石墨的性质、分类及用途

2020-12-14 点击量：1561

 

石墨的性质、分类及用途
石墨是一种重要的非金属矿产资源，是碳的一种同素异形体。

石墨的结晶形态不同，决定了它含有多样的工业价值和用途。工业上根据石墨结晶形态的不同将石墨矿石分为晶质(鳞片状)石墨矿石和隐晶质(土块状)石墨矿石两大类。从矿物学角度，一般来讲的石墨均是晶质石墨，隐晶质石墨也属于晶质石墨。隐晶质石墨是只有在电子显微镜下才能看到的晶质石墨。因此，不同的分类方法其分类结果是不同的。本文主要是运用工业上的分类方法，此类方法更接近石墨在产业上的应用与分类。


1、石墨的性质及分类

晶质石墨矿石又可分为鳞片状和致密状两种。鳞片状石墨矿石结晶较好，晶体粒径大于1μm，一般为0.05～1.5mm，大的可达5～10mm，多呈集合体)。优质大鳞片石墨是生产石墨烯、膨胀石墨最重要的物质原料。对于未来发展的石墨的新兴产业(或生产的产品的发展)起到极为重要的作用。我国大鳞片石墨分布在黑龙江、内蒙古、山东、湖北等地。致密结晶状石墨又叫块状石墨，其品位很高，一般含碳量为60%～65%，有时达80%～98%，但可塑性和润滑性不如鳞片石墨好。隐晶质石墨又称非晶质石墨，此类石墨的特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性比鳞片石墨稍差。其品位较高，一般为60%～80%，少数高达90%以上；灰分为15%～22%;挥发分为1%～2%;水分为2%～7%。随着科学技术的不断进步，石墨提纯技术的将会提高，隐晶质石墨应用也会越来越广泛。(表1，图1)

石墨用途广泛，这与石墨的内部结构有非常大的关系。石墨是一种结晶形碳，为六边形层状结构，层与层之间的作用力很小，且间距较大，容易产生滑移，因此石墨的硬度较低，具有润滑性、可塑性。此外，石墨结构中每个C原子与其他C原子只形成3个共价键，而每个原C子仍然保留1个自由电子来传输电荷。因此，石墨具有导电性。而导热性取决于自由电子运动的剧烈程度。

表1石墨的主要性质特点介绍


石墨主要性质特点特点介绍耐高温性石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。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。润滑性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。化学稳定性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。可塑性韧性好，可碾成很薄的薄片。抗热震性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。

根据鳞片大小不同，鳞片石墨又可以分为四类：巨型鳞片石墨、大型鳞片石墨、中型鳞片石墨和小型鳞片石墨。石墨结晶程度以及鳞片大小的不同，理化性质和适用领域也存在差异，过去鳞片越大，石墨价值越高。随着锂离子电池负极材料对小型鳞片石墨需求的上升，小型鳞片的价值会有所上涨。


图1天然石墨分类
中国石墨矿床按成因类型，可分沉积—变质、岩浆热液两类。主要矿床类型是区域变质型和接触变质型。另外还有一些诸如分布于构造破碎带的和次生堆积层中的石墨矿床，一般规模较小，工业价值和成因意义不大(表2)。


表2石墨矿床类型划分
2、石墨的用途

在传统领域，石墨主要用于机械工业、化学工业、冶金工业和轻工业行业。可作润滑剂、摩擦材料、导热材料、各种耐火模具、抗腐蚀器皿、油墨、铅笔等。例如，天然石墨主要用于炼铁和炼钢(即耐火材料);合成石墨主要用作电炉炼钢中的电极，而合成石墨粉加入到钢水中可增加钢的碳含量(表3)。


表3石墨的传统应用领域
石墨作为重要的战略性资源，早在16世纪就开始被应用。随着科技的发展，应用领域不断扩大。2010年石墨烯的发现和近年来对石墨烯和石墨结构的广泛探索研究，其优异的特性使其在光学、能源、航天、环境、新材料等众多领域展现了广阔的应用前景，使得社会对石墨也越来越受到关注，石墨的应用领域将跨越传统领域的应用，转向航空航天、绿色环保、核工业、新材料、新能源等战略新兴领域的应用(表4)。