基本介紹
- 中文名：石墨
- 英文名：graphite
- 別稱：石涅、石黑、石螺、石黛、畫眉石
- 化學式：C
- 分子量：12.01
- CAS登錄號：7782-42-5
- EINECS登錄號：231-955-3
- 熔點：3652℃
- 沸點：4827℃
- 水溶性：不溶於水
- 密度：2.25g/cm3
- 外觀：黑色固體
- 套用：鉛筆芯、耐火材料、導電材料、潤滑材料、碳素製造、防輻射材料等
- 危險性描述：無毒，粉塵吸入會引起呼吸道病
- 沸點：4250℃
發展歷程,簡介,名稱來源,碳元素,存在形式,性質特徵,石墨熔點,同素異形體,產地分布,分類,天然石墨,人造石墨,塊狀石墨,鱗片石墨,隱晶質石墨,特種成型方式,石墨晶體,混合晶體,晶體特徵,石墨與金剛石,提純方法,用途,傳統用途,新用途,
發展歷程
早在二十世紀三十年代，中國黑龍江雞西柳毛、山東南墅石墨礦就開始了石墨的生產加工。當時選礦工藝流程簡單，工人勞動條件差，生產率極低，年產量僅有幾千噸。經過幾十年的發展，我國石墨及碳素製品產量快速上升，2004-2011年，石墨及碳素製品產量年複合增長率達22.12%。2011年，我國石墨及碳素製品產量為2556.17萬噸，同比增長21.98%。
石墨及碳素製品具備優良的性能，套用日益廣泛，產能及效益呈快速增長趨勢。2011年，中國石墨及碳素製品行業發展迅速，行業內企業對成本費用的管理控制能力較高，盈利能力較強。國家統計局數據顯示，2011年，我國石墨及碳素製品行業實現工業總產值1675.64億元;實現銷售收入1677.65億元，同比增長40.58%;實現利潤總額109.59億元，同比增長50.87%。隨著套用的不斷推廣，看中國石墨及碳素製品行業的競爭也日趨激烈。
中國規模以上石墨及碳素製品企業較多，集中度低。截至2011年末，中國規模以上石墨及碳素製品企業達871家，銷售收入排名前十的企業銷售收入總額僅占全行業的13.46%。從世界石墨及碳素製品市場的發展趨勢和競爭格局來看，未來我國石墨及碳素製品行業將逐步向大集團集中，石墨及碳素製品行業的集中度將會進一步提高。
隨著中國冶金、化工、機械、醫療器械、核能、汽車、航空航天等行業的快速發展，這些行業對石墨及碳素製品的需求將會不斷增長，我國石墨及碳素製品行業將保持快速增長。2006-2011年，我國石墨及碳素製品行業銷售收入年複合增長率為36.56%。根據當前國內外經濟形勢，結合2006-2011年中國石墨及碳素製品行業銷售收入數據及中國經濟成長數據，粗略估計2012-2015年我國石墨及碳素製品行業銷售收入年複合增長率為21%，2015年，我國石墨及碳素製品行業銷售收入將達到3400億元。
簡介
名稱來源
源於希臘文“graphein”，意為“用來寫”。由德國化學家和礦物學家A.G.Werner於1789命名。
分子結構
分子結構碳元素
碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在於大氣和地殼之中。碳單質很早就被人認識和利用，碳的一系列化合物——有機物更是生命的根本。碳是生鐵、熟鐵和鋼的成分之一。碳能在化學上自我結合而形成大量化合物，在生物上和商業上是重要的分子。生物體內大多數分子都含有碳元素。
存在形式
碳的存在形式是多種多樣的，有晶態單質碳如金剛石、石墨；有無定形碳如煤；有複雜的有機化合物如動植物等；碳酸鹽如大理石等。單質碳的物理和化學性質取決於它的晶體結構。高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨晶體結構不同，各有各的外觀、密度、熔點等。
石墨
石墨性質特徵
石墨是碳質元素結晶礦物，它的結晶格架為六邊形層狀結構。每一網層間的距離為340pm，同一網層中碳原子的間距為142pm;。屬六方晶系，具完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主，對分子吸引力較弱，故其天然可浮性很好。
石墨由於其特殊結構，而具有如下特殊性質：
1） 耐高溫性：石墨的熔點為3850±50℃，沸點為4250℃，即使經超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹係數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時，石墨強度提高一倍。
2） 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。石墨能夠導電是因為石墨中每個碳原子與其他碳原子只形成3個共價鍵,每個碳原子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。
石墨
石墨3）潤滑性：石墨的潤滑性能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。
4）化學穩定性：石墨在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。
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能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產生裂紋。
石墨熔點
金剛石的熔點是3823K,石墨的熔點是3925K。石墨熔點高於金剛石。
比較石墨和金剛石的熔點不能單純地從鍵能的方面予以考慮，如