石墨基本知識

認(rèn)識石墨UnderstandingofGraphite目錄01石墨是什么02發(fā)展歷程03石墨的特殊性質(zhì)04石墨的分類05提純方法06產(chǎn)地分布07主要用途01石墨是什么石墨（graphite）是一種結(jié)晶形碳。是元素碳的一種同素異形體，每個(gè)碳原子的周邊連結(jié)著另外三個(gè)碳原子（排列方式呈蜂巢式的多個(gè)六邊形）以共價(jià)鍵結(jié)合，構(gòu)成共價(jià)分子。由于每個(gè)碳原子均會放出一個(gè)電子，那些電子能夠自由移動(dòng)，因此石墨屬于導(dǎo)電體。石墨是其中一種最軟的礦物，它的用途包括制造鉛筆芯和潤滑劑。碳是一種非金屬元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。六方晶系，為鐵墨色至深灰色。密度2.25克/厘米3，硬度1.5，溶點(diǎn)3652℃，沸點(diǎn)4827℃。質(zhì)軟,有滑膩感,可導(dǎo)電。化學(xué)性質(zhì)不活潑,耐腐蝕,與酸、堿等不易反應(yīng)。在空氣或氧氣中加強(qiáng)熱,可燃燒并生成二氧化碳。強(qiáng)氧化劑會將它氧化成有機(jī)酸。用作抗摩劑和潤滑材料,制作坩堝、電極、干電池、鉛筆芯。高純度石墨可在核反應(yīng)堆上作中子減速劑。常被稱為炭精或黑鉛,因?yàn)橐郧氨徽`認(rèn)為是鉛。石墨是什么碳元素碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。碳單質(zhì)很早就被人認(rèn)識和利用，碳的一系列化合物——有機(jī)物更是生命的根本。碳是生鐵、熟鐵和鋼的成分之一。碳能在化學(xué)上自我結(jié)合而形成大量化合物，在生物上和商業(yè)上是重要的分子。生物體內(nèi)大多數(shù)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種多樣的，有晶態(tài)單質(zhì)碳如金剛石、石墨；有無定形碳如煤；有復(fù)雜的有機(jī)化合物如動(dòng)植物等；碳酸鹽如大理石等。單質(zhì)碳的物理和化學(xué)性質(zhì)取決于它的晶體結(jié)構(gòu)。高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨晶體結(jié)構(gòu)不同，各有各的外觀、密度、熔點(diǎn)等。石墨是什么形態(tài)特性石墨質(zhì)軟，黑灰色；有油膩感，可污染紙張。硬度為1～2，沿垂直方向隨雜質(zhì)的增加其硬度可增至3～5。比重為1．9～2．3。比表面積范圍集中在1-20m2/g，在隔絕氧氣條件下，其熔點(diǎn)在3000℃以上，是最耐溫的礦物之一。它能導(dǎo)電、導(dǎo)熱。自然界中沒有純凈的石墨，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)常以石英、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現(xiàn)。此外，還有水、瀝青、CO2、H2、CH4、N2等氣體部分。因此對石墨的分析，除測定固定碳含量外，還必須同時(shí)測定揮發(fā)分和灰分的含量。石墨是什么混合晶體在石墨晶體中，同層的碳原子以sp2雜化形成共價(jià)鍵，每一個(gè)碳原子以三個(gè)共價(jià)鍵與另外三個(gè)原子相連。六個(gè)碳原子在同一個(gè)平面上形成了正六連連形的環(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，這里C-C鍵的鍵長皆為142pm，這正好屬于原子晶體的鍵長范圍，因此對于同一層來說，它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個(gè)p軌道，它們相互重疊。電子比較自由，相當(dāng)于金屬中的自由電子，所以石墨能導(dǎo)熱和導(dǎo)電，這正是金屬晶體特征。因此也歸類于金屬晶體。