中間相

由於它們在二元相圖上的位置總是位於中間，故通常把這些相稱為中間相。晶體結構一般和組元金屬不同,物理、化學和力學性質也迥異。中間相是一類重要的合金相。按照結合鍵的類型，中間相可以分為離子化合物、共價化合物和金屬化合物；按照它們的形成規律和結構、性能特徵,又可區分為正常價化合物、電子化合物、 間隙化合物和拓撲密堆相（TCP相）。這些化合物一般具有金屬性質,只一部分正常價化合物例外。習慣上中間相又常被稱為金屬間化合物（in-termetallic compound）。但也有人把成分範圍較寬的中間相區分為Ⅱ類固溶體（secondary solid solution），而用金屬間化合物一詞專指均質範圍比較狹窄，化學計量比較簡單的中間相。

中間相可以是化合物，也可以是以化合物為基的固溶體（稱為第二類固溶體或二次固溶體）。中間相可用化合物的化學分子式表示。大多數中間相中，原子間的結合方式屬於金屬鍵與其他典型鍵（如離子鍵、共價鍵和分子鍵）相混合的一種結合方式。因此，它們都具有金屬性。正是由於中間相中各組元間的結合含有金屬的結合方式，所以表示它們組成的化學分子式並不一定符合化學價規律，如CuZn，Fe₃C等。

根據電負性、電子濃度和原子尺寸對中間相的形成及晶體結構的影響，可將中間相分為正常價化合物、電子化合物、與原子尺寸因素有關的化合物和超結構（有序固溶體）等幾大類。 ^[1] 

19 世紀煤煉製焦炭的技術獲得了長足的發展，獲得的焦炭和其他焦炭的主要區別是其在高温時的石墨化能力不同。Brooks 和Taylor用偏光顯微鏡考察了熔融時的煤焦油，發現有各向異性的流線型和鑲嵌型的結構的形成，這種結構是由一種各向異性的小球經過形成、長大和融並變形後形成的。後來發現由可熔有機化合物來製備各向異性的、可石墨化的炭材料時，有相同的現象出現。Brooks 和 Taylor 把這種製備可石墨化炭材料的中間的相態稱為“中間相”。具有中間相特點的瀝青類的物質稱為“中間相瀝青”。

當然，中間相不僅僅限於瀝青這樣的石油或者煤化產品，很多晶體或者其他物質也具有中間相。

也有人把液晶也歸作中間相，或者把中間相歸作液晶。 ^[2] 

一般來説，中間相含量的測定採用偏振光顯微鏡進行測定：製備好樣品之後利用偏光顯微鏡觀察，旋轉載物台，顏色發生（明暗或色彩）變化的相就是中間相。利用合適的圖形圖像處理軟件比較面積比值即可求出中間相含量。另外還有計數法，也可以計算出中間相含量，此法使用較少。 ^[2] 

煤瀝青是一種由多環、稠環芳烴及其衍生物組成的複雜混合物，具有來源廣泛，價格低，含碳量高等優點，可被視為製備高級碳材料的前體中間相是指瀝青在加熱碳化過程中經過熱解與縮聚反應，揮發逸出輕組分，殘留物進行深度縮聚脱氫反應，得到介於液相和固相以芳香稠環結構為主的微晶結構。中間相首先以產生小球為主，然後進一步成長、融並，形成各向異性的大尺寸晶體。在該過程中，縮合炭網的層狀堆積得到有序化發展。中間相結構對炭材料性能，諸如導電性、熱膨脹性、石墨化性和力學性能有很大影響。

開展中間相的形成機理、結構和性能的研究，對碳材料相關產品的製備意義重大。

一、中間相瀝青的形成機理

中間相瀝青的形成是一種相轉化的過程，由各向同性向各向異性轉化，是瀝青不斷進行熱分解和熱縮聚反應達到一定程度的產物，主要分為3個階段：成核、成長、融並。目前中間相形成機理有3種：①傳統理論，②微域構築理論，③球形單位構築理論。

傳統理論其原理可用圖1表示。認為中間相小球的長大是靠不斷地融並周圍的瀝青母液，球體片層間的互相插入，但是球體片層之間相遇的概率小，互相插入需要很高的能量。傳統理論沒有很好地解釋中間相微球的形成和發展過程。

微域構築理論原理如圖2。該理論認為中間相小球的生長是由許多微域堆積而成，而不是傳統理論認為的球體片層相互插入。該理論解釋了均相成核和非均相成核的過程，但是，實際上並不存在以片狀分子堆積單元為基本的組織結構。

球形單位構築理論原理如圖3。該理論認為中間相微球的形成和發展是通過三級結構連續構築的。首先小芳香分子縮聚形成大平面片層分子（一級結構），隨後大平面片層分子連續層積構建球形的中間相構築單元（二級結構），最終由中間相構築單元堆積產生中間相球體（三級結構）。

煤瀝青中間相在346~526°C之間出現。在該温度範圍內，煤瀝青組分大分子將發生熱解、縮合和芳構化等一系列反應，生成熱力學穩定的多核稠環芳香大分子。中間相的形成以兩種化學反應為主，一是大分子發生斷鏈轉化為小分子的吸熱反應，二是小分子縮合為大分子的放熱反應。有的研究人員把瀝青分為3部分。相對分子質量在400~700之間屬於活潑分子組分；相對分子質量在700~1200之間屬於過渡性反應組分，其反應活性次之，是進一步反應生成中間相的原料，相對分子質量大於1200的組分是中間相生成反應過程中穩定的惰性分子。在中間相形成過程中，平面芳烴分子必須足夠大才能保持分子間的作用力，維持穩定有序的排列，而且整個反應體系的粘度需保持在合適的範圍，維持分子能夠自由移動。

二、應用

由於煤瀝青來源豐富，價格低廉，作為中間相瀝青的重要原料來源，受到了廣泛的研究。煤瀝青組分複雜，是大量稠環芳烴混合物，並且不能完全溶解於溶劑，只能採取定性方法進行分析，同時由於煤瀝青縮合度較高，直接進行熱聚合，中間相小球不能長大、融並，易生成鑲嵌型結構，不易獲得可溶性好、光學各向異性高的中間相瀝青。因此，需要通過控制熱聚合參數、改善反應氣氛、添加添加劑等方法獲得優質中間相。

以中間相瀝青為前驅體，可製得浙青基碳纖維、中間相碳微球、瀝青基泡沫炭、炭膜、炭一炭複合材料、鋰電池負極材料、耐火材料的黏結劑等，廣泛應用於國防軍工、航空航天等行業。但是中間相具體的形成和發展機理還未取得共識，存在較大爭議，需要對中間相的生成過程深入進行動力學規律探究，建立更完善的數學模型，揭示影響中間相生成的外部因素和內在原因。另外，還需發展新的中間相瀝青分析方法。目前最直接的分析鑑定只能採用偏光顯微鏡，但是這種方法受到光學分辨率的限制。豐富和提高中間相瀝青的分析表徵方法，才能推動中間相理論研究工作和加速各向異性炭材料的研究進展。 ^[2-3]