石墨的性(xing)質、分類(lei)及用(yong)途 

石墨是壹種重(zhong)要(yao)的非金(jin)屬礦(kuang)產(chan)資(zi)源(yuan)，是(shi)碳(tan)的壹種同(tong)素異(yi)形體(ti)。

石墨的結(jie)晶(jing)形(xing)態(tai)不同(tong)，決定(ding)了它含(han)有多(duo)樣的工業(ye)價值(zhi)和(he)用途(tu)。工業上根據石墨結(jie)晶(jing)形(xing)態(tai)的不同(tong)將石墨礦(kuang)石分為(wei)晶(jing)質(鱗片(pian)狀)石墨礦(kuang)石和(he)隱晶(jing)質(土(tu)塊狀(zhuang))石墨礦(kuang)石兩(liang)大(da)類。從(cong)礦(kuang)物學角度，壹般來(lai)講的石墨均是晶(jing)質石墨，隱晶(jing)質(zhi)石墨也屬(shu)於(yu)晶質石墨。隱晶(jing)質(zhi)石墨是只(zhi)有在(zai)電子顯(xian)微(wei)鏡(jing)下(xia)才(cai)能看到(dao)的晶質(zhi)石墨。因此(ci)，不(bu)同(tong)的分類(lei)方(fang)法其分類(lei)結(jie)果(guo)是不(bu)同(tong)的。本文主要是運(yun)用(yong)工(gong)業(ye)上(shang)的分類(lei)方(fang)法，此(ci)類(lei)方(fang)法更(geng)接(jie)近石墨在(zai)產(chan)業(ye)上(shang)的應(ying)用與(yu)分類(lei)。

1、石墨的性(xing)質及分類(lei)

晶(jing)質石墨礦(kuang)石又(you)可(ke)分為(wei)鱗(lin)片(pian)狀和(he)致(zhi)密狀(zhuang)兩(liang)種(zhong)。鱗片(pian)狀石墨礦(kuang)石結(jie)晶(jing)較(jiao)好，晶體(ti)粒徑(jing)大於(yu)1μm，壹般為(wei)0.05～1.5mm，大(da)的可(ke)達5～10mm，多呈集(ji)合(he)體(ti))。優(you)質大(da)鱗(lin)片(pian)石墨是生(sheng)產(chan)石墨烯(xi)、膨脹(zhang)石墨最重(zhong)要(yao)的物質(zhi)原料。對(dui)於(yu)未(wei)來(lai)發展的石墨的新(xin)興產(chan)業(ye)(或(huo)生(sheng)產(chan)的產(chan)品的發展)起(qi)到(dao)極為(wei)重(zhong)要(yao)的作用(yong)。我國大(da)鱗片(pian)石墨分布在(zai)黑龍(long)江(jiang)、內蒙(meng)古(gu)、山(shan)東(dong)、湖(hu)北(bei)等地。致(zhi)密結(jie)晶(jing)狀(zhuang)石墨又(you)叫塊狀(zhuang)石墨，其品位很高(gao)，壹般含(han)碳量(liang)為(wei)60%～65%，有(you)時(shi)達80%～98%，但可(ke)塑(su)性(xing)和(he)潤滑(hua)性(xing)不如(ru)鱗片(pian)石墨好。隱晶(jing)質(zhi)石墨又(you)稱非(fei)晶(jing)質(zhi)石墨，此類(lei)石墨的特點是表(biao)面(mian)呈土(tu)狀，缺(que)乏(fa)光(guang)澤，潤(run)滑(hua)性(xing)比鱗(lin)片(pian)石墨稍(shao)差。其品位較(jiao)高(gao)，壹般為(wei)60%～80%，少數高(gao)達90%以(yi)上；灰分為(wei)15%～22%;揮(hui)發分為(wei)1%～2%;水(shui)分為(wei)2%～7%。隨(sui)著(zhe)科學技術(shu)的不斷(duan)進步(bu)，石墨提純(chun)技術(shu)的將會(hui)提(ti)高(gao)，隱晶(jing)質(zhi)石墨應(ying)用也(ye)會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)廣(guang)泛。(表1，圖(tu)1)

