在“2030碳达峰、2060碳中和”的背景下,开发利用生物质能已经成为了解决能源与环境问题的战略选择,作为零碳能源的生物质将会发挥越来越重要的作用。高强度炭材料由于具有许多优异的性能而广泛地运用在冶金、机电、航空航天以及新能源等领域。目前高强度炭材料的制备原料仍然严重依赖于煤、石油等化石能源。通过开发新型高强度生物质炭材料,拓展生物质基高价值炭材料的研究领域是当前的科学前沿问题。本文以玉米秸秆热解制取的生物油、生物焦为前驱体制备高强度炭材料,优化炭材料制备的操作条件,明确玉米秸秆热转化制备高强度炭材料结构与强度的构效关系,为玉米秸秆的高值化利用提供科学依据。首先,采用机械混合、冷压成型、热处理等一系列操作制备玉米秸秆基炭材料,研究了玉米秸秆的热解温度、生物油的添加比例、成型压力、热处理温度对炭材料的影响规律,并以抗压强度为指标,在单因素试验基础上,采用正交试验对炭材料的制备工艺参数进行了优化。结果表明:当玉米秸秆热解温度为600℃,生物油添加比例为40%,成型压力为21.85MPa,热处理温度为800℃时,炭材料的抗压强度最高,此时炭材料的抗压强度为9.78MPa。该工艺的优化设计为玉米秸秆制备高强度炭材料工艺参数的选择提供了参考。利用元素分析、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、氮气吸附-脱附、拉曼光谱等手段对炭材料从元素、表面、分子三个尺度进行了表征。从元素尺度上发现热处理温度对于炭材料的元素含量变化影响很小,但热处理温度的升高使H/C的值逐渐降低,表明炭材料的芳香性逐渐增强,化学性质趋于稳定,其结构以大的稠环结构为主。生物油添加比例的提高使炭材料中碳元素的含量升高,而对氢、氮元素的影响相对较小,H/C值变化幅度较小。炭材料燃烧热值最高可达30.735MJ/kg,可以代替煤用作燃料,同时还具有替代工业生产冶金焦的潜能。从表面尺度上发现热处理温度对炭材料表面官能团影响较大,热处理过程使生物油与生物焦之间发生聚合作用形成大分子环状结构从而增加炭材料分子的大小。结合炭材料的扫描电镜和比表面积与孔隙结构分析结果发现生物质油在热处理过程中焦炭的形成是炭材料抗压强度升高的最主要原因,其表现为随着热处理温度和生物油添加比例的升高,炭材料的比表面积及孔体积呈现下降的趋势,孔结构越来越不发达。从分子尺度上发现炭材料的热处理使大的芳环结构与小的芳环结构比例下降,因此认为热处理反应过程中并未形成更多量的大分子芳环结构,更可能是存在交联反应产生脂肪结构的行为。