石墨基本知识

认识石墨UnderstandingofGraphite目录01石墨是什么02发展历程03石墨的特殊性质04石墨的分类05提纯方法06产地分布07主要用途01石墨是什么石墨（graphite）是一种结晶形碳。是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物，它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。六方晶系，为铁墨色至深灰色。密度2.25克/厘米3，硬度1.5，溶点3652℃，沸点4827℃。质软,有滑腻感,可导电。化学性质不活泼,耐腐蚀,与酸、碱等不易反应。在空气或氧气中加强热,可燃烧并生成二氧化碳。强氧化剂会将它氧化成有机酸。用作抗摩剂和润滑材料,制作坩埚、电极、干电池、铅笔芯。高纯度石墨可在核反应堆上作中子减速剂。常被称为炭精或黑铅,因为以前被误认为是铅。石墨是什么碳元素碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。石墨是什么存在形式碳的存在形式是多种多样的，有晶态单质碳如金刚石、石墨；有无定形碳如煤；有复杂的有机化合物如动植物等；碳酸盐如大理石等。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨晶体结构不同，各有各的外观、密度、熔点等。石墨是什么形态特性石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3～5。比重为1．9～2．3。比表面积范围集中在1-20m2/g，在隔绝氧气条件下，其熔点在3000℃以上，是最耐温的矿物之一。它能导电、导热。自然界中没有纯净的石墨，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对石墨的分析，除测定固定碳含量外，还必须同时测定挥发分和灰分的含量。石墨是什么混合晶体在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环，伸展成片层结构，这里C-C键的键长皆为142pm，这正好属于原子晶体的键长范围，因此对于同一层来说，它是原子晶体。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠。电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体特征。因此也归类于金属晶体。石墨是什么混合晶体石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。但是，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的熔点也很高，化学性质也稳定。鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是原子晶体或者是分子晶体，按现代的表述方式，认为石墨是一种混合晶体。石墨是什么鉴定特征铁黑色，硬度低，一组极完全解理，有滑感和染手。石墨是在高温下形成。石墨最常见于大理岩、片岩或片麻岩中，是有机成因的碳质物变质而成。煤层可经热变质作用部分形成石墨。少量石墨是火成岩的原生矿物。石墨也常见于陨石中，一般为团块状，以一定方位关系组成立方体外形的多晶集合体称方晶石墨。02发展历程早在二十世纪三十年代，中国黑龙江鸡西柳毛、山东南墅石墨矿就开始了石墨的生产加工。当时选矿工艺流程简单，工人劳动条件差，生产率极低，年产量仅有几千吨。经过几十年的发展，我国石墨及碳素制品产量快速上升，2004-2011年，石墨及碳素制品产量年复合增长率达22.12%。2011年，我国石墨及碳素制品产量为2556.17万吨，同比增长21.98%。石墨及碳素制品具备优良的性能，应用日益广泛，产能及效益呈快速增长趋势。2011年，中国石墨及碳素制品行业发展迅速，行业内企业对成本费用的管理控制能力较高，盈利能力较强。国家统计局数据显示，2011年，我国石墨及碳素制品行业实现工业总产值1675.64亿元;实现销售收入1677.65亿元，同比增长40.58%;实现利润总额109.59亿元，同比增长50.87%。随着应用的不断推广，看中国石墨及碳素制品行业的竞争也日趋激烈。中国规模以上石墨及碳素制品企业较多，集中度低。截至2011年末，中国规模以上石墨及碳素制品企业达871家，销售收入排名前十的企业销售收入总额仅占全行业的13.46%。从世界石墨及碳素制品市场的发展趋势和竞争格局来看，未来我国石墨及碳素制品行业将逐步向大集团集中，石墨及碳素制品行业的集中度将会进一步提高。随着中国冶金、化工、机械、医疗器械、核能、汽车、航空航天等行业的快速发展，这些行业对石墨及碳素制品的需求将会不断增长，我国石墨及碳素制品行业将保持快速增长。