石墨、石墨棒、石墨制品、石墨粉
來源：石墨棒、潤滑石墨棒、導電石墨棒、捷誠石墨制品公司 點擊量：19 日期：2011-08-31
石墨　
地球上沒有任何元素能象碳那樣。由單一元素組成，形成外觀多變，性能各異，應用廣泛的制品。它之所以能夠如此，與其原子鍵合方式、分子結(jié)構(gòu)類型及其集合形態(tài)的多樣性密切相關。碳元素基態(tài)電子層結(jié)構(gòu)為1S22S22P2。根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，碳原子的外層電子可通過sp3·sp2·sp三種雜化方式形成δ鍵和π鍵。當碳原子外層電子以sp3雜化時，就構(gòu)成了具有立體結(jié)構(gòu)的金剛石；當以sp2雜化時，就構(gòu)成了平面結(jié)構(gòu)的石墨，當以sp雜比時，就生成線狀結(jié)構(gòu)的炭——卡賓。1985年科學家們又發(fā)現(xiàn)了一種籠形結(jié)構(gòu)的碳，即由60個碳原子組成的高質(zhì)量數(shù)碳族分子——固體CB60，即足球烯。
石墨晶體具有六角平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可分為天然石墨和人造石墨兩種。前者多呈鱗狀，由石墨礦中提選出來。六角平面內(nèi)三個sp2雜化軌道互成120°角排列。與相鄰碳原子生成共價鍵。剩余的一個2P電子在垂直于六角平面的方向上排列，網(wǎng)面上下方的π電子相互重合，形成范德華鍵。石墨晶體的層間疊合方式通常為ABAB型或ABCABC型。如圖1所示。天然石墨多為第一種方式；人造石墨多為第二種方式。單晶石墨的理想晶體結(jié)構(gòu)有六方晶系和三方（菱面體）晶系兩種。對于六方晶系的晶胞，其晶格常數(shù)a0=2.461埃、C0=6.708埃。晶胞內(nèi)有4個碳原子，由此可計算出理想石墨的密度為2.266。人們從結(jié)晶程度非常高的天然鱗片石墨中可篩選出單晶石墨，但尺寸很小。
石墨的性能　 石墨的獨特構(gòu)造使其具有特殊的性能，應用十分廣泛，在工業(yè)上主要應用以下幾種性能：
（1）潤滑性。由于石墨材料層間結(jié)合力很小，當其與金屬摩擦時，在金屬表面極易形成石墨薄膜，可以起到減摩作用。對于表面拋光的鋼，高強石墨在常溫、大氣中的動摩擦系數(shù)約為0.35。因此，石墨常被作為潤滑劑、制造石墨軸承、模鍛石墨乳等。
（2）熱膨脹性小。一般在20℃～200℃之間，擠壓成型的石墨制品，沿擠壓方向的熱膨脹系數(shù)為（1～2）×10-6/℃，垂直于擠壓方向為（2～3）×10-6/℃。膨脹石墨板的熱膨脹系數(shù)較大，如沿面方向為5×10-6/℃，沿厚度方向為100×10-6/℃。石墨制品具有較高的抗熱震性，如電爐煉鋼用的石墨電極要承受急冷、急熱作用，等等。
（3）良好的導熱、導電性。一般沿晶體層面方向的傳導性比垂直于層面方向的大得多。但石墨的導熱率和電阻均受溫度影響，如電阻系數(shù)在700 K～900K以下為負值，900K以上為正值，導熱率在某一溫度達到最大值，其余均會下降。正由于其各向異性的良導熱、導電性，才使石墨大量用作耐火材料、隔熱材料和石墨電極。
（4）廣泛溫區(qū)內(nèi)的可使用性。石墨的熔點為38.50℃，沸點達4250℃，因此它在空氣中可用到-200~450℃，在真空或還原性氣氛中可用到-200～3000℃。石墨的強度和硬度隨溫度的升高不是降低而是升高。石墨在室溫下基本屬于脆性材料，在1700℃以上開始產(chǎn)生蠕變，且蠕變量很小，因此在現(xiàn)代科技和工業(yè)中，它常被用在極高溫條件下。
