石墨的性質、分類及用途

2020-12-14 點擊量：1884

 

石墨的性質、分類及用途
石墨是一種重要的非金屬礦產資源，是碳的一種同素異形體。

石墨的結晶形態不同，決定了它含有多樣的工業價值和用途。工業上根據石墨結晶形態的不同將石墨礦石分為晶質(鱗片狀)石墨礦石和隱晶質(土塊狀)石墨礦石兩大類。從礦物學角度，一般來講的石墨均是晶質石墨，隱晶質石墨也屬于晶質石墨。隱晶質石墨是只有在電子顯微鏡下才能看到的晶質石墨。因此，不同的分類方法其分類結果是不同的。本文主要是運用工業上的分類方法，此類方法更接近石墨在產業上的應用與分類。


1、石墨的性質及分類

晶質石墨礦石又可分為鱗片狀和致密狀兩種。鱗片狀石墨礦石結晶較好，晶體粒徑大于1μm，一般為0.05～1.5mm，大的可達5～10mm，多呈集合體)。優質大鱗片石墨是生產石墨烯、膨脹石墨最重要的物質原料。對于未來發展的石墨的新興產業(或生產的產品的發展)起到極為重要的作用。我國大鱗片石墨分布在黑龍江、內蒙古、山東、湖北等地。致密結晶狀石墨又叫塊狀石墨，其品位很高，一般含碳量為60%～65%，有時達80%～98%，但可塑性和潤滑性不如鱗片石墨好。隱晶質石墨又稱非晶質石墨，此類石墨的特點是表面呈土狀，缺乏光澤，潤滑性比鱗片石墨稍差。其品位較高，一般為60%～80%，少數高達90%以上；灰分為15%～22%;揮發分為1%～2%;水分為2%～7%。隨著科學技術的不斷進步，石墨提純技術的將會提高，隱晶質石墨應用也會越來越廣泛。(表1，圖1)

石墨用途廣泛，這與石墨的內部結構有非常大的關系。石墨是一種結晶形碳，為六邊形層狀結構，層與層之間的作用力很小，且間距較大，容易產生滑移，因此石墨的硬度較低，具有潤滑性、可塑性。此外，石墨結構中每個C原子與其他C原子只形成3個共價鍵，而每個原C子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。因此，石墨具有導電性。而導熱性取決于自由電子運動的劇烈程度。

表1石墨的主要性質特點介紹


石墨主要性質特點特點介紹耐高溫性石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時，石墨強度提高一倍。導電、導熱性石墨的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導熱系數隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。潤滑性取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數越小，潤滑性能越好。化學穩定性常溫下有良好的化學穩定性，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕。可塑性韌性好，可碾成很薄的薄片。抗熱震性常溫下使用時能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變。

根據鱗片大小不同，鱗片石墨又可以分為四類：巨型鱗片石墨、大型鱗片石墨、中型鱗片石墨和小型鱗片石墨。石墨結晶程度以及鱗片大小的不同，理化性質和適用領域也存在差異，過去鱗片越大，石墨價值越高。隨著鋰離子電池負極材料對小型鱗片石墨需求的上升，小型鱗片的價值會有所上漲。


圖1天然石墨分類
中國石墨礦床按成因類型，可分沉積—變質、巖漿熱液兩類。主要礦床類型是區域變質型和接觸變質型。另外還有一些諸如分布于構造破碎帶的和次生堆積層中的石墨礦床，一般規模較小，工業價值和成因意義不大(表2)。


表2石墨礦床類型劃分
2、石墨的用途

在傳統領域，石墨主要用于機械工業、化學工業、冶金工業和輕工業行業。可作潤滑劑、摩擦材料、導熱材料、各種耐火模具、抗腐蝕器皿、油墨、鉛筆等。例如，天然石墨主要用于煉鐵和煉鋼(即耐火材料);合成石墨主要用作電爐煉鋼中的電極，而合成石墨粉加入到鋼水中可增加鋼的碳含量(表3)。


表3石墨的傳統應用領域
石墨作為重要的戰略性資源，早在16世紀就開始被應用。隨著科技的發展，應用領域不斷擴大。2010年石墨烯的發現和近年來對石墨烯和石墨結構的廣泛探索研究，其優異的特性使其在光學、能源、航天、環境、新材料等眾多領域展現了廣闊的應用前景，使得社會對石墨也越來越受到關注，石墨的應用領域將跨越傳統領域的應用，轉向航空航天、綠色環保、核工業、新材料、新能源等戰略新興領域的應用(表4)。