今天只聊石墨，不談烯

發(fā)布時間 | 2017-05-10 15:20 分類 | 行業(yè)要聞點擊量 | 3146

石墨顏料石墨烯納米材料

導(dǎo)讀：

石墨是碳元素的結(jié)晶礦物之一，具有耐高、抗腐蝕、抗熱震、強度大、韌性好、自潤滑強度高、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、可塑性、可涂敷性等特有的物理化學(xué)性能。廣泛應(yīng)用于冶金、機械、電子、化工、輕工、軍工、國防、航天及耐火材料等行業(yè)，是當(dāng)今高新技術(shù)發(fā)展必不可少的非金屬材料。

圖1 石墨粉及其晶格結(jié)構(gòu)

1. 石墨的分類

石墨分為人造石墨和天然石墨，其中天然石墨根據(jù)結(jié)晶形態(tài)不同的石墨礦物，具有不同的工業(yè)價值和用途，將天然石墨分為三類：致密結(jié)晶狀石墨、晶質(zhì)(鱗片)石墨和隱晶質(zhì)(土狀)石墨。

圖2 (a)致密結(jié)晶狀石墨、(b)晶質(zhì)(鱗片)石墨和(c)隱晶質(zhì)(土狀)石墨

2. 石墨的特殊性質(zhì)

（1）耐高溫性：石墨熔點為3850±50℃，沸點為4250℃，即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，重量損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時，石墨強度提高一倍。

（2）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：石墨導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍。導(dǎo)熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。石墨能夠?qū)щ娛且驗槭忻總€碳原子與其他碳原子只形成3個共價鍵，每個碳原子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。

（3）潤滑性：石墨潤滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤滑性能越好。

（4）化學(xué)穩(wěn)定性：石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕。

（5）可塑性：石墨的韌性好，可碾成很薄的薄片。

（6）抗熱震性：石墨在常溫下使用時能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產(chǎn)生裂紋。

3. 石墨的產(chǎn)業(yè)鏈

石墨深加工產(chǎn)品主要有：高純石墨、超細(xì)（超薄石墨）、鋰離子電池負(fù)極石墨、石墨層間化合物及其衍生材料、石墨烯、天然石墨復(fù)合材料。天然石墨精細(xì)加工制備的新材料如下所示：

圖3 天然石墨精細(xì)加工制備的新材料

4. 石墨在我國的分布

據(jù)國土資源部2013年資料顯示，我國天然石墨儲量5500萬噸，僅次于巴西（5800萬噸），晶質(zhì)石墨儲量3085萬噸，基礎(chǔ)儲量5280萬噸；隱晶質(zhì)石墨儲量1358萬噸，基礎(chǔ)儲量2371萬噸。中國石墨資源分布比較廣，晶質(zhì)石墨分布在19個省（自治區(qū)），其中黑龍江省擁有可開發(fā)石墨儲量2200萬噸多、山東省有可開發(fā)石墨儲量1200萬噸，內(nèi)蒙古有可開發(fā)石墨儲量400萬噸；隱晶質(zhì)石墨分布在湖南省和吉林省。中國著名的石墨礦床有黑龍江蘿北縣白云山石墨礦床，山東南墅石墨礦床，內(nèi)蒙古興和石墨礦，湖南魯塘隱晶質(zhì)石墨礦。

圖4 石墨在我國的分布示意圖

5. 石墨的主要用途

（1）耐火材料：石墨及其制品具有耐高溫、高強度的性質(zhì)，冶金工業(yè)上主要用來制造石墨坩堝，煉鋼上常用石墨作鋼錠之保護劑，冶金爐的內(nèi)襯。

圖5 石墨坩堝等耐火材料

（2）導(dǎo)電材料：在電氣工業(yè)上用作制造電極、電刷、碳棒、碳管、水銀正流器的正極，石墨墊圈、電話零件，電視機顯像管的涂層等。

圖6 電弧爐用石墨電極及石墨墊圈

（3）耐磨潤滑材料：潤滑油往往不能在高速、高溫、高壓的條件下使用，而石墨耐磨材料可在200-2000℃溫度及很高滑動速度下，代替潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質(zhì)的設(shè)備，廣泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和軸承，它們運轉(zhuǎn)時勿需加入潤滑油。石墨乳也是許多金屬加工（拔絲、拉管）時良好的潤滑劑。

圖7 石墨活塞杯及石墨乳

（4）良好的化學(xué)穩(wěn)定性：經(jīng)特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導(dǎo)熱性好，滲透率低等特點，大量用于制作熱交換器，反應(yīng)槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵設(shè)備。廣泛應(yīng)用于石油化工、濕法冶金、酸堿生產(chǎn)、合成纖維、造紙等工業(yè)部門，可節(jié)省大量的金屬材料。

圖8 石墨加熱器及熱交換器

（5）鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料：因石墨的熱膨脹系數(shù)小，且能耐急冷急熱變化，可作為玻璃器的鑄模，使用石墨后黑色金屬得到鑄件尺寸精確，表面光潔成品率高，不經(jīng)加工或稍作加工就可使用，因而節(jié)省了大量金屬。生產(chǎn)硬質(zhì)合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料制成壓模和燒結(jié)用的瓷舟。單晶硅的晶體生長坩堝，區(qū)域精煉容器，支架夾具，感應(yīng)加熱器等都是用高純石墨加工而成的。此外石墨還可作真空冶煉的石墨隔熱板和底座，高溫電阻爐爐管，棒、板、格棚等元件。

圖9 石墨瓷舟及石墨隔熱板

（6）原子能工業(yè)和國防工業(yè)：石墨具良好的中子減速劑用于原子反應(yīng)堆中，鈾-石墨反應(yīng)堆是目前應(yīng)用較多的一種原子反應(yīng)堆。作為動力用的原子能反應(yīng)堆中的減速材料應(yīng)具有高熔點，穩(wěn)定，耐腐蝕的性能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應(yīng)堆用的石墨純度要求很高，雜質(zhì)含量不應(yīng)超過幾十個PPM。特別是其中硼含量應(yīng)少于0.5PPM。國防工業(yè)中還用石墨制造固體燃料火箭的噴嘴，導(dǎo)彈的鼻錐，宇宙航行設(shè)備的零件，隔熱材料和防射線材料。