石墨是什么混合晶體石墨晶體中層與層之間相隔340pm，距離較大，是以范德華力結(jié)合起來的，即層與層之間屬于分子晶體。但是，由于同一平面層上的碳原子間結(jié)合很強(qiáng)，極難破壞，所以石墨的熔點(diǎn)也很高，化學(xué)性質(zhì)也穩(wěn)定。鑒于它的特殊的成鍵方式，不能單一的認(rèn)為是原子晶體或者是分子晶體，按現(xiàn)代的表述方式，認(rèn)為石墨是一種混合晶體。石墨是什么鑒定特征鐵黑色，硬度低，一組極完全解理，有滑感和染手。石墨是在高溫下形成。石墨最常見于大理巖、片巖或片麻巖中，是有機(jī)成因的碳質(zhì)物變質(zhì)而成。煤層可經(jīng)熱變質(zhì)作用部分形成石墨。少量石墨是火成巖的原生礦物。石墨也常見于隕石中，一般為團(tuán)塊狀，以一定方位關(guān)系組成立方體外形的多晶集合體稱方晶石墨。02發(fā)展歷程早在二十世紀(jì)三十年代，中國黑龍江雞西柳毛、山東南墅石墨礦就開始了石墨的生產(chǎn)加工。當(dāng)時(shí)選礦工藝流程簡單，工人勞動(dòng)條件差，生產(chǎn)率極低，年產(chǎn)量僅有幾千噸。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國石墨及碳素制品產(chǎn)量快速上升，2004-2011年，石墨及碳素制品產(chǎn)量年復(fù)合增長率達(dá)22.12%。2011年，我國石墨及碳素制品產(chǎn)量為2556.17萬噸，同比增長21.98%。石墨及碳素制品具備優(yōu)良的性能，應(yīng)用日益廣泛，產(chǎn)能及效益呈快速增長趨勢。2011年，中國石墨及碳素制品行業(yè)發(fā)展迅速，行業(yè)內(nèi)企業(yè)對成本費(fèi)用的管理控制能力較高，盈利能力較強(qiáng)。國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2011年，我國石墨及碳素制品行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值1675.64億元;實(shí)現(xiàn)銷售收入1677.65億元，同比增長40.58%;實(shí)現(xiàn)利潤總額109.59億元，同比增長50.87%。隨著應(yīng)用的不斷推廣，看中國石墨及碳素制品行業(yè)的競爭也日趨激烈。中國規(guī)模以上石墨及碳素制品企業(yè)較多，集中度低。截至2011年末，中國規(guī)模以上石墨及碳素制品企業(yè)達(dá)871家，銷售收入排名前十的企業(yè)銷售收入總額僅占全行業(yè)的13.46%。從世界石墨及碳素制品市場的發(fā)展趨勢和競爭格局來看，未來我國石墨及碳素制品行業(yè)將逐步向大集團(tuán)集中，石墨及碳素制品行業(yè)的集中度將會進(jìn)一步提高。隨著中國冶金、化工、機(jī)械、醫(yī)療器械、核能、汽車、航空航天等行業(yè)的快速發(fā)展，這些行業(yè)對石墨及碳素制品的需求將會不斷增長，我國石墨及碳素制品行業(yè)將保持快速增長。2006-2011年，我國石墨及碳素制品行業(yè)銷售收入年復(fù)合增長率為36.56%。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)形勢，結(jié)合2006-2011年中國石墨及碳素制品行業(yè)銷售收入數(shù)據(jù)及中國經(jīng)濟(jì)增長數(shù)據(jù)，粗略估計(jì)2012-2015年我國石墨及碳素制品行業(yè)銷售收入年復(fù)合增長率為21%，2015年，我國石墨及碳素制品行業(yè)銷售收入將達(dá)到3400億元。03石墨的特殊性質(zhì)石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃，沸點(diǎn)為4250℃，即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小。