石墨用途(tu)廣(guang)泛，這與(yu)石墨的內部結(jie)構有非(fei)常(chang)大的關系。石墨是壹種結(jie)晶(jing)形(xing)碳(tan)，為(wei)六(liu)邊形層狀(zhuang)結(jie)構，層與(yu)層之間的作用(yong)力很(hen)小(xiao)，且(qie)間距(ju)較(jiao)大，容易(yi)產(chan)生(sheng)滑(hua)移(yi)，因(yin)此(ci)石墨的硬度(du)較(jiao)低，具有潤滑(hua)性(xing)、可(ke)塑(su)性(xing)。此外(wai)，石墨結(jie)構中每個C原子與(yu)其他(ta)C原子只(zhi)形成(cheng)3個(ge)共(gong)價鍵，而(er)每(mei)個(ge)原C子仍然保(bao)留1個自(zi)由(you)電子來(lai)傳(chuan)輸電荷(he)。因(yin)此，石墨具有導電性(xing)。而(er)導(dao)熱(re)性(xing)取決於自(zi)由(you)電子運(yun)動(dong)的劇烈程(cheng)度(du)。

表1石墨的主要(yao)性(xing)質特點介紹(shao)



石墨主要(yao)性(xing)質特點特點介紹(shao)耐高(gao)溫(wen)性(xing)石墨強度(du)隨(sui)溫(wen)度(du)提高(gao)而(er)加(jia)強(qiang)，在(zai)2000℃時(shi)，石墨強度(du)提(ti)高(gao)壹倍(bei)。導電、導(dao)熱(re)性(xing)石墨的導電性(xing)比壹般非金(jin)屬(shu)礦(kuang)高(gao)壹百倍(bei)。導熱(re)性(xing)超過(guo)鋼(gang)、鐵、鉛(qian)等金(jin)屬(shu)材料。導(dao)熱(re)系數隨(sui)溫(wen)度(du)升高(gao)而(er)降(jiang)低，甚至(zhi)在(zai)極(ji)高(gao)的溫(wen)度(du)下，石墨成(cheng)絕(jue)熱(re)體(ti)。潤滑性(xing)取決於石墨鱗片(pian)的大小(xiao)，鱗片(pian)越大(da)，摩擦系數越(yue)小(xiao)，潤滑(hua)性(xing)能越好。化學穩定(ding)性(xing)常溫(wen)下(xia)有良好的化學穩定(ding)性(xing)，能耐酸、耐堿和(he)耐有機(ji)溶劑(ji)的腐蝕(shi)。可(ke)塑(su)性(xing)韌性(xing)好，可(ke)碾(nian)成(cheng)很(hen)薄(bo)的薄片(pian)。抗熱(re)震性(xing)常溫(wen)下(xia)使用時(shi)能經(jing)受住(zhu)溫(wen)度(du)的劇烈變(bian)化(hua)而(er)不(bu)致(zhi)破(po)壞(huai)，溫(wen)度(du)突變(bian)。

根(gen)據(ju)鱗(lin)片(pian)大小(xiao)不(bu)同(tong)，鱗(lin)片(pian)石墨又(you)可(ke)以(yi)分為(wei)四類(lei)：巨(ju)型(xing)鱗片(pian)石墨、大型(xing)鱗片(pian)石墨、中型(xing)鱗片(pian)石墨和(he)小型(xing)鱗片(pian)石墨。石墨結(jie)晶(jing)程(cheng)度(du)以(yi)及鱗(lin)片(pian)大小(xiao)的不同(tong)，理(li)化性(xing)質和(he)適用(yong)領(ling)域(yu)也(ye)存在(zai)差異(yi)，過去鱗(lin)片(pian)越大(da)，石墨價值(zhi)越(yue)高(gao)。隨著(zhe)鋰(li)離子電池負(fu)極(ji)材料對(dui)小(xiao)型(xing)鱗片(pian)石墨需求的上升(sheng)，小型(xing)鱗片(pian)的價值(zhi)會(hui)有(you)所(suo)上漲(zhang)。



