2.3　微觀結(jié)構(gòu)分析

2.3.1　X射線衍射（XRD）分析

煤樣中的礦物成分采用RagKuD/max2000型X射線衍射儀進(jìn)行了分析，Cu靶，k_α特征射線，管電壓40kV，管電流150mA，掃描速度2°/min，掃描范圍2.5°～70°。圖2-1是兩種無煙煤的X射線衍射（XRD）圖譜。

如圖2-1所示，兩種無煙煤的XRD譜圖中，在2θ為26°附近都出現(xiàn)了一個強(qiáng)衍射峰，為石墨的（002）晶面衍射峰，說明無煙煤存在似石墨微晶結(jié)構(gòu)，變質(zhì)程度較高，具有二維層狀結(jié)構(gòu)的特征。在2θ為44°處出現(xiàn)一個弱的（100）衍射峰，說明無煙煤中存在一定量的無定形碳結(jié)構(gòu)。因此，無煙煤芳香片層的排列方式介于似石墨的規(guī)則排列與任意散亂分布排列之間，稱之為“亂層結(jié)構(gòu)”或“任意晶體層結(jié)構(gòu)”。（002）石墨晶面衍射峰反映了芳香片層的堆垛高度，（100）石墨晶面衍射峰反映了芳香片層平均尺寸。根據(jù)煤的X射線衍射曲線特征，通過Bragg方程和Scherer公式可以定性計算出煤中芳香片層的晶面間距d₀₀₂、平均微晶尺寸L_a、芳香片層的堆垛高度L_c以及芳香片層的堆垛層數(shù)n等微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)。d₀₀₂=λ/2sinθ₀₀₂，λ=0.15418nm，石墨纖維素理想層間距值是3.975?，單晶石墨理想層間距值是3.354?；L_a=1.84λ/（β_acosφ_a），L_c=0.89λ/（β_ccosφ_c），其中φ_c、φ_a是XRD圖譜上（002）和（10/100）衍射峰對應(yīng)的衍射角的半角，β_c、β_a是XRD圖譜上（002）和（10/100）衍射峰對應(yīng)的半高寬，單位rad。兩種無煙煤的微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2-5所示。從表2-5可知，安陽和太西無煙煤的芳香片層層間距分別為3.44?和3.46?，接近于單晶石墨的標(biāo)準(zhǔn)晶面間距（3.354?），表明這兩種無煙煤晶體結(jié)構(gòu)較為完善。安陽煤的平均微晶尺寸（L_a=23.21?）較太西煤的（L_a=26.43?）小，芳香層片的堆垛高度（L_c=16.66?）比太西煤的（L_c=13.23?）大，因此安陽煤的徑厚比（L_a/L_c=1.39）較太西煤的（L_a/L_c=1.99）低，芳香片層的堆垛層數(shù)（n=4.84）較太西煤的（n=3.76）大。

2.3.2　拉曼（Raman）光譜分析

拉曼光譜對碳材料的結(jié)構(gòu)有序度較為敏感，能夠指示碳物質(zhì)中存在的結(jié)構(gòu)缺陷。大量研究證實(shí)，拉曼光譜一級模的D帶（1350cm^-1左右）與G帶（1580cm^-1左右）的強(qiáng)度比與碳材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序性成反比。本研究采用RenishawinVia型激光共焦拉曼光譜儀表征了安陽煤（AY）和太西煤（TX）微晶片層的有序性，激光波長為514.5nm，功率2mW，狹縫寬度65μm，時間常數(shù)20s，掃描累計3次，所獲光譜范圍為4000～400cm^-1。只對一級拉曼序區(qū)的D峰和G峰進(jìn)行討論。圖2-2為兩種無煙煤的拉曼光譜圖。

如圖2-2所示，兩種無煙煤的煤化度較高，在一級峰區(qū)域存在兩個明顯的散射峰，1580cm^-1附近處的尖銳峰，歸屬為石墨晶格面內(nèi)C—C鍵E_2g模式的伸縮振動，稱為石墨峰（G峰）；而在1350cm^-1附近存在一個寬闊且弱的譜峰，該譜峰是由石墨晶格缺陷、邊緣無序排列和低對稱碳結(jié)構(gòu)引起的，稱為結(jié)構(gòu)無序峰（D峰），此峰反映物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷程度。

表2-6為兩種無煙煤的拉曼光譜特征參數(shù)值。如表2-6所示，兩種無煙煤G峰半高寬均大于高有序性的石墨材料的G峰半高寬（15～23cm^-1），表明無煙煤中存在一定的無序結(jié)構(gòu)。對比發(fā)現(xiàn)，兩種無煙煤D峰和G峰在拉曼峰位置、半高寬以及強(qiáng)度等方面各不相同，安陽無煙煤D峰半高寬較窄，其晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷較少，G峰半高寬也較窄，I_D/I_G值較低，這三個因素共同表明安陽無煙煤結(jié)構(gòu)缺陷較低，結(jié)構(gòu)有序性較高。這種較為有序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可為獲得更多的似石墨的二維片層結(jié)構(gòu)奠定一定的基礎(chǔ)。

2.3.3　掃描電子顯微（SEM）分析

煤的片層結(jié)構(gòu)形態(tài)和尺寸采用S4800LV場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行了分析，加速電壓為5.0kV。圖2-3分別為安陽無煙煤和太西無煙煤的掃描電子顯微照片。由圖2-3（a）可知，安陽無煙煤層狀結(jié)構(gòu)明顯，同時呈階梯狀排列整齊，層片的斷面覆蓋著少量的鱗片狀的煤顆粒，平均粒徑在0.3μm左右，其疏松程度類似于撕開的海綿斷面，具有類石墨的片層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。如圖2-3（b）所示，太西無煙煤中的煤顆粒整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)塊狀，微晶層堆疊緊密，縮合程度較高，整體結(jié)構(gòu)比較致密，斷面的片層結(jié)構(gòu)不太發(fā)育，只有些許平均粒徑在2.0μm左右的小片狀顆粒零星分布。兩種無煙煤對比發(fā)現(xiàn)，安陽無煙煤中片層結(jié)構(gòu)較明顯，結(jié)構(gòu)更為疏松。