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石墨的性質(zhì)、分類及用途 

石墨是一種重要的非金屬礦產(chǎn)資源，是碳的一種同素異形體。

石墨的結(jié)晶形態(tài)不同，決定了它含有多樣的工業(yè)價(jià)值和用途。工業(yè)上根據(jù)石墨結(jié)晶形態(tài)的不同將石墨礦石分為晶質(zhì)(鱗片狀)石墨礦石和隱晶質(zhì)(土塊狀)石墨礦石兩大類。從礦物學(xué)角度，一般來講的石墨均是晶質(zhì)石墨，隱晶質(zhì)石墨也屬于晶質(zhì)石墨。隱晶質(zhì)石墨是只有在電子顯微鏡下才能看到的晶質(zhì)石墨。因此，不同的分類方法其分類結(jié)果是不同的。本文主要是運(yùn)用工業(yè)上的分類方法，此類方法更接近石墨在產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用與分類。

1、石墨的性質(zhì)及分類

晶質(zhì)石墨礦石又可分為鱗片狀和致密狀兩種。鱗片狀石墨礦石結(jié)晶較好，晶體粒徑大于1μm，一般為0.05～1.5mm，大的可達(dá)5～10mm，多呈集合體)。優(yōu)質(zhì)大鱗片石墨是生產(chǎn)石墨烯、膨脹石墨最重要的物質(zhì)原料。對于未來發(fā)展的石墨的新興產(chǎn)業(yè)(或生產(chǎn)的產(chǎn)品的發(fā)展)起到極為重要的作用。我國大鱗片石墨分布在黑龍江、內(nèi)蒙古、山東、湖北等地。致密結(jié)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(dá)80%～98%，但可塑性和潤滑性不如鱗片石墨好。隱晶質(zhì)石墨又稱非晶質(zhì)石墨，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。其品位較高，一般為60%～80%，少數(shù)高達(dá)90%以上；灰分為15%～22%;揮發(fā)分為1%～2%;水分為2%～7%。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，石墨提純技術(shù)的將會提高，隱晶質(zhì)石墨應(yīng)用也會越來越廣泛。(表1，圖1)

石墨用途廣泛，這與石墨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有非常大的關(guān)系。石墨是一種結(jié)晶形碳，為六邊形層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間的作用力很小，且間距較大，容易產(chǎn)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(jié)構(gòu)中每個C原子與其他C原子只形成3個共價(jià)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(dǎo)電性。而導(dǎo)熱性取決于自由電子運(yùn)動的劇烈程度。

表1石墨的主要性質(zhì)特點(diǎn)介紹



石墨主要性質(zhì)特點(diǎn)特點(diǎn)介紹耐高溫性石墨強(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng)，在2000℃時，石墨強(qiáng)度提高一倍。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。潤滑性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?；瘜W(xué)穩(wěn)定性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?？伤苄皂g性好，可碾成很薄的薄片?？篃嵴鹦猿叵率褂脮r能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變。

根據(jù)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(jié)晶程度以及鱗片大小的不同，理化性質(zhì)和適用領(lǐng)域也存在差異，過去鱗片越大，石墨價(jià)值越高。隨著鋰離子電池負(fù)極材料對小型鱗片石墨需求的上升，小型鱗片的價(jià)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(zhì)、巖漿熱液兩類。主要礦床類型是區(qū)域變質(zhì)型和接觸變質(zhì)型。另外還有一些諸如分布于構(gòu)造破碎帶的和次生堆積層中的石墨礦床，一般規(guī)模較小，工業(yè)價(jià)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(tǒng)領(lǐng)域，石墨主要用于機(jī)械工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)和輕工業(yè)行業(yè)?？勺鳚櫥瑒⒛Σ敛牧?、導(dǎo)熱材料、各種耐火模具、抗腐蝕器皿、油墨、鉛筆等。例如，天然石墨主要用于煉鐵和煉鋼(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(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

石墨作為重要的戰(zhàn)略性資源，早在16世紀(jì)就開始被應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。2010年石墨烯的發(fā)現(xiàn)和近年來對石墨烯和石墨結(jié)構(gòu)的廣泛探索研究，其優(yōu)異的特性使其在光學(xué)、能源、航天、環(huán)境、新材料等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，使得社會對石墨也越來越受到關(guān)注，石墨的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒖缭絺鹘y(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用，轉(zhuǎn)向航空航天、綠色環(huán)保、核工業(yè)、新材料、新能源等戰(zhàn)略新興領(lǐng)域的應(yīng)用(表4)。



表4石墨的戰(zhàn)略新興應(yīng)用領(lǐng)域