今天只聊石墨，不谈烯

2017-06-13 15:55:34 作者：本网整理来源：粉体圈分享至：

石墨是碳元素的结晶矿物之一，具有耐高、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、导热、导电、可塑性、可涂敷性等特有的物理化学性能。

广泛应用于冶金、机械、电子、化工、轻工、军工、国防、航天及耐火材料等行业，是当今高新技术发展必不可少的非金属材料。

图1 石墨粉及其晶格结构

1. 石墨的分类

石墨分为人造石墨和天然石墨，其中天然石墨根据结晶形态不同的石墨矿物，具有不同的工业价值和用途，将天然石墨分为三类：致密结晶状石墨、晶质（鳞片）石墨和隐晶质（土状）石墨。

图2 （a）致密结晶状石墨、（b）晶质（鳞片）石墨和（c）隐晶质（土状）石墨

2. 石墨的特殊性质

（1）耐高温性：石墨熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。

（2）导电、导热性：石墨导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键，每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。

（3）润滑性：石墨润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

（4）化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

（5）可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

（6）抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

3. 石墨的产业链

石墨深加工产品主要有：高纯石墨、超细（超薄石墨）、锂离子电池负极石墨、石墨层间化合物及其衍生材料、石墨烯、天然石墨复合材料。

天然石墨精细加工制备的新材料如下所示：

图3 天然石墨精细加工制备的新材料

4. 石墨在我国的分布

据国土资源部2013年资料显示，我国天然石墨储量5500万吨，仅次于巴西（5800万吨），晶质石墨储量3085万吨，基础储量5280万吨；隐晶质石墨储量1358万吨，基础储量2371万吨。

中国石墨资源分布比较广，晶质石墨分布在19个省（自治区），其中黑龙江省拥有可开发石墨储量2200万吨多、山东省有可开发石墨储量1200万吨，内蒙古有可开发石墨储量400万吨；隐晶质石墨分布在湖南省和吉林省。

中国著名的石墨矿床有黑龙江萝北县白云山石墨矿床，山东南墅石墨矿床，内蒙古兴和石墨矿，湖南鲁塘隐晶质石墨矿。

图4 石墨在我国的分布示意图

5. 石墨的主要用途

（1）耐火材料：石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，冶金工业上主要用来制造石墨坩埚，炼钢上常用石墨作钢锭之保护剂，冶金炉的内衬。

图5 石墨坩埚等耐火材料

（2）导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像管的涂层等。

图6 电弧炉用石墨电极及石墨垫圈

（3）耐磨润滑材料：润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用，而石墨耐磨材料可在200-2000℃温度及很高滑动速度下，代替润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备，广泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和轴承，它们运转时勿需加入润滑油。石墨乳也是许多金属加工（拔丝、拉管）时良好的润滑剂。

图7 石墨活塞杯及石墨乳

（4）良好的化学稳定性：经特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，大量用于制作热交换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。

图8 石墨加热器及热交换器

（5）铸造、翻砂、压模及高温冶金材料：因石墨的热膨胀系数小，且能耐急冷急热变化，可作为玻璃器的铸模，使用石墨后黑色金属得到铸件尺寸精确，表面光洁成品率高，不经加工或稍作加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质合金等粉末冶金工艺，通常用石墨材料制成压模和烧结用的瓷舟。单晶硅的晶体生长坩埚，区域精炼容器，支架夹具，感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的。此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉管，棒、板、格棚等元件。

图9 石墨瓷舟及石墨隔热板

（6）原子能工业和国防工业：石墨具良好的中子减速剂用于原子反应堆中，铀-石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个PPM。特别是其中硼含量应少于0.5PPM。国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导弹的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。