石墨強(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng)，在2000℃時(shí)，石墨強(qiáng)度提高一倍。特殊性質(zhì)耐高溫性01石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍。導(dǎo)熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。石墨能夠?qū)щ娛且驗(yàn)槭忻總€(gè)碳原子與其他碳原子只形成3個(gè)共價(jià)鍵,每個(gè)碳原子仍然保留1個(gè)自由電子來傳輸電荷。特殊性質(zhì)導(dǎo)電、導(dǎo)熱性02石墨的潤滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤滑性能越好。特殊性質(zhì)潤滑性03石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。特殊性質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性04石墨的韌性好，可碾成很薄的薄片。特殊性質(zhì)可塑性05石墨在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會產(chǎn)生裂紋。特殊性質(zhì)抗熱震性0604石墨的分類LOREMIPSUMDOLORSITAMET,CONSECTETURADIPISICINGELIT,SEDDOEIUSMODTEMPORINCIDIDUNTUTLABOREETDOLOREMAGNAALIQUA.UTENIMADMINIMVENIAM石墨天然石墨人造石墨（特種石墨）晶質(zhì)石墨隱晶質(zhì)石墨擠壓石墨致密結(jié)晶狀石墨鱗片石墨模壓石墨等靜壓石墨石墨分類天然石墨1天然石墨致密結(jié)晶狀石墨致密結(jié)晶狀石墨又叫塊狀石墨。此類石墨結(jié)晶明顯晶體肉眼可見。顆粒直徑大于0．1毫米，比表面積范圍集中在0.1-1m2/g，晶體排列雜亂無章，呈致密塊狀構(gòu)造。這種：石墨的特點(diǎn)是品位很高，一般含碳量為60～65%，有時(shí)達(dá)80～98%，但其可塑性和滑膩性不如鱗片石墨好。天然石墨鱗片石墨鱗片石墨石墨晶體呈鱗片狀；這是在高強(qiáng)度的壓力下變質(zhì)而成的，有大鱗片和細(xì)鱗片之分。此類石墨礦石的特點(diǎn)是品位不高，一般在2～3%，或10～25%之間。是自然界中可浮性最好的礦石之一，經(jīng)過多磨多選可得高品位石墨精礦。這類石墨的可浮性、潤滑性、可塑性均比其他類型石墨優(yōu)越；因此它的工業(yè)價(jià)值最大。天然石墨隱晶質(zhì)石墨隱晶質(zhì)石墨又稱微晶石墨或土狀石墨，這種石墨的晶體直徑一般小于1微米，比表面積范圍集中在1-5m2/g，是微晶石墨的集合體，只有在電子顯微鏡下才能見到晶形。此類石墨的特點(diǎn)是表面呈土狀，缺乏光澤，潤滑性比鱗片石墨稍差。品位較高。一般的60～85%。少數(shù)高達(dá)90%以上。一般應(yīng)用于鑄造行業(yè)比較多。主要蘊(yùn)藏在湖南郴州魯塘。隨著石墨提純技術(shù)的提高。土狀石墨應(yīng)用越來越廣泛。人造石墨2等靜壓石墨就是很多人叫的三高石墨，但是并不是三高就是等靜壓。模壓石墨具有良好的導(dǎo)電性能、耐高溫、耐腐蝕、高純度、自潤滑、抗熱震、各向同性、易于精密機(jī)加工等優(yōu)良特點(diǎn)。擠壓石墨多為電極材料。人造石墨石墨在工業(yè)上運(yùn)用極廣，幾乎每個(gè)行業(yè)都會用到。工業(yè)上多用的是人造石墨，也就是特種石墨。按其成型的方式可分為以下幾種。按石墨的顆粒度分，也可分為：細(xì)節(jié)構(gòu)石墨、中粗石墨（一般的顆粒度在0.8mm左右）、還有就是電極石墨（2-4mm）。人造石墨05提純方法化學(xué)提純提純方法化學(xué)提純是利用石墨耐酸、堿、抗腐蝕的性質(zhì)，用酸、堿處理石墨精礦，使雜質(zhì)溶解，然后洗滌掉，提高精礦品位?