/H采用煤中碳和氢的测定方法GB/T 476-2008方法测得。
本发明中，用于制备煤基储热碳材料的组合物中，各组分的用量满足上述范围时，制得的煤基储热碳材料具有高的热导率和高的抗压强度。
进一步优选地，基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为15-70wt％，所述粘结剂的用量为10.1-35wt％，所述导热填料的用量为10-50wt％。
进一步优选地，以所述煤的总重量计，所述煤包含0.5-5wt％的灰分和 5-20wt％的挥发分；所述煤的C/H比值为2.2-4.2。
根据本发明，所述煤通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为 20-65nm，a轴方向的微晶尺寸La为17.66-140nm，(002)晶面的层间距d002为3.345-3.370nm。
本发明中，具有上述微观结构的煤与鳞片石墨的晶体结构相似，进而使得该组合物制得的煤基储热碳材料具有高的热导率和高的抗压强度。
本发明中，具有上述微观结构的煤是经过高温预处理的煤。
本发明中，所述高温预处理的条件包括：预处理温度为1050-3000℃，预处理时间为30-120min。
本发明中，煤在2000℃以上的高温进行预处理后，能够使得煤的致密度增加，结构发生改变，获得具有上述特定微观结构，且与鳞片石墨的晶体结构相似的预处理煤。
进一步优选地，所述煤通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为 20-53.46nm，优选为20.09-40nm，a轴方向的微晶尺寸La为20-118nm，优选为40-60nm，(002)晶面的层间距d002为3.349-3.368nm，优选为 3.355-3.365nm。
根据本发明，所述粘结剂为沥青，优选为中间相沥青。
本发明中，所述中间相沥青的中间相含量为20-100wt％，优选为30-95wt％。
本发明中，中间相沥青的中间相含量按照GBT 38396-2019焦化沥青类产品-中间相含量的测定-光反射显微分析方法测得。
根据本发明，所述粘结剂的软化点为80-350℃。
本发明中，将软化点为80-350℃的沥青作为粘结剂，与上述煤和可选的导热填料相互配合获得组合物用于制备煤基储热碳材料时，能够显著提高煤基储热碳材料的抗压强度和热导率。
本发明中，粘结剂的软化点采用环球法测得。
进一步优选地，所述粘结剂的软化点为85-330℃。
根据本发明，所述导热填料选自天然鳞片石墨和/或人造石墨。
根据本发明，所述导热填料通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为 20-60nm，a轴方向的微晶尺寸La为40-80nm，(002)晶面的层间距d002为 3.350-3.369nm。
根据本发明，以所述导热填料的总重量为基准，碳含量为50-100wt％。
根据本发明，所述导热填料的石墨化度为80-100％。
本发明中，优选地，将具有上述结构特征、碳含量或者石墨化度的天然鳞片石墨和/或人造石墨作为导热材，料与上述煤和可选的导热填料相互配合获得组合物用于制备煤基储热碳材料时，能够进一步提高煤基储热碳材料的抗压强度和热导率。
本发明中，导热填料的碳含量采用GB/T 3521-2008石墨化学分析法测得；导热填料的石墨化度采用XRD测得。
进一步优选地，所述导热填料通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为20-50nm，a轴方向的微晶尺寸La为50-80nm和(002)晶面的层间距d002为3.350-3.368nm。
以所述导热填料的总重量为基准，碳含量为70-99.9wt％。
所述导热填料的石墨化度为80-100％。
本发明第三方面提供一种煤基储热碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将煤基储热碳材料组合物中的各组分进行煤基储热碳材料组合物进行混合，得到混合料；
S2、将所述混合料进行压坯、成型，得到成型样品；
S3、在真空条件下或在惰性气氛存在的条件下，将所述成型样品进行焙烧，得到所述煤基储热碳材料；
其中，所述组合物包括煤、粘结剂和可选的导热填料；
基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为10-80wt％，所述粘结剂的用量为10-40wt％，所述导热填料的用量为0-55wt％；
以所述煤的总重量计，所述煤包含0.5-20wt％的灰分和0-30wt％的挥发分；所述煤的C/H比值>2。
本发明中，采用灰分、挥发分和C/H比满足以上条件的煤作为原料，与粘结剂和可选的导热填料相互配合，作为制备煤基储热碳材料的组合物，由于具有上述特征的煤具有近似于石墨的结构，将其用于原料制备煤基储热碳材料时，不仅能够因减少天然鳞片石墨的用量而显著降低成本，更重要的是无需对储热碳材料进行石墨化，就能够显著提升煤基储热碳材料的热导率以及抗压强度。
