2.3 微观结构分析
2.3.1 X射线衍射（XRD）分析
煤样中的矿物成分采用RagKuD/max2000型X射线衍射仪进行了分析，Cu靶，kα特征射线，管电压40kV，管电流150mA，扫描速度2°/min，扫描范围2.5°～70°。图2-1是两种无烟煤的X射线衍射（XRD）图谱。
图2-1 TX和AY两种无烟煤的XRD图谱
如图2-1所示，两种无烟煤的XRD谱图中，在2θ为26°附近都出现了一个强衍射峰，为石墨的（002）晶面衍射峰，说明无烟煤存在似石墨微晶结构，变质程度较高，具有二维层状结构的特征。在2θ为44°处出现一个弱的（100）衍射峰，说明无烟煤中存在一定量的无定形碳结构。因此，无烟煤芳香片层的排列方式介于似石墨的规则排列与任意散乱分布排列之间，称之为“乱层结构”或“任意晶体层结构”。（002）石墨晶面衍射峰反映了芳香片层的堆垛高度，（100）石墨晶面衍射峰反映了芳香片层平均尺寸。根据煤的X射线衍射曲线特征，通过Bragg方程和Scherer公式可以定性计算出煤中芳香片层的晶面间距d002、平均微晶尺寸La、芳香片层的堆垛高度Lc以及芳香片层的堆垛层数n等微晶结构参数。d002=λ/2sinθ002，λ=0.15418nm，石墨纤维素理想层间距值是3.975Å，单晶石墨理想层间距值是3.354Å；La=1.84λ/（βacosφa），Lc=0.89λ/（βccosφc），其中φc、φa是XRD图谱上（002）和（10/100）衍射峰对应的衍射角的半角，βc、βa是XRD图谱上（002）和（10/100）衍射峰对应的半高宽，单位rad。两种无烟煤的微晶结构参数如表2-5所示。从表2-5可知，安阳和太西无烟煤的芳香片层层间距分别为3.44Å和3.46Å，接近于单晶石墨的标准晶面间距（3.354Å），表明这两种无烟煤晶体结构较为完善。安阳煤的平均微晶尺寸（La=23.21Å）较太西煤的（La=26.43Å）小，芳香层片的堆垛高度（Lc=16.66Å）比太西煤的（Lc=13.23Å）大，因此安阳煤的径厚比（La/Lc=1.39）较太西煤的（La/Lc=1.99）低，芳香片层的堆垛层数（n=4.84）较太西煤的（n=3.76）大。
表2-5 不同矿区无烟煤微晶炭结构参数
2.3.2 拉曼（Raman）光谱分析
拉曼光谱对碳材料的结构有序度较为敏感，能够指示碳物质中存在的结构缺陷。大量研究证实，拉曼光谱一级模的D带（1350cm-1左右）与G带（1580cm-1左右）的强度比与碳材料内部结构有序性成反比。本研究采用RenishawinVia型激光共焦拉曼光谱仪表征了安阳煤（AY）和太西煤（TX）微晶片层的有序性，激光波长为514.5nm，功率2mW，狭缝宽度65μm，时间常数20s，扫描累计3次，所获光谱范围为4000～400cm-1。只对一级拉曼序区的D峰和G峰进行讨论。图2-2为两种无烟煤的拉曼光谱图。
图2-2 两种无烟煤的拉曼光图谱
如图2-2所示，两种无烟煤的煤化度较高，在一级峰区域存在两个明显的散射峰，1580cm-1附近处的尖锐峰，归属为石墨晶格面内C—C键E2g模式的伸缩振动，称为石墨峰（G峰）；而在1350cm-1附近存在一个宽阔且弱的谱峰，该谱峰是由石墨晶格缺陷、边缘无序排列和低对称碳结构引起的，称为结构无序峰（D峰），此峰反映物质内部结构缺陷程度。
表2-6为两种无烟煤的拉曼光谱特征参数值。如表2-6所示，两种无烟煤G峰半高宽均大于高有序性的石墨材料的G峰半高宽（15～23cm-1），表明无烟煤中存在一定的无序结构。对比发现，两种无烟煤D峰和G峰在拉曼峰位置、半高宽以及强度等方面各不相同，安阳无烟煤D峰半高宽较窄，其晶格内部结构缺陷较少，G峰半高宽也较窄，ID/IG值较低，这三个因素共同表明安阳无烟煤结构缺陷较低，结构有序性较高。这种较为有序的内部结构，可为获得更多的似石墨的二维片层结构奠定一定的基础。
表2-6 两种无烟煤的拉曼光谱特征参数值
注：ID，IG分别为D峰，G峰的积分强度。
2.3.3 扫描电子显微（SEM）分析
煤的片层结构形态和尺寸采用S4800LV场发射扫描电子显微镜进行了分析，加速电压为5.0kV。图2-3分别为安阳无烟煤和太西无烟煤的扫描电子显微照片。由图2-3（a）可知，安阳无烟煤层状结构明显，同时呈阶梯状排列整齐，层片的断面覆盖着少量的鳞片状的煤颗粒，平均粒径在0.3μm左右，其疏松程度类似于撕开的海绵断面，具有类石墨的片层结构特点。如图2-3（b）所示，太西无烟煤中的煤颗粒整体结构呈现块状，微晶层堆叠紧密，缩合程度较高，整体结构比较致密，断面的片层结构不太发育，只有些许平均粒径在2.0μm左右的小片状颗粒零星分布。两种无烟煤对比发现，安阳无烟煤中片层结构较明显，结构更为疏松。
图2-3 无烟煤扫描电镜图