；瘜W(xué)提純可獲品位為99%的高碳石墨。化學(xué)提純有多種方法，國內(nèi)應(yīng)用最廣的是氫氧化鈉高溫熔融法?；驹硎窃?00℃以上高溫條件下，使石墨中的雜質(zhì)(以硅酸鹽礦物為主)與燒堿，即NaOH起反應(yīng)，生成水溶性反應(yīng)物，用水浸取反應(yīng)物，即可消除掉部分雜質(zhì)，另一部分雜質(zhì)，如鐵的氧化物，堿熔后用HCl中和，生成可溶子水的氯化鐵，用水洗滌即可除去?；瘜W(xué)提純提純方法上述工藝流程中，NaOH濃度為50%左右，與石墨按1：0.8的比例混合，即生產(chǎn)1t高碳石墨消耗NaOH0.4t左右。HCl的加入量約為石墨的30%。燃料用煤約為o.6一o.7t。堿熔法所用設(shè)備主要有錨式攪拌機(jī)，熔融爐、螺旋漿攪拌機(jī)、V型洗滌槽等。回收率85—90%，投資15—20萬元。這種，工藝雖較先進(jìn)，但也存在耗水量大、石墨流失多，生產(chǎn)率較低，耗堿量大，且排放的廢液污染環(huán)境等不足?；瘜W(xué)提純提純方法由上原因，成本較高。為解決或改善上述不足，河南省地礦廳巖礦測試中心研制了提純高碳石墨新工藝，以離心洗滌取代V型洗滌槽，將廢液處理后循環(huán)使用。采用這種新工藝，可降低材料成本50%左右，節(jié)水50%左右，產(chǎn)率提高10%左右，并減少了廢液對環(huán)境的污染。石墨固定碳含量大于99%，回收率達(dá)92.8%。物理提純提純方法物理提純即高溫提純，利用石墨耐高溫的性質(zhì)，將其置于電爐中，隔絕空氣加熱到2500℃，使灰分(即雜質(zhì))揮發(fā)掉，從而提高精礦品位。高溫提純可獲品位為99.9%的高純石墨。06產(chǎn)地分布國內(nèi)初步統(tǒng)計(jì)，全國25個(gè)省、市、自治區(qū)有近100個(gè)礦點(diǎn)。產(chǎn)地分布北京市、河北省、山西省、內(nèi)蒙古、吉林省、黑龍江省、山東省、江西省、福建省、湖北省、湖南省、廣東省、海南省、四川省、云南省、西藏自治區(qū)、陜西省、河南省、遼寧省、江蘇省、新疆、浙江省、青海省、甘肅省、安徽省。我國以黑龍江雞西市恒山區(qū)柳毛為最大的產(chǎn)地。山東省萊西市為我國石墨重要產(chǎn)地之一，石墨探明儲量687.11萬噸，現(xiàn)保有儲量639.93萬噸。另外吉林省磐石市也是石墨產(chǎn)地之一，石墨儲量500萬噸。2016年9月23日《中國礦業(yè)報(bào)》報(bào)道：內(nèi)蒙古烏拉特中旗高勒圖礦區(qū)發(fā)現(xiàn)全國最大晶質(zhì)石墨單體礦，晶質(zhì)石墨礦石資源量31595.72萬噸，礦物量（固定碳）1580.88萬噸，平均品位(固定碳)5%，均為新增礦產(chǎn)資源量。礦體長2100米，控制最大延深703米，礦石為晶質(zhì)石墨二云母片巖。目前內(nèi)蒙古金彩礦業(yè)有限公司擁有其探礦權(quán)。2016年11月陜西省煤田地質(zhì)局一九四隊(duì)在陜西漢中洋縣發(fā)現(xiàn)3條石墨礦帶，預(yù)計(jì)礦石資源量200萬噸。2017年1月6日中國地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)報(bào)道：內(nèi)蒙古地勘二院和巴彥淖爾市地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院共同承擔(dān)的《巴彥淖爾市石墨礦資源調(diào)查》項(xiàng)目全面結(jié)束，經(jīng)過大量的地質(zhì)調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)并圈出石墨找礦遠(yuǎn)景區(qū)7處。國內(nèi)產(chǎn)地分布世界著名產(chǎn)地：紐約Ticonderoga（泰孔德羅加），馬達(dá)加斯加和斯里蘭卡。產(chǎn)地分布07主要用途石墨及其制品具有耐高溫、高強(qiáng)度的性質(zhì)，在冶金工業(yè)中主要用來制造石墨坩堝，在煉鋼中常用石墨作鋼錠之保護(hù)劑，冶金爐的內(nèi)襯。