根据本发明，基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为15-70wt％，所述粘结剂的用量为10.1-35wt％，所述导热填料的用量为10-50wt％。
本发明的制备方法中，所述煤、所述粘结剂和所述导热填料如本发明第二方面所述，在此不再赘述。
根据本发明，所述方法还包括在步骤S1前，对所述煤进行高温预处理的步骤。
本发明中，在与粘结剂和可选的导热填料进行混合前，对煤进行高温预处理，能够显著提高煤结构的致密化程度，由此能够显著提高煤基储热碳材料的热导率以及抗压强度。
为了实现煤结构的致密化，发明人研究发现，当所述高温预处理的条件包括：预处理温度为1050-3000℃，预处理时间为5-120min时，预处理后的煤具有近似于石墨的结构。
进一步优选地，所述高温预处理的条件包括：预处理温度为 1100-2900℃，预处理时间为30-120min。
本发明中，优选地，对高温预处理后的煤进行粉碎，以获得50目以下的高温预处理煤颗粒。
根据本发明，步骤S1中，所述混合的条件包括：混合温度为150-210℃。
本发明中，在上述混合温度下实现煤、粘结剂和可选的导热填料的混合，在该高温条件下，粘结剂能够维持流动状态，在混合过程中，能够使得流动得粘结剂充分且均匀包裹在煤和导热填料的颗粒表面，进而使得制得的煤基储热碳材料具有高的抗压强度和高的热导率。
进一步优选地，所述混合的条件包括：混合温度为150-200℃。
本发明中，对于混合时间没有特别限定，只要能够使得包含煤、粘结剂和可选的导热填料充分混合均匀即可。
根据本发明，步骤S2中，所述成型的条件包括：成型温度为105-200℃，成型压力为10-100MPa，成型时间为1-30min。
本发明中，将混合料在上述成型条件下进行成型，能够获得高强度坯体的效果，进而使得制得的煤基储热碳材料具有高的抗压强度和高的热导率。
进一步优选地，所述成型的条件包括：成型温度为110-150℃，成型压力为15-50MPa，成型时间为5-30min。
根据本发明，步骤S3中，所述焙烧的条件包括：焙烧温度为800-1300℃，焙烧时间为30～120min。
本发明中，将成型样品在上述条件进行焙烧，能够提高制品的致密度，并降低气孔率，进而使得制得的煤基储热碳材料具有高的抗压强度和高的热导率。
进一步优选地，所述焙烧的条件包括：焙烧温度为850-1000℃，焙烧时间为30-110min。
本发明中，在真空条件下或在惰性气氛存在的条件下，对成型样品进行焙烧处理，能够防止成型材料在焙烧的过程中表面被氧化，进而提高制得的储热碳材料的抗压强度和热导率。
本发明第四方面提供一种由上述制备方法制得的煤基储热碳材料。
本发明第五方面提供一种上述煤基储热碳材料或上述用于制备煤基储热碳材料的组合物在储热过程、换热过程、导热过程和释热过程中的至少一种中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，
储热碳材料的体积密度采用GB/T 24528-2009方法测得；
储热碳材料的热导率采用ASTM E1461方法测得；
储热碳材料的抗压强度采用GB/T 1431-2019方法测得；
储热碳材料的组成以及各组成的取向度采用拉曼光谱测得；
储热碳材料的晶胞参数采用XRD测得；
煤的灰分和挥发分含量采用GB/T 212-2008方法测得；
煤的C/H比采用煤中碳和氢的测定方法GB/T 476-2008方法测得；
粘结剂的软化点采用环球法测得；
导热填料的碳含量采用GB/T 3521-2008石墨化学分析法测得；
导热填料的石墨化度以及煤的结晶结构采用XRD测得；
实施例以及对比例所用原料均为市售品。
实施例1
煤基储热碳材料用组合物包括：煤20wt％，天然石墨50wt％，沥青 30wt％。其中，煤的灰分为3.7wt％，挥发分为4.1wt％，C/H为3.2。天然石墨的Lc为48.6nm，La为79.58nm，d002为3.353nm，碳含量为83.7wt％，石墨化度为100％。沥青的软化点为100℃。
煤基储热碳材料按照以下步骤制得：
(1)煤在2200℃的条件下，预处理120min，得到预处理煤，将该高温预处理煤粉碎至50目以下，得到煤颗粒；其中，预处理煤的Lc为22.83nm， La为43.08nm，d002为3.364nm，灰分含量为5wt％，挥发分含量为0wt％；
(2)将煤颗粒、天然石墨与沥青按照上述组合物的组成配比，于200℃下进行混合，得到混合料；
(3)将混合料在110℃、20MPa、10min的条件下进行成型，得到成型样品；
(4)将成型样品于950℃条件下焙烧2.5小时得到煤基储热碳材料A1。
煤基储热碳材料A1的XRD谱图如图1所示，XRD的具体测试条件为： Cu Kα辐射
X射线管电压40kV、管电流40mA，扫描速率为2.5°/min，步长0.02°，2θ范围10～90°连续扫描；由图1能够看出，煤基储热碳材料中同时存在石墨结构(002峰)和无定型碳结构(100峰)。
