石墨、滑石、云母

2023/2/6石墨、滑石、云母

张嘉懿中南大学中南大学2023/2/6组成结构性能应用

石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为3.40Å，同一网层中碳原子的间距为1．42Å。属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。石墨中南大学石墨存在两种晶体结构：六方形结构和菱形结构，六方形结构为ABABAB…堆积模型、菱形结构为ABCABCABC…堆积模型，如下图所示：（a）为六方形结构，（b）为菱形结构。（b）菱形结构。（a）六方形结构中南大学

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，所以石墨的溶点也很高，化学性质也稳定。鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是单晶体或者是多晶体，现在普遍认为石墨是一种混合晶体。中南大学石墨之间为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，有很好的润滑性，所以石墨很软。在石墨中各层均为平面网络结构，碳原子之间存在很强的共价键，C-C键长短，键的强度大。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。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。3241性能质软高熔点导电性化学稳定性中南大学电池原料①耐高温由于碳原子在石墨结晶格子的原子层中排列紧密，热振动困难，因而石墨能耐高温并具特殊的热性能。石墨的熔点为3850℃，沸点为4250℃，吸热量6.9036×107J/kg，经高温电弧灼烧重量损失极小，在2500℃时其强度比常温时提高1倍，热膨胀系数小(1.2×10-6)，温度骤变时其体积变化不大。②导电、导热性由于石墨晶体中存在容易流动的电子，因此其导电、导热性能不亚于金属。但随温度升高，导热系数反而减少，在极高温度下趋于不导热状态。石墨的化学稳定性好，不受酸、碱及有机溶剂的侵蚀。③润滑性石墨的润滑性能类似于二硫化钼和四氟化烯，摩擦系数在润滑介质中小于0.1，尤以鳞片状石墨的润滑性更好。此外，石墨还具涂敷性和可塑性，将其涂敷在固体物体表面，可形成薄膜牢固粘附而起保护固体作用，并可制成任何复杂形状的制品。中南大学作耐磨润滑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。中南大学滑石Mg3[Si4O10]（OH）2

滑石属单斜晶系，空间群C2/c，晶胞参数a=0.525nm，b=0.910nm，c=1.881nm，=100o；结构属于复网层结构，如图所示。（a）所示OH－位于六节环中心，Mg2+位于Si4+与OH－形成的三角形的中心，但高度不同。（b）所示，两个硅氧层的活性氧指向相反，中间通过镁氢氧层连接，形成复网层。复网层平行排列即形成滑石结构。水镁石层中Mg2+的配位数为6，形成[MgO4（OH）2]八面体。其中全部八面体空隙被Mg2+所填充，因此，滑石结构属于三八面体型结构。中南大学（a）（001）面上的投影OH－位于六节环中心，Mg2+位于Si4+与OH-形成的三角形中心，但高度不同（b）图（a）结构的纵剖面图两个硅氧层的活性氧指向相反，中间通过镁氢氧层连接，形成复网层复网层平行排列形成滑石结构水镁石层中Mg2+配位数为6，形成[MgO4（OH）2]八面体。其中全部八面体空隙被Mg2+所填充，属三八面体型结构中南大学Mg3[Si4O10]（OH）2中南大学结构与性质的关系：复网层中每个活性氧同时与3个Mg2+相连接，从Mg2+处获得的静电键强度为3×2/6=1，从Si4+处也获得1价，故活性氧的电价饱和。同理，OH－中的氧的电价也是饱和的，所以，复网层内是电中性的。这样，层与层之间只能依靠较弱的分子间力来结合，致使层间易相对滑动，所有滑石晶体具有良好的片状解理特性，并具有滑腻感。

中南大学离子取代现象：用2个Al3+取代滑石中的3个Mg2+，则形成二八面体型结构（Al3+占据2/3的八面体空隙）的叶蜡石Al2[Si4O10]（OH）2结构。同样，叶蜡石也具有良好的片状解理和滑腻感。晶体加热时结构的变化：滑石和叶蜡石中都含有OH－，加热时会产生脱水效应。滑石脱水后变成斜顽火辉石-Mg2[Si2O6]，叶蜡石脱水后变成莫来石3Al2O3·2SiO2。它们都是玻璃和陶瓷工业的重要原料，滑石可以用于生成绝缘、介电性能良好的滑石瓷和堇青石瓷，叶蜡石常用作硼硅质玻璃中引入Al2O3的原料。中南大学

1.稳定性2.低硬度3.层状结构4.亲油疏水5.电绝缘性6.耐热性化学性质不活泼。不溶于弱酸、弱碱和水。绝热、绝缘。莫氏硬度为1，是世界上最软的矿物。润滑性很好。微观呈片状，在机械力作用下薄片间很容易剥离开，成为单片。每片薄片由两个上下平行面和不定形边缘表面组成。平行表面为疏水亲油面层，边缘侧面呈疏油亲水性。滑石溶于多种有机溶剂，但不溶于水。滑石本身不导电，而以滑石为原料制成的特种陶瓷，更具有高度的电绝缘性能。滑石既耐热又不导热，耐火度可高达1490--1510℃。煅烧后的滑石，硬度和机械强度显著增高，而收缩率很低，经1350℃煅烧后仅收缩4.5%。膨胀率也很小。中南大学中南大学白云母KAl2[AlSi3O10]（OH）2属单斜晶系，空间群C2/c；晶胞参数a=0.519nm，b=0.900nm，c=2.004nm，=95o11，；Z=2。其结构如图所示，图中重叠的O2-已稍行移开。白云母属于复网层结构，复网层由两个硅氧层及其中间的水铝石层所构成。连接两个硅氧层的水铝石层中的Al3+之配位数为6，形成[AlO4（OH）2]八面体。由图可以看出，两相邻复网层之间呈现对称状态，因此相邻两硅氧六节环处形成一个巨大的空隙。中南大学（左）（100）面上的投影（右）（010）面上的投影中南大学结构与性质关系：白云母结构与蒙脱石相似，但因其硅氧层中有1/4的Si4+被Al3+取代，复网层不呈电中性，所以，层间有K+进入以平衡其负电荷。K+的配位数为12，呈统计地分布于复网层的六节环的空隙间，与硅氧层的结合力较层内化学键弱得多，故云母易沿层间发生解理，可剥离成片状。中南大学结构中的离子取代：1)2个Al3+被3个Mg2+取代，形成金云母KMg3[AlSi3O10](OH)2；用F－取代OH－，得到人工合成的氟金云母KMg3[AlSi3O10]F2，作绝缘材料使用时耐高温达1000℃，而天然的仅600℃。2)用(Mg2+,

Fe2+)代替Al3+，形成黑云母K(Mg，Fe

)3[AlSi3O10](OH

)2；3)用(Li+，Fe2+)

取代1个Al3+，得锂铁云母KLiFe2+Al[AlSi3O10](OH

)2；4)若2个Li+取代1个Al3+，同时[AlSi3O10]中的Al3+被Si4+取代，则形成锂云母Kli2Al[Si4O10](OH)2。5)如果K+被Na+取代，形成钠云母；若K+被Ca2+取代，同时硅氧层内有1/2的Si4+被Al3+取代，则成为珍珠云母CaAl2[Al2Si2O10](OH)2，由于Ca2+连接复网层较K+牢固，因而珍珠云母的解理性