（5）化學性能穩(wěn)定且無毒性。石墨對人體無毒。它在400℃時開始發(fā)生氧化，700℃以上可與水蒸汽反應。900℃以上可與CO2反應，1000℃以上才與氫反應。除王水、鉻酸、濃硫酸及硝酸外，可抵抗各種酸、堿和有機溶劑的侵蝕。在高溫下，石墨可與許多金屬或非金屬或它們的氧化物發(fā)生反應。由于石墨的耐輻照性和熱中子截面小，使它成為核反應堆中唯一可供選擇的慢化材料。 
（6）其他特性。石墨具有可涂敷性、質(zhì)輕、可塑性大、易加工成形等特點，它還是一種重要碳源，可提供各種材料中所需的純度較高的碳。
天然石墨　 天然石墨一般都似石墨片巖、石墨片麻巖、含石墨的片巖及變質(zhì)頁巖等礦石出現(xiàn)。天然石墨依其結(jié)晶形態(tài)可分成晶質(zhì)石墨和隱晶質(zhì)石墨。晶質(zhì)石墨的晶體直徑大于1μm，按其結(jié)晶形態(tài)，它還可分為致密塊狀石墨和鱗片狀石墨。致密塊狀石墨礦床很少。鱗片石墨是國內(nèi)外工業(yè)利用的主要石墨類型，外觀呈黑色或銀灰色，具有明顯定向晶體結(jié)構(gòu)，鱗片石墨原礦品位一般為3～13.5%，個別富礦可達20%。隱晶質(zhì)石墨晶體直徑小于1μm，形狀呈不定形花瓣狀或疊層片狀，分為分散性土狀石墨（粉）和致密塊體土狀石墨。前者礦石品位低，一般只含2～3%；后者礦體呈層狀或透鏡狀，夾在變質(zhì)巖中，品位達60~80%，最高可達95%，但可選性差，一般經(jīng)挑選后粉碎即為成品，使用價值不如鱗片石墨。
天然石墨經(jīng)過選礦后成為中碳石墨（含80~93%碳），但在許多應用中需要提純?yōu)楹荚?1~99%的高碳石墨。由于天然鱗片石墨中的雜質(zhì)主要為石英、長石、高嶺土、云母、黃鐵礦、方解石以及其他氧化物，所以常用化學方法提純。天然石墨的價值及其純度與粒度關系最大。純度常用含碳量或灰分表示，一般含碳量越高，灰分越少，則價格越高。粒度常用英制（目）或公制(mm)來表示產(chǎn)品的平均粒徑。對于正目數(shù)來說，粒徑越大價格越高；對于負目數(shù)來說，粒徑越小越值錢。所以石墨產(chǎn)品最后都要用標準篩篩分后才能包裝，商品中一般要求正目數(shù)的篩上物高于80%，負目數(shù)的篩下物高于75%。在一些特殊用途中，對石墨結(jié)晶構(gòu)造、灰分中微量元素含量、雜質(zhì)粒徑等有嚴格要求，如含硫、氯和鐵量。硫和氯在使用中對接觸金屬有強腐蝕性，鐵影響石墨制品的高溫抗氧化性。在核石墨中還對中子吸收截面大的雜質(zhì)元素要求降到最少，如硼。
世界石墨資源非常豐富，目前已探明總儲量為16600萬噸，其中晶質(zhì)石墨占61%。石墨礦主要分布在亞洲、歐洲、非洲和美洲。中國石墨總儲量為13600萬噸，其中晶質(zhì)鱗片石墨為12000萬噸。最近我國又發(fā)現(xiàn)了幾個石墨礦，有石墨礦的省份占1/3以上，資源豐富的省有山東、黑龍江、內(nèi)蒙古和湖南等。我國石墨儲量、原料產(chǎn)量及出口量均居世界首位，且晶質(zhì)鱗片石墨大片率高、雜質(zhì)少。南朝鮮是世界第二大石墨生產(chǎn)國，大部分為土狀石墨。原蘇聯(lián)是第三石墨生產(chǎn)國，主要為晶質(zhì)石墨。日本是最大的石墨進口國和消費國，美國、德國、英國的消耗量也很大。
人造石墨　 用X射線衍射法證實，炭素與石墨在晶體結(jié)構(gòu)上并非有明確分界線，只是前者晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)達、結(jié)晶程度較低。許多炭材料通過進一步熱處理，完全可以轉(zhuǎn)化為石墨，使其晶體結(jié)構(gòu)趨于完善，這就是炭素工業(yè)石墨化過程，也是人造石墨的最關鍵一環(huán)。
