煤系石墨微晶结构各向异性和非均质性的拉曼光谱表征

李焕同^1,², 邹晓艳^3,^*, 夏炎⁴, 张卫国¹

Anisotropic and Heterogeneity of Coal Measures Graphite Micro-Crystalline Structure by Raman Spectroscopy

LI Huan-tong^1,², ZOU Xiao-yan^3,^*, XIA Yan⁴, ZHANG Wei-guo¹

(a) 典型样品的XRD谱图; (b) (002)衍射峰分峰拟合; (c) (100)和(101)峰分裂对以上特征峰的分峰拟合求解峰位、半峰宽等数据( 表2 ), 利用Bragg方程和Scherrer公式求取芳香层面网间距( d ₀₀₂)、堆砌度( L _c)和延展度( L _a)等结构参数。通常以晶面间距 d ₀₀₂值把高煤级煤石墨化过程划分无烟煤(>0.348 nm)、变质无烟煤或石墨化无烟煤(0.348~0.340 nm)、半石墨(0.340~0.338 nm)和煤系石墨(<0.338 nm)等阶段^{[ 1 ]}, 并评价其石墨化度, 以0.344和0.338 nm两个界点将煤系石墨的形成过程划分为晶格构建准备、雏晶形成、晶格生长优化等3个阶段^{[ 10 ]}。煤系石墨结构演化亦可以堆砌度 L _c≤5 nm划分为紊层结构(各向同性), L _c≥30 nm时视为较完善石墨结构形成的标志(各向异性), 而在10~20 nm间属于石墨化结构不够完善的过渡态结构。在石墨化作用前期的晶格构建准备阶段, (002)峰较宽缓, 主要为无序碳形成的紊层结构, 芳香层片径向不断增大, 随机取向; 随着温度升高、挤压作用增强, 芳香层片的堆砌高度( L _c)增大, 煤系石墨雏晶形成( L _c>10 nm), 有序畴增大, 仍呈紊层堆积; 在高温主导, 剪应力作用参与下, 煤系石墨微晶生长优化, L _a、 L _c明显增大, 缺陷减少, d ₀₀₂减小趋于完善有序的石墨结构, 石墨微晶旋转、择优取向, 随着沿C轴方向堆砌高度的增加, 煤系石墨结构碳层表面和石墨边缘面呈现显著各向异性。