实施例2
煤基储热碳材料用组合物包括：煤15wt％，天然石墨45wt％，人造石墨为8wt％，沥青32wt％。其中，煤的灰分为3.7wt％，挥发分为4.1wt％，C/H 为3.2。天然石墨的Lc为48.6nm，La为79.58nm，d002为3.35258nm，碳含量为83.7wt％，石墨化度为100％。人造石墨的Lc为24.68nm，La为61.6nm， d002为3.36577nm，碳含量为92wt％，石墨化度为87.68％。沥青的软化点为 87℃。
煤基储热碳材料按照以下步骤制得：
(1)煤在1200℃的条件下，预处理60min，得到高温预处理煤，将该高温预处理煤粉碎至50目以下，得到煤颗粒；其中，预处理煤的灰分含量为5wt％，挥发分含量为0％；
(2)将煤颗粒、天然石墨、人造石墨与沥青按照上述组合物的组成配比，于200℃下进行混合，得到混合料；
(3)将混合料在110℃、20MPa、10min的条件下进行成型，得到成型样品；
(4)将成型样品于950℃条件下焙烧2.5小时得到煤基储热碳材料A2。
实施例3
按照实施例1的方法制备煤基储热碳材料，不同的是：采用煤代替天然石墨，即组合物包括：煤70wt％，天然石墨0wt％，沥青30wt％。制得煤基储热碳材料A3。
实施例4
按照实施例1的方法制备煤基储热碳材料，不同的是：步骤(1)中，直接采用原煤(煤的灰分为3.7wt％，挥发分为4.1wt％，C/H为3.2)，不进行预处理。制备煤基储热碳材料A4。
对比例1
按照实施例1的方法制备储热碳材料，不同的是：
储热碳材料用组合物包括：天然石墨70wt％，沥青30wt％。
储热碳材料按照以下步骤制得：
(1)将天然石墨与沥青按照上述组合物的组成配比，于200℃下进行混合，得到混合料；
(2)将混合料在110℃、20MPa、10min的条件下进行成型，得到成型样品；
(3)将成型样品于950℃条件下焙烧2.5小时得到储热碳材料B1。
对比例2
按照实施例1的方法制备煤基储热碳材料，不同的是：步骤(1)中，煤的含量为5％，粘结剂含量为5％，导热填料的含量为90％。制得储热碳材料B2。
对比例3
按照实施例1的方法制备煤基储热碳材料，不同的是：步骤(1)中，煤的灰分为25wt％，挥发分为35wt％，C/H比为1.5。制得储热碳材料B3。
实施例1-4以及对比例1-3制得的储热碳材料的结构特征以及性能特征分别如表1和表2所示。
表1
表2
| 样品 | 体积密度,g/cm<sup>3</sup> | 热导率,W/mK | 抗压强度,MPa | 抗压强度/热导率 |
| A1 | 1.87 | 81.01 | 26.97 | 0.33 |
| A2 | 1.82 | 63.18 | 24.08 | 0.38 |
| A3 | 1.83 | 50.76 | 37.8 | 0.74 |
| A4 | 1.72 | 41.45 | 32.32 | 0.78 |
| B1 | 2.02 | 207.1 | 9.3 | 0.04 |
| B2 | 1.61 | 103.2 | 5.9 | 0.03 |
| B3 | 1.58 | 77.9 | 13.8 | 0.18 |
由表1和表2的数据可看出，本发明实施例提供的煤基储热碳材料包含具有特定ID/IG的组分A和特定ID/IG的组分B，并且煤基储热碳材料的d002 以及微晶尺寸满足本发明的限定时，煤基储热碳材料在维持较高的热导率的前提下，煤基储热碳材料的抗压强度显著提高，并且抗压强度/热导率的比值显著增大。
进一步地，采用高温对煤进行预处理，特别地，采用2000℃以上的高温对煤进行预处理，与未经预处理的煤相比，制得的煤基储热材料的抗压强度得到进一步提高。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (19)
1.一种煤基储热碳材料，其特征在于，所述煤基储热材料包括组分A和组分B；
所述组分A的ID/IG为0-0.6，所述组分B的ID/IG>1；
其中，ID为通过拉曼光谱获得的D峰的高度，IG为通过拉曼光谱获得的G峰的高度；
所述煤基储热碳材料通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为15-70nm，a轴方向的微晶尺寸La为15-150nm，(002)晶面的层间距d002为3.345-3.370nm。
2.根据权利要求1所述的煤基储热碳材料，所述煤基储热碳材料的抗压强度与热导率的比值为0.3-0.8。
3.根据权利要求1或2所述的煤基储热碳材料，其中，所述煤基储热碳材料的体积密度为1.7-2g/cm3，热导率为10-200W/mK，抗压强度为18-50MPa。
4.一种用于制备煤基储热碳材料的组合物，其特征在于，所述组合物包括煤、粘结剂和可选的导热填料；