多晶碳的結(jié)構(gòu)特征是由六角原子環(huán)構(gòu)成的平面狀微晶松散堆積，其晶界是由位錯為主的過渡格子層。碳的石墨化是使晶界和其他晶格缺陷因熱激發(fā)而移動消失，或者說使六角網(wǎng)格平面亂層結(jié)構(gòu)過渡到三維有序排列的石墨結(jié)構(gòu)。要完成石墨化，主要條件是加熱升溫，至少需加熱到2000℃以上，有的要到2800℃以上。
在現(xiàn)代工業(yè)中應用最多的人造石墨為石墨電極和石墨纖維。煉鋼用石墨電極或電解用石墨陽極的制造過程為，將炭原料（如石油焦、瀝青焦、無煙煤、冶金焦、炭黑等）經(jīng)過煅燒、破碎與篩分、與粘接劑（主要用煤瀝青）混捏后，再經(jīng)壓型和焙燒、高溫石墨化，最后加工成所需規(guī)格尺寸。石墨纖維是將碳纖維經(jīng)過高溫石墨化處理后制成。石墨化纖維具有高模量、導電率高特點，可以制成石墨布或氈，根據(jù)需要可進行浸漬處理。
石墨層間化合物　 由于石墨原子層間以較小的分子間力結(jié)合，所以可用人工方法使異類分子、原子或離子進入石墨原子層間而生成一種原子級復合材料，叫石墨層間化合物（簡稱GIC）。當反應物質(zhì)進入石墨層間后，反應物和石墨層面存在著電子的接受過程，即離子化過程。GIC可分為：施主型，即插入物提供電子給石墨原子，本身成為正離子，如堿金屬——GIC；受主型，即插入物從石墨層獲得電子，本身成為負離子而進入層間，如氯化物——GIC：共價鍵結(jié)合型，即插入物和石墨層面沒有電子接受，形成共價鍵結(jié)合，如氟化石墨和石墨酸。GIC可以生成范圍非常廣泛的階結(jié)構(gòu)不同的化合物，當反應物質(zhì)均勻地進入所有的石墨層間時，稱1階GIC；當反應物每隔2層石墨插入時，稱為2階……；現(xiàn)已合成了10~15階的GIC。不同結(jié)構(gòu)的GIC，物理性能差異較大，故可以通過控制其合成條件來改變其結(jié)構(gòu)與性能。
GIC除保持石墨性能外，還具有新的理化特性：高導電特性和超導特性；電池特性，用其制造一、二次電池；高效催化特性，可用作聚合反應；增加了功能性空間，如氣體吸收特性：創(chuàng)造出新功能，如制成溫差電池和膨脹石墨。
迄今為止，石墨層間化合物中得到工業(yè)化生產(chǎn)和應用的只有氟化石墨和酸化石墨。氟化石墨是氟和石墨的GIC，有兩種，分別用(CF)n和(C2F)n表示。它作為固體潤滑劑，可在任何溫度和條件下使用，摩擦系數(shù)比黃油還低。另外，由氟化石墨制作的鋰電池早已投入市場。另一種是H2SO4—GIC，也稱膨脹石墨或酸化石墨。當在高溫迅速加熱時，層間插入物會迅速分解、汽化，從而使石墨膨脹幾十到幾百倍成蠕蟲狀，再將其進行加壓、軋制即可制成膨脹石墨板（紙）材。膨脹石墨作為第二代密封料，有著比傳統(tǒng)密封材料無可比擬的優(yōu)點：除耐高低溫、抗腐蝕、抗輻照外，還具有較高壓縮率、回彈率、低應力松弛率，密封性好的特性，再加上無石棉化，因而在現(xiàn)代科技和工業(yè)中得到了廣泛應用。
廣泛應用　 石墨主要用于生產(chǎn)耐火材料，包括耐火磚、坩堝、連續(xù)鑄造粉、鑄模芯、鑄造涂覆劑和最耐高溫材料。全世界約70%的耐火材料消耗在鋼鐵工業(yè)上。近20年來鎂碳磚和鋁碳磚開始應用于煉鋼爐內(nèi)襯及連續(xù)鑄造，它們都是石墨制品。石墨坩堝中有30％～50％的含碳量，其中80％～90%粒徑大于0.15mm的為大鱗片石墨。它具有高耐火性、低膨脹性、高溫下抗熱震性和熱傳導性良好等優(yōu)點，被廣泛用于金屬熔融和冶煉。世界上每年約有10％的天然石墨用于制造潤滑劑，這一般都需使用粒度小于50μm的高碳石墨或高純天然石墨。潤滑劑的種類繁多，有干粉、油劑、乳劑等。微粉石墨乳可應用于電子器件。