资源型矿物简介、石墨

石墨东北大学矿物材料与粉体技术研究中心

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，在每一层内，每个碳原子都与其他3个碳原子以共价键结合，形成平面的网状结构，同一网层中碳原子的间距为1.42A。；层与层之间的距离为3.40A，是以分子间作用力相结合的。由于同一层的碳原子间以较强的共价键结合，使石墨的熔点很高。但由于层与层间的分子间作用力较弱，容易滑动，使石墨的硬度很小。石墨这样的晶体一般称为过渡型晶体或混合型晶体。石墨具完整的层状解理。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。密度为1.9～2.3g/cm3。1）耐高温性：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。

二、石墨的性质2）导电、导热性：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。

3）润滑性：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。

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，可年成很薄的薄片。

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。自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有Si02、A1203、Fe0、CaO、P2O5、Cu0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。

三、石墨的分类石墨的工艺特性主要决定于它的结晶形态。结晶形态不同的石墨矿物，具有不同的工业价值和用途。工业上，根据结晶形态不同，将天然石墨分为三类。

1．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。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。

2．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％。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。

3．隐晶质石墨

隐晶质石墨又称非晶质石墨或土状石墨，这种石墨的晶体直径一般小于1微米，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，润滑性也差。品位较高。一般的60%～80％。少数高达90％以上。矿石可选性较差。

四、石墨的用途

石墨具有突出的耐高温和耐低温的性质，膨胀系数很小，体积稳定，因此能抗急冷急热的变化，石墨的耐高温性质和一般金属不同当温度升高时，它不是趋于软化，而其强度反而增高。

石墨是热和电的良导体，其传热性能和导电性能和大多数金属差不多，但又有其特点，一般的金属当温度升高时，导热系数也随之升高，而石墨的导热系数相反，温度升高时，其导热系数反而下降。在极高的温度下，石墨趋于绝缘状态，因此在超高温条件下，石墨的隔热性能是很可靠的。

石墨的可塑性和润滑性早已在工业上获得应用，鳞片越大，摩擦系数越小，因此鳞片石墨最滑，润滑性最好，致密结晶状石墨次之，土状石墨润滑性较差。

石墨是化学工业的超级材料，它的化学稳定性非常突出，它耐酸、耐碱、耐腐蚀，在化工工业中具有特殊地位。

石墨还是原子反应堆优良的减速剂，使石墨的用途进入了一个新的历史阶段，为了制造优良的减速剂，石墨的提纯工艺得到了进一步发展，因此石墨已成为原子能工业的重要材料。柔性石墨新型发热材料

用纯天然鳞片石墨原料加工的柔性石墨是经严格的化学处理和热处理制成的发热材料，具有良好的导电和导热性能。经测试，电热转换率达97%以上，且发热表面温度均匀、稳定。在换热方式一定的条件下，发热体表面温度恒定，在控制温度范围内可随意设定不再升温。工作状态下，具有化学性能稳、耐高温、寿命长等特点。并能产生远红外线。因此，是一种新型的发热材料，有着较广阔的应用领域和市场前景。微波法制备纳米多孔石墨

石墨内含层状结构，在某些外因作用下，一些分子、原子、离子或粒子团可被插入石墨层间，形成层间化合物。石墨层间化合物在瞬间高温作用下，由于内含的插层物急剧分解和气化，并剧烈膨胀达数十到数百倍，形成物被称为膨胀石墨。膨胀石墨是一种疏松多孔的石墨材料，经碾压等过程可制成不同孔隙的多孔材料，在环境、化工、能源、消防、建筑等领域具有广泛的用途。

采用传统高温膨化法制备的膨胀石墨，其孔隙率非常大，孔径也很大，大多数孔隙限制了多孔石墨的应用，降低了应用效果。同济大学材料科学与工程学院环境材料研究所采用新颖和微波法，对石墨进行膨化处理。由于微波法与高温膨化法对石墨作用机制的不同，可产生不同的膨化效果。通过控制微波加热的功率、时间等参数，可容易地调整对石墨处理的强弱程度。此外，微波法开停方便，具有高效和节能的优点。