基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为10-80wt％，所述粘结剂的用量为10-40wt％，所述导热填料的用量为0-55wt％；
以所述煤的总重量计，所述煤包含0.5-20wt％的灰分和0-30wt％的挥发分；
所述煤的C/H比值>2。
5.根据权利要求4所述的组合物，其中，基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为15-70wt％，所述粘结剂的用量为10.1-35wt％，所述导热填料的用量为10-50wt％；
优选地，以所述煤的总重量计，所述煤包含0.5-5wt％的灰分和5-20wt％的挥发分；所述煤的C/H比值为2.2-4.2。
6.根据权利要求4或5所述的组合物，其中，所述煤通过XRD获得的(002)晶面的层间距d002为3.345-3.370nm，c轴方向的微晶尺寸Lc为20-65nm，a轴方向的微晶尺寸La为17.66-140nm。
7.根据权利要求3-6中任意一项所述的组合物，其中，所述粘结剂为沥青，优选为中间相沥青；
优选地，所述粘结剂的软化点为80-350℃。
8.根据权利要求3-7中任意一项所述的组合物，其中，所述导热填料选自天然鳞片石墨和/或人造石墨；
优选地，所述导热填料通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为20-60nm，a轴方向的微晶尺寸La为40-80nm和(002)晶面的层间距d002为3.350-3.369nm；
优选地，以所述导热填料的总重量为基准，碳含量为50-100wt％；
优选地，所述导热填料的石墨化度为80-100％。
9.一种煤基储热碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将煤基储热碳材料组合物中的各组分进行煤基储热碳材料组合物进行混合，得到混合料；
S2、将所述混合料进行压坯、成型，得到成型样品；
S3、在真空条件下或在惰性气氛存在的条件下，将所述成型样品进行焙烧，得到所述煤基储热碳材料；
其中，所述组合物包括煤、粘结剂和可选的导热填料；
基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为10-80wt％，所述粘结剂的用量为10-40wt％，所述导热填料的用量为0-55wt％；
以所述煤的总重量计，所述煤包含0.5-20wt％的灰分和0-30wt％的挥发分；所述煤的C/H比值>2。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，基于所述组合物的总重量，所述煤的含量为15-70wt％，所述粘结剂的用量为10.1-35wt％，所述导热填料的用量为10-50wt％；
优选地，以所述煤的总重量计，所述煤包含0.5-5wt％的灰分和5-20wt％的挥发分；所述煤的C/H比值为2.2-4.2。
11.根据权利要求9或10所述的制备方法，其中，所述煤通过XRD获得的(002)晶面的层间距d002为3.345-3.370nm，c轴方向的微晶尺寸Lc为20-65nm，a轴方向的微晶尺寸La为17.66-140nm。
12.根据权利要求9-11中任意一项所述的组合物，其中，所述粘结剂为沥青，优选为中间相沥青；
优选地，所述粘结剂的软化点为80-350℃。
13.根据权利要求9-12中任意一项所述的组合物，其中，所述导热填料选自天然鳞片石墨和/或人造石墨；
优选地，所述导热填料通过XRD获得的c轴方向的微晶尺寸Lc为20-60nm，a轴方向的微晶尺寸La为40-80nm，(002)晶面的层间距d002为3.350-3.369nm；
优选地，以所述导热填料的总重量为基准，碳含量为50-100wt％；
优选地，所述导热填料的石墨化度为80-100％。
14.根据权利要求9-13中任意一项所述的制备方法，其中，所述方法还包括在步骤S1前，对所述煤进行高温预处理的步骤；
优选地，所述高温预处理的条件包括：预处理温度为1050-3000℃，预处理时间为30-120min。
15.根据权利要求9-14中任意一项所述的制备方法，其中，步骤S1中，所述混合的条件包括：混合温度为150-210℃。
16.根据权利要求9-15中任意一项所述的制备方法，其中，步骤S2中，所述成型的条件包括：成型温度为105-200℃，成型压力为10-100MPa，成型时间为1-30min。
17.根据权利要求9-16中任意一项所述的制备方法，其中，步骤S3中，所述焙烧的条件包括：焙烧温度为800-1300℃，焙烧时间为0.5-2h。
18.一种由权利要求9-17中任意一项所述的制备方法制得的煤基储热碳材料。
19.权利要求1-3和18中任意一项所述的煤基储热碳材料或权利要求4-8中任意一项所述的用于制备煤基储热碳材料的组合物在储热过程、换热过程、导热过程和释热过程中的至少一种中的应用。
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