2006-2011年，我国石墨及碳素制品行业销售收入年复合增长率为36.56%。根据当前国内外经济形势，结合2006-2011年中国石墨及碳素制品行业销售收入数据及中国经济增长数据，粗略估计2012-2015年我国石墨及碳素制品行业销售收入年复合增长率为21%，2015年，我国石墨及碳素制品行业销售收入将达到3400亿元。03石墨的特殊性质石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，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。特殊性质耐高温性01石墨的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。特殊性质导电、导热性02石墨的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。特殊性质润滑性03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。特殊性质化学稳定性04石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。特殊性质可塑性05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。特殊性质抗热震性0604石墨的分类LOREMIPSUMDOLORSITAMET,CONSECTETURADIPISICINGELIT,SEDDOEIUSMODTEMPORINCIDIDUNTUTLABOREETDOLOREMAGNAALIQUA.UTENIMADMINIMVENIAM石墨天然石墨人造石墨（特种石墨）晶质石墨隐晶质石墨挤压石墨致密结晶状石墨鳞片石墨模压石墨等静压石墨石墨分类天然石墨1天然石墨致密结晶状石墨致密结晶状石墨又叫块状石墨。此类石墨结晶明显晶体肉眼可见。颗粒直径大于0．1毫米，比表面积范围集中在0.1-1m2/g，晶体排列杂乱无章，呈致密块状构造。这种：石墨的特点是品位很高，一般含碳量为60～65%，有时达80～98%，但其可塑性和滑腻性不如鳞片石墨好。天然石墨鳞片石墨鳞片石墨石墨晶体呈鳞片状；这是在高强度的压力下变质而成的，有大鳞片和细鳞片之分。此类石墨矿石的特点是品位不高，一般在2～3%，或10～25%之间。是自然界中可浮性最好的矿石之一，经过多磨多选可得高品位石墨精矿。这类石墨的可浮性、润滑性、可塑性均比其他类型石墨优越；因此它的工业价值最大。天然石墨隐晶质石墨隐晶质石墨又称微晶石墨或土状石墨，这种石墨的晶体直径一般小于1微米，比表面积范围集中在1-5m2/g，是微晶石墨的集合体，只有在电子显微镜下才能见到晶形。此类石墨的特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性比鳞片石墨稍差。品位较高。一般的60～85%。少数高达90%以上。一般应用于铸造行业比较多。主要蕴藏在湖南郴州鲁塘。随着石墨提纯技术的提高。土状石墨应用越来越广泛。人造石墨2等静压石墨就是很多人叫的三高石墨，但是并不是三高就是等静压。模压石墨具有良好的导电性能、耐高温、耐腐蚀、高纯度、自润滑、抗热震、各向同性、易于精密机加工等优良特点。挤压石墨多为电极材料。人造石墨石墨在工业上运用极广，几乎每个行业都会用到。工业上多用的是人造石墨，也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下几种。按石墨的颗粒度分，也可分为：细节构石墨、中粗石墨（一般的颗粒度在0.8mm左右）、还有就是电极石墨（2-4mm）。人造石墨05提纯方法化学提纯提纯方法化学提纯是利用石墨耐酸、碱、抗腐蚀的性质，用酸、碱处理石墨精矿，使杂质溶解，然后洗涤掉，提高精矿品位。化学提纯可获品位为99%的高碳石墨。化学提纯有多种方法，国内应用最广的是氢氧化钠高温熔融法。基本原理是在500℃以上高温条件下，使石墨中的杂质(以硅酸盐矿物为主)与烧碱，即NaOH起反应，生成水溶性反应物，用水浸取反应物，即可消除掉部分杂质，另一部分杂质，如铁的氧化物，碱熔后用HCl中和，生成可溶子水的氯化铁，用水洗涤即可除去。化学提纯提纯方法上述工艺流程中，NaOH浓度为50%左右，与石墨按1：0.8的比例混合，即生产1t高碳石墨消耗NaOH0.4t左右。HCl的加入量约为石墨的30%。燃料用煤约为o.6一o.7t。碱熔法所用设备主要有锚式搅拌机，熔融炉、螺旋浆搅拌机、V型洗涤槽等。回收率85—90%，投资15—20万元。这种，工艺虽较先进，但也存在耗水量大、石墨流失多，生产率较低，耗碱量大，且排放的废液污染环境等不足。化学提纯提纯方法由上原因，成本较高。