中国粉体网讯 20世纪60年代，科技工作者在研究焦炭的形成过程中发现，沥青热处理过程中发生了热缩聚反应生成各向异性的小球体，这些小球通过长大、相互融并，最后形成广域的融并体。1973年日本学者首次将其从沥青母体中分离出来，并把分离出来的微米级小球称为中间相炭微球（MCMB）。中间相炭微球具有良好的物化性能（如化学稳定性、热稳定性、导电和导热性能等），是一种具有较大开发潜力和应用前景的碳材料。它可以作为锂离子电池负极材料、高密高强炭材料、催化剂载体、高超比表面积活性炭等使用。
中间相炭微球的生成过程涉及到成核、成长和融并等过程。含有稠环芳烃的化合物（如煤沥青、煤焦油、石油沥青等）在热处理时，发生热缩聚反应后形成的一种盘状向列液晶结构，在一定阶段由于表面张力作用呈球形，随着小球的长大和融并最后转化为中间相大融并体结构。采用适当方法把这些各相异性小球体从母液体分离出来的纳米级球形炭材料即为中间相炭微球。
图1中间相炭微球显微镜
中间相炭微球的形成机理研究大致经历了三个阶段：液相炭化理论，这一理论跨越了中间相炭微球研究的早期和中期；之后有研究者对液相炭化理论进行改进，指出中间相炭微球的生成不是小球间简单的插入和融并，而是不同结构单元间连续构筑的结果，即微域构筑理论；后又有研究者提出颗粒基本单元构筑理论，该理论提出中间相形成和发展过程是三级结构的连续构筑。
1、液相炭化理论
传统的解释认为，含有多种组分的沥青有机化合物在较高温度下加热会发生热解、热脱氢、环化、缩聚和芳构化等一系列化学反应，逐渐形成的分子量更大、热稳定性更高的芳烃平面分子，这些芳烃平面分子为圆盘形的多环结构。在分子热运动和外力的作用下，芳烃平面分子发生取向，在范德华力的作用下形成层积体。为了保持体系稳定达到最低能量状态，这些形成的层积体开始在表面张力的作用下缩聚成球体，也就是中间相炭微球。这些小球体不断吸收母液中的小分子长大，在高温的作用下小球体与小球体之间的碰撞激烈，平面分子层面彼此插入，从而使得球体之间相互融并形成更大的球体。最终在表面张力的作用下形成体中间相，示意图见图2。但实验发现液态碳化理论不能很好的解释非均相成核中间相的形成和发展过程。
图2中间相炭微球的液态碳化理论
2、微域构筑理论
鉴于中间相小球融并长大的实际情况与液体碳化理论解释存在一定差异。日本学者I.Mochida等人提出了“微域构筑”理论。他们认为炭质中间相是先形成具有规则形状的片状分子堆积单元，然后由片状分子堆积单元构成球形的微域，再由微域堆积成中间相球体，如图3所示。这种理论不仅可以解释炭微球连续长大的现象，还可以有效解释均相、非均相二种成核中间相的的形成过程。虽然不同于传统碳化理论的球体片层之间相互插人而长大的不合理解释，但“微域构筑”理论过于理想化，片层的堆积为复杂的过程，而非简单的规则的微晶模型。
a一片状芳香分子；b一片状分子堆积单元（分子组装单元）；c一中间相沥青之微域（准取向分子组装单元）
图3中间相炭微球的“微域构筑”理论
3、颗粒基本单元构筑理论
天津大学的李同起等基于非均相成核制备中间相炭微球实验提出了球形基本单元构筑理论，该理论认为中间相形成和发展过程是三级结构的连续构筑：首先反应体系内的小分子经过热缩聚反应形成平面分子（一级结构），平面分子在范德华力和π-π电子力的作用下堆积形成中间相构筑单元（二级结构），随后中间相构筑单元堆积形成中间相小球体（三级结构）。为了拓展该理论的适用范围，他们又将该理论进一步完善为颗粒基本单元构筑理论，使得中间相构筑单元不仅仅局限于球形。
a一平面分子；b一中间相构筑；C一中间相球体；d一碳化中间相炭微球
图4中间相炭微球的颗粒基本单元构筑理论
小结
自从中间相炭微球被发现后，研究人员对其结构、性能、应用等多方面都有了较深的理解。不过，对于中间相炭微球的生长机理，当前还没有一种理论能够准确的描述其成长过程，未来仍需作进一步的深化研究。
参考来源：
1、吕家贺.中间相炭微球基负极材料设计及储锂性能研究
2、颜丙峰等.两种原料共炭化制取中间相炭微球
3、于银萍等.中间相炭微球的研究进展
（中国粉体网编辑整理/文正）
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