石墨的性質、分類及用途

2020-12-10 找耐火材料網

石墨是一種重要的非金屬礦產資源,是碳的一種同素異形體。

石墨的結晶形態不同,決定了它含有多樣的工業價值和用途。工業上根據石墨結晶形態的不同將石墨礦石分為晶質(鱗片狀)石墨礦石和隱晶質(土塊狀)石墨礦石兩大類。從礦物學角度,一般來講的石墨均是晶質石墨,隱晶質石墨也屬於晶質石墨。隱晶質石墨是只有在電子顯微鏡下才能看到的晶質石墨。因此,不同的分類方法其分類結果是不同的。本文主要是運用工業上的分類方法,此類方法更接近石墨在產業上的應用與分類。

1、石墨的性質及分類

晶質石墨礦石又可分為鱗片狀和緻密狀兩種。鱗片狀石墨礦石結晶較好,晶體粒徑大於1μm,一般為0.05~1.5mm,大的可達5~10mm,多呈集合體)。優質大鱗片石墨是生產石墨烯、膨脹石墨最重要的物質原料。對於未來發展的石墨的新興產業(或生產的產品的發展)起到極為重要的作用。我國大鱗片石墨分布在黑龍江、內蒙古、山東、湖北等地。緻密結晶狀石墨又叫塊狀石墨,其品位很高,一般含碳量為60%~65%,有時達80%~98%,但可塑性和潤滑性不如鱗片石墨好。隱晶質石墨又稱非晶質石墨,此類石墨的特點是表面呈土狀,缺乏光澤,潤滑性比鱗片石墨稍差。其品位較高,一般為60%~80%,少數高達90%以上;灰分為15%~22%;揮發分為1%~2%;水分為2%~7%。隨著科學技術的不斷進步,石墨提純技術的將會提高,隱晶質石墨應用也會越來越廣泛。(表1,圖1)

石墨用途廣泛,這與石墨的內部結構有非常大的關係。石墨是一種結晶形碳,為六邊形層狀結構,層與層之間的作用力很小,且間距較大,容易產生滑移,因此石墨的硬度較低,具有潤滑性、可塑性。此外,石墨結構中每個C原子與其他C原子只形成3個共價鍵,而每個原C子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。因此,石墨具有導電性。而導熱性取決於自由電子運動的劇烈程度。

表1石墨的主要性質特點介紹

石墨主要性質特點特點介紹耐高溫性石墨強度隨溫度提高而加強,在2000℃時,石墨強度提高一倍。導電、導熱性石墨的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導熱係數隨溫度升高而降低,甚至在極高的溫度下,石墨成絕熱體。潤滑性取決於石墨鱗片的大小,鱗片越大,摩擦係數越小,潤滑性能越好。化學穩定性常溫下有良好的化學穩定性,能耐酸、耐鹼和耐有機溶劑的腐蝕。可塑性韌性好,可碾成很薄的薄片。抗熱震性常溫下使用時能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞,溫度突變。

根據鱗片大小不同,鱗片石墨又可以分為四類:巨型鱗片石墨、大型鱗片石墨、中型鱗片石墨和小型鱗片石墨。石墨結晶程度以及鱗片大小的不同,理化性質和適用領域也存在差異,過去鱗片越大,石墨價值越高。隨著鋰離子電池負極材料對小型鱗片石墨需求的上升,小型鱗片的價值會有所上漲。

圖1天然石墨分類

中國石墨礦床按成因類型,可分沉積—變質、巖漿熱液兩類。主要礦床類型是區域變質型和接觸變質型。另外還有一些諸如分布於構造破碎帶的和次生堆積層中的石墨礦床,一般規模較小,工業價值和成因意義不大(表2)。

表2石墨礦床類型劃分

2、石墨的用途

在傳統領域,石墨主要用於機械工業、化學工業、冶金工業和輕工業行業。可作潤滑劑、摩擦材料、導熱材料、各種耐火模具、抗腐蝕器皿、油墨、鉛筆等。例如,天然石墨主要用於煉鐵和煉鋼(即耐火材料);合成石墨主要用作電爐煉鋼中的電極,而合成石墨粉加入到鋼水中可增加鋼的碳含量(表3)。

表3石墨的傳統應用領域

石墨作為重要的戰略性資源,早在16世紀就開始被應用。隨著科技的發展,應用領域不斷擴大。2010年石墨烯的發現和近年來對石墨烯和石墨結構的廣泛探索研究,其優異的特性使其在光學、能源、航天、環境、新材料等眾多領域展現了廣闊的應用前景,使得社會對石墨也越來越受到關注,石墨的應用領域將跨越傳統領域的應用,轉向航空航天、綠色環保、核工業、新材料、新能源等戰略新興領域的應用(表4)。

表4石墨的戰略新興應用領域

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