圖(tu)1天(tian)然石墨分類(lei)

中國石墨礦(kuang)床(chuang)按(an)成(cheng)因(yin)類(lei)型(xing)，可(ke)分沈(chen)積(ji)—變(bian)質(zhi)、巖漿熱(re)液(ye)兩(liang)類(lei)。主要(yao)礦(kuang)床(chuang)類(lei)型(xing)是區(qu)域(yu)變(bian)質(zhi)型(xing)和(he)接(jie)觸變(bian)質(zhi)型(xing)。另外(wai)還有(you)壹些諸(zhu)如(ru)分布於構造破(po)碎(sui)帶的和(he)次生(sheng)堆(dui)積(ji)層中的石墨礦(kuang)床(chuang)，壹般規(gui)模(mo)較(jiao)小，工業(ye)價(jia)值和(he)成(cheng)因(yin)意(yi)義不(bu)大(表2)。



表2石墨礦(kuang)床(chuang)類(lei)型(xing)劃分

2、石墨的用途(tu)

在(zai)傳(chuan)統領域(yu)，石墨主要(yao)用(yong)於機械工(gong)業、化(hua)學工業(ye)、冶(ye)金工業(ye)和(he)輕工(gong)業行(xing)業(ye)。可(ke)作(zuo)潤(run)滑(hua)劑(ji)、摩擦材料、導(dao)熱(re)材料、各種(zhong)耐火(huo)模具、抗腐(fu)蝕器(qi)皿(min)、油墨、鉛(qian)筆等(deng)。例(li)如(ru)，天(tian)然石墨主要(yao)用(yong)於煉(lian)鐵和(he)煉(lian)鋼(即耐火(huo)材料);合(he)成(cheng)石墨主要(yao)用(yong)作電爐(lu)煉(lian)鋼中的電極(ji)，而(er)合(he)成(cheng)石墨粉加(jia)入到鋼水中可(ke)增(zeng)加(jia)鋼(gang)的碳含(han)量(liang)(表3)。



表(biao)3石墨的傳統(tong)應(ying)用領(ling)域(yu)

石墨作為(wei)重(zhong)要(yao)的戰略(lve)性(xing)資源(yuan)，早在(zai)16世紀就(jiu)開(kai)始(shi)被應(ying)用。隨(sui)著(zhe)科技的發展，應(ying)用領(ling)域(yu)不(bu)斷(duan)擴大。2010年(nian)石墨烯(xi)的發現(xian)和(he)近年(nian)來(lai)對(dui)石墨烯(xi)和(he)石墨結(jie)構的廣泛探索(suo)研究，其優(you)異(yi)的特性(xing)使其在(zai)光(guang)學、能源、航(hang)天(tian)、環境(jing)、新(xin)材料等(deng)眾(zhong)多領(ling)域(yu)展現(xian)了廣(guang)闊(kuo)的應(ying)用前(qian)景，使(shi)得社(she)會(hui)對(dui)石墨也越(yue)來(lai)越(yue)受到(dao)關註(zhu)，石墨的應(ying)用領(ling)域(yu)將跨越(yue)傳統領域(yu)的應(ying)用，轉向航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)、綠(lv)色環保(bao)、核(he)工業(ye)、新(xin)材料、新(xin)能源等(deng)戰(zhan)略新(xin)興領(ling)域(yu)的應(ying)用(表(biao)4)。



表(biao)4石墨的戰略(lve)新(xin)興應(ying)用領(ling)域(yu)