为解决或改善上述不足，河南省地矿厅岩矿测试中心研制了提纯高碳石墨新工艺，以离心洗涤取代V型洗涤槽，将废液处理后循环使用。采用这种新工艺，可降低材料成本50%左右，节水50%左右，产率提高10%左右，并减少了废液对环境的污染。石墨固定碳含量大于99%，回收率达92.8%。物理提纯提纯方法物理提纯即高温提纯，利用石墨耐高温的性质，将其置于电炉中，隔绝空气加热到2500℃，使灰分(即杂质)挥发掉，从而提高精矿品位。高温提纯可获品位为99.9%的高纯石墨。06产地分布国内初步统计，全国25个省、市、自治区有近100个矿点。产地分布北京市、河北省、山西省、内蒙古、吉林省、黑龙江省、山东省、江西省、福建省、湖北省、湖南省、广东省、海南省、四川省、云南省、西藏自治区、陕西省、河南省、辽宁省、江苏省、新疆、浙江省、青海省、甘肃省、安徽省。我国以黑龙江鸡西市恒山区柳毛为最大的产地。山东省莱西市为我国石墨重要产地之一，石墨探明储量687.11万吨，现保有储量639.93万吨。另外吉林省磐石市也是石墨产地之一，石墨储量500万吨。2016年9月23日《中国矿业报》报道：内蒙古乌拉特中旗高勒图矿区发现全国最大晶质石墨单体矿，晶质石墨矿石资源量31595.72万吨，矿物量（固定碳）1580.88万吨，平均品位(固定碳)5%，均为新增矿产资源量。矿体长2100米，控制最大延深703米，矿石为晶质石墨二云母片岩。目前内蒙古金彩矿业有限公司拥有其探矿权。2016年11月陕西省煤田地质局一九四队在陕西汉中洋县发现3条石墨矿带，预计矿石资源量200万吨。2017年1月6日中国地质环境信息网报道：内蒙古地勘二院和巴彦淖尔市地质矿产调查院共同承担的《巴彦淖尔市石墨矿资源调查》项目全面结束，经过大量的地质调查工作，发现并圈出石墨找矿远景区7处。国内产地分布世界著名产地：纽约Ticonderoga（泰孔德罗加），马达加斯加和斯里兰卡。产地分布07主要用途石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚，在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂，冶金炉的内衬。一作耐火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。二作导电材料石墨在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用，而石墨耐磨材料可以在200~2000℃温度中在很高的滑动速度下，不用润滑油工作。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)时的良好的润滑剂。三作耐磨润滑材料主要用途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。四作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中，铀一石墨反应堆是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当具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。另外在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。五用于原子能工业和国防工业石墨经过特殊加工以后，可以制作各种特殊材料用于有关工业部门。六作铅笔芯、颜料、抛光剂主要用途石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，就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。七石墨还能防止锅炉结垢，有关单位试验表明，在水中加入一定量的石墨粉(每吨水大约用4~5克)能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。八主要用途9．电极：石墨何以能取代铜做为电极？20世纪60年代，铜做为电极材料被广泛应用，使用率约占90%，石墨仅有10%左右；21世纪，越来越多的用户开始选择石墨作为电极材料，在欧洲，超过90%以上的电极材料是石墨。铜，这种曾经占统治地位的电极材料，和石墨电极相比它的优势几乎消失殆尽。是什么导致了这个戏剧性的变化？当然是石墨电极的诸多优势。（1）加工速度更快：通常情况下，石墨的机械加工速度能比铜快2~5倍；而放电加工速度比铜快2~3倍材料更不容易变形：在薄筋电极的加工上优势明显；铜的软化点在1000度左右，容易因受热而产生变形；石墨的升华温度为3650度；热膨胀系数仅有铜的1/30。（2）重量更轻：石墨的密度只有铜的1/5，大型电极进行放电加工时，能有效降低机床（EDM）的负担；更适合于在大型模具上的应用。