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鉆石誠可貴，石墨價(jià)更高

 鉆石是指經(jīng)過精心打磨的金剛石，金剛石是一種天然礦物，是鉆石的原石。簡單地講，鉆石是在地球深部高壓、高溫條件下形成的一種由碳元素組成的單質(zhì)晶體。鉆石美麗、稀有，是愛情和忠貞的象征，代表永恒不破的愛情，價(jià)格也十分昂貴，是公認(rèn)的“寶石之王”。

同樣作為碳的同素異形體的石墨，可就沒有這么“富貴”了。

石墨沒有金剛石一樣堅(jiān)硬的物理性質(zhì)，相反，石墨質(zhì)軟，呈黑灰色光澤，有油膩感。而且石墨的礦產(chǎn)資源也比較豐富，世界上已發(fā)現(xiàn)的大中型石墨礦床主要分布在中國、印度、巴西、捷克、加拿大、墨西哥等國。根據(jù)美國地質(zhì)勘探局資料，世界石墨儲(chǔ)量為7100萬噸，中國石墨儲(chǔ)量為5500萬噸，占世界的77%。

石墨不像鉆石一樣價(jià)格昂貴，但是這并不代表它的應(yīng)用價(jià)值低于鉆石。

不管時(shí)代如何進(jìn)步，社會(huì)如何發(fā)展，自始至終石墨都與我們的生活有著密切聯(lián)系。從幼兒園的畫圖顏料，到后來的鉛筆，甚至到現(xiàn)在無處不在的鋰電池，都有著石墨的身影。



石墨的理化性質(zhì)

石墨是原子晶體、金屬晶體和分子晶體之間的一種過渡型晶體。在晶體中同層碳原子間以sp2雜化形成共價(jià)鍵，每個(gè)碳原子與另外三個(gè)碳原子相聯(lián)，六個(gè)碳原子在同一平面上形成正六邊形的環(huán)，伸展形成片層結(jié)構(gòu)。在同一平面的碳原子還各剩下一個(gè)p軌道，它們互相重疊，形成離域的π鍵電子在晶格中能自由移動(dòng)，可以被激發(fā)，所以石墨有金屬光澤，能導(dǎo)電、傳熱。由于層與層間距離大，結(jié)合力（范德華力）小，各層可以滑動(dòng)，所以石墨的密度比金剛石小，質(zhì)軟并有滑膩感。

由于石墨的特殊結(jié)構(gòu)，它還具有以下特殊性質(zhì)：

（1）耐高溫性

石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃，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。

（2）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性

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。

（3）潤滑性

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。

（4）化學(xué)穩(wěn)定性

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。

（5）可塑性

石墨的韌性好，可碾成很薄的薄片。

（6）抗熱震性

石墨在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不被破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。



石墨的分類

石墨可以分為天然石墨和人造石墨。

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0.1-1m 2 /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。

塊狀石墨是最罕見、價(jià)值最高的石墨礦，主要分布在斯里蘭卡。

鱗片石墨

鱗片石墨是由許多單層的石墨結(jié)合而成，在變質(zhì)巖中以單獨(dú)的片狀存在，儲(chǔ)量少、價(jià)值高，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。

鱗片石墨主要分布在澳大利亞、巴西、加拿大、中國、德國和馬達(dá)加斯加。近幾年，非洲坦桑尼亞和莫桑比克等地也發(fā)現(xiàn)大量的鱗片石墨資源。有學(xué)者對(duì)莫桑比克Ancuaba及坦桑尼亞Chilalo地區(qū)的鱗片石墨礦石進(jìn)行研究，結(jié)果表明Ancuaba、Chilalo地區(qū)石墨礦中礦物組成相似，且均為優(yōu)質(zhì)大鱗片石墨資源。

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1-5m 2 /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。隨著石墨提純技術(shù)的提高，土狀石墨應(yīng)用越來越廣泛。

土狀石墨是儲(chǔ)量最多的一種，鱗片較小，結(jié)晶度不高，用于生產(chǎn)低價(jià)值的產(chǎn)品，是3種石墨中價(jià)格最低的一種；土狀石墨主要蘊(yùn)藏在土耳其、中國、歐洲、墨西哥和美國。

人造石墨

人造石墨的種類也很多，如單晶石墨、多晶石墨、熱解石墨、高定向熱解石墨、聚酰亞胺合成的石墨、石墨纖維等，多數(shù)人造石墨制品屬于多晶石墨一類。

石墨的應(yīng)用

石墨可用于生產(chǎn)耐火材料、導(dǎo)電材料、耐磨材料、潤滑劑、耐高溫密封材料、耐腐蝕材料、隔熱材料、吸附材料、摩擦材料和防輻射材料等，這些材料廣泛應(yīng)用于冶金、石油化工、機(jī)械工業(yè)、電子產(chǎn)業(yè)、核工業(yè)和國防等。

耐火材料

在鋼鐵工業(yè)，石墨耐火材料用于電弧高爐和氧氣轉(zhuǎn)爐的耐火爐襯、鋼水包耐火襯等；石墨耐火材料主要是整體澆鑄材料、鎂碳磚和鋁石墨耐火材料。石墨還用于粉末冶金和金屬鑄造成膜材料，石墨粉加入到鋼水中增加鋼的碳含量，使高碳鋼具有許多優(yōu)異性能。

導(dǎo)電材料

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。

耐磨潤滑材料

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。

耐腐蝕材料

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。

高溫冶金材料

由于石墨的熱膨脹系數(shù)小，而且能耐急冷急熱的變化，可作為玻璃器的鑄模，使用石墨后黑色金屬得到鑄件尺寸精確，表面光潔成品率高，不經(jīng)加工或稍作加工就可使用，因而節(jié)省了大量金屬。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，高溫電阻爐爐管等元件。

原子能與國防工業(yè)

石墨具有良好的中子減速劑用于原子反應(yīng)堆中，鈾-石墨反應(yīng)堆是目前應(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。作為原子反應(yīng)堆用的石墨純度要求很高，雜質(zhì)含量不應(yīng)超過幾十個(gè)ppm。特別是其中硼含量應(yīng)少于0.5ppm。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。

其他用途

石墨還是輕工業(yè)中玻璃和造紙的磨光劑和防銹劑，是制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石、鉆石不可缺少的原料。它是一種很好的節(jié)能環(huán)保材料，美國已用它做為汽車電池材料。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，石墨的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓寬，已成為高科技領(lǐng)域中新型復(fù)合材料的重要原料，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的作用。

（1）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。

（2）石墨逐漸取代銅成為EDM電極的首選材料。

（3）石墨深加工產(chǎn)品填加到塑料產(chǎn)品和橡膠產(chǎn)品中，可使塑料制品和橡膠制品不產(chǎn)生靜電，許多工業(yè)產(chǎn)品需要具有防靜電和屏蔽電磁輻射功能，石墨產(chǎn)品兼有這兩項(xiàng)功能，石墨在塑料制品、橡膠制品及其它相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用也會(huì)增加。

結(jié)語

目前石墨的潛力還在開發(fā)，逐層剝離后產(chǎn)生的石墨烯是現(xiàn)在科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)，石墨也將會(huì)作為制備石墨烯的原材料被大量需求，石墨烯如果是“未來材料”，石墨就是搭建出未來的基石，雖沒有鉆石般閃耀，但卻比鉆石“恒久遠(yuǎn)”。

參考資料：

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