同步辐射宏ATR-FTIR显微光谱技术揭示塑性层形成过程中微织构转变的化学表征

本研究通过同步辐射宏ATR-FTIR显微光谱技术与各向异性商数（AQ）彩色编码双反射映射，揭示了澳大利亚不同煤阶焦煤在塑性层形成过程中微织构（如带状和透镜状结构）的演变规律及其化学结构（芳香度、CH2 /CH3 比值）的关联性，为优化焦炭质量和冶金性能提供了化学机制层面的新见解。

　　

在冶金工业中，焦炭作为高炉的核心原料，其质量直接影响炼铁效率和能耗。然而，焦炭微织构（microtexture）的形成机制，尤其是塑性层阶段化学结构与微观结构的动态关联，长期缺乏高分辨率的原位表征手段。传统研究多聚焦于终态焦炭的宏观性能，忽略了塑性层这一关键转化阶段的化学-结构协同演变过程。

为解决这一难题，澳大利亚的研究团队创新性地结合同步辐射宏衰减全反射傅里叶变换红外（macro ATR-FTIR）显微光谱与各向异性商数（AQ）彩色编码双反射映射技术，对三种不同煤阶（MMVR 0.90%-1.53%）的澳大利亚焦煤塑性层样品展开研究。通过实验室模拟工业焦化条件的双壁加热焦炉，捕获了从塑性层到半焦区域的完整转化序列，首次实现了微米级化学结构与光学各向异性的空间关联分析。

研究团队运用三项关键技术：1）实验室4公斤级焦炉中断焦化实验获取塑性层样品；2）Pearson公司开发的AQ双反射映射（分辨率0.95 μm/像素）定量分析微织构成分（如各向同性惰性体、带状结构）；3）澳大利亚同步辐射光源IRM线站的宏ATR-FTIR显微光谱（分辨率1.75 μm）绘制芳香度、CH₂
/CH₃
比值等化学参数的空间分布。

3.1 微织构从塑性层到半焦的演变
通过AQ映射发现，高煤阶煤（C3）在早期再固化阶段即形成大量环形结构，其CH₂
/CH₃
比值达10-15，伴随后续加热逐步转化为带状结构（Ratio 2值最高）。而低煤阶煤（C1）因残留-CH₃
阻碍芳香堆叠，主要生成各向同性结构（Ratio 1仅0.3）。

3.2 AQ映射与同步辐射FTIR的关联分析
化学图谱显示，C2煤的环形结构区域具有低芳香度（A_ar
/A_al
）但高CH₂
交联，促进后续带状结构形成；C3煤的带状结构区域则呈现同步升高的芳香度（0.4-0.6）和芳环缩合度（DOC）。相反，C1煤因-CH₃
残留导致DOC始终低于0.2，限制有序碳层发展。

结论与意义
该研究首次阐明煤阶通过调控塑性层阶段的化学交联网络（CH₂
/CH₃
比值）驱动微织构定向演化：高煤阶煤通过-CH₂
-交联促进芳香域缩合，形成高强度带状/透镜状结构；低煤阶煤则因-CH₃
空间位阻导致各向同性结构主导。成果发表于《Fuel》，为焦炭质量预测和配煤工艺优化提供了分子层面的设计依据，同步辐射与AQ联用技术更为复杂碳材料研究开辟了新范式。