一作耐火材料在電氣工業(yè)上用作制造電極、電刷、碳棒、碳管、水銀正流器的正極，石墨墊圈、電話零件，電視機(jī)顯像管的涂層等。二作導(dǎo)電材料石墨在機(jī)械工業(yè)中常作為潤滑劑。潤滑油往往不能在高速、高溫、高壓的條件下使用，而石墨耐磨材料可以在200~2000℃溫度中在很高的滑動(dòng)速度下，不用潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質(zhì)的設(shè)備，廣泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和軸承，它們運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)勿需加入潤滑油。石墨乳也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時(shí)的良好的潤滑劑。三作耐磨潤滑材料主要用途生產(chǎn)硬質(zhì)合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料制成壓模和燒結(jié)用的瓷舟。單晶硅的晶體生長坩堝，區(qū)域精煉容器，支架夾具，感應(yīng)加熱器等都是用高純石墨加工而成的。此外石墨還可作真空冶煉的石墨隔熱板和底座，高溫電阻爐爐管，棒、板、格棚等元件。四作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料石墨具有良好的中子減速劑用于原子反應(yīng)堆中，鈾一石墨反應(yīng)堆是應(yīng)用較多的一種原子反應(yīng)堆。作為動(dòng)力用的原子能反應(yīng)堆中的減速材料應(yīng)當(dāng)具有高熔點(diǎn)，穩(wěn)定，耐腐蝕的性能，石墨完全可以滿足上述要求。另外在國防工業(yè)中還用石墨制造固體燃料火箭的噴嘴，導(dǎo)彈的鼻錐，宇宙航行設(shè)備的零件，隔熱材料和防射線材料。五用于原子能工業(yè)和國防工業(yè)石墨經(jīng)過特殊加工以后，可以制作各種特殊材料用于有關(guān)工業(yè)部門。六作鉛筆芯、顏料、拋光劑主要用途石墨具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導(dǎo)熱性好，滲透率低等特點(diǎn)，就大量用于制作熱交換器，反應(yīng)槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵設(shè)備。廣泛應(yīng)用于石油化工、濕法冶金、酸堿生產(chǎn)、合成纖維、造紙等工業(yè)部門，可節(jié)省大量的金屬材料。七石墨還能防止鍋爐結(jié)垢，有關(guān)單位試驗(yàn)表明，在水中加入一定量的石墨粉(每噸水大約用4~5克)能防止鍋爐表面結(jié)垢。此外石墨涂在金屬煙囪、屋頂、橋梁、管道上可以防腐防銹。八主要用途9．電極：石墨何以能取代銅做為電極？20世紀(jì)60年代，銅做為電極材料被廣泛應(yīng)用，使用率約占90%，石墨僅有10%左右；21世紀(jì)，越來越多的用戶開始選擇石墨作為電極材料，在歐洲，超過90%以上的電極材料是石墨。銅，這種曾經(jīng)占統(tǒng)治地位的電極材料，和石墨電極相比它的優(yōu)勢幾乎消失殆盡。是什么導(dǎo)致了這個(gè)戲劇性的變化？當(dāng)然是石墨電極的諸多優(yōu)勢。（1）加工速度更快：通常情況下，石墨的機(jī)械加工速度能比銅快2~5倍；而放電加工速度比銅快2~3倍材料更不容易變形：在薄筋電極的加工上優(yōu)勢明顯；銅的軟化點(diǎn)在1000度左右，容易因受熱而產(chǎn)生變形；石墨的升華溫度為3650度；熱膨脹系數(shù)僅有銅的1/30。（2）重量更輕：石墨的密度只有銅的1/5，大型電極進(jìn)行放電加工時(shí)，能有效降低機(jī)床（EDM）的負(fù)擔(dān)；更適合于在大型模具上的應(yīng)用。