硅化石墨及其制品

硅化石墨是上世纪80年代末研制出的一种功能材料，即在石墨材料表面涂覆碳化硅层而构成的一种复合功能材料。它主要制作在高温条件下，腐蚀和腐蚀介质中工作的设备部件。与传统材料相比，它具有很高的硬度、抗压强度、耐热强度、耐热性以及耐化学腐蚀和磨蚀性。此外硅化石墨还具有良好的耐磨性能和电物理性能。它的重量仅为金属的50%~15%，而在0.6兆帕的压力下其透气率仅为5.6×10-8厘米2/秒。

生产钢筋混凝土时，使用无钨硬质合金拉丝模校直径5毫米的钢筋时，其使用寿命为1200小时，而在同样条件下，硅化石墨拉丝模的使用寿命可达2500小时在加工高岭土的CMⅡ-300型柱销式磨机上，用硅化石墨制成的柱销，工作1600小时的磨损仅为0.05毫米，而用传统材料（通过为HPC55-60的合金）制成的柱销工作800小时就会报废；用硅化石墨制成原水力旋流器，其耐用性能比一般常用材料制成的大15-20倍；硅化石墨用作选矿厂磨矿机衬里磨细钛铁矿时，设备使用一个半月后，衬里也未出现磨损。硅化石墨还可用作射流磨工作表面的涂层。由于硅化石墨可承受1100℃的温落差，因此，它制成的喷咀在使用寿命方面是其它材料所不能相比的，硅化石墨的耐热程度很高，是用于生产冶金粉末用模压机的最佳材料；用硅化石墨制成的钻头使用寿命为50-60小时，比用硬质合金制成的相同制品大10倍。使用1千克硅化石墨节约350-400千克黑色和有色金属，200-250千克不锈钢和25-30千克硬质合金；对于钢筋校直套管来说，使用1千克硅化石墨的经济效益约为2700美元；在化工泵的密封衬套和端面密封材料方面，1套密封材料的经济效益约为250美元。总之，在国民经济中使用1吨硅化石墨的经济效益为6-540万美元。

俄罗斯发明除油污泡沫石墨俄罗斯的维克托*彼得里克院士最近发明了一种可用于除去油污的泡沫石墨。其吞噬石油的能力比世界上最好的吸着剂高出13倍。新型材料经济实用，每立方厘米泡沫石墨重0.01至0.001克，1克材料覆盖的面积达250平方米，是非常独特的环保材料。

这种泡沫石墨就像海绵那样吸着石油和石油产品。然后对它挤压，吸入的98%的石油可以被挤压出来，挤压出来的石油可以使用，泡沫石墨本身也可以继续使用。经过多次使用后，将它压成块状用作燃料，其燃烧质量不次于最优质的煤碳。

这种材料不易化合，抗腐蚀性介质能很好地吸着溶解、乳化和气体状态的油类产品。它可以用来拯救落入油污中的动物和鸟类。这种材料用于灭火也很有效。用直升机将泡沫石墨粉撒入火海中可扑灭熊熊大火。泡沫石墨甚至可消除剧毒的火箭燃料和核电站使用的碱性金属。它还具有吸收空气中的悬浮颗粒的功能。石墨烯石墨烯（Graphene）是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，具有超轻、超强导电性、优异的室温导热和透光性，几乎完全透明，结构稳定。常温下其电子迁移率超过纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8

Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。可以替代硅，制造未来新一代超级计算机；替代ITO透明导电薄膜，应用于触摸屏、柔性显示、太阳能电池等电子工业领域；还可应用于海水淡化、可降解塑料、散热膜、防腐涂层、生物材料、复合材料、平板电脑、手表日历、移动电话、光电探测器、石墨烯纸、石墨烯布以及航天军工、超轻防弹衣、超薄超轻飞机、超薄折叠手机、甚至有想象力的天空电梯等。自2014年12月初西方媒体报道西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发出石墨烯电池以来，充电8分钟续行1000公里就成为电动汽车产业一个“重磅炸弹”，引发了持续的关注。作业：每人写一篇论文题目：1、**矿的开发利用现状；2**矿的研究及应用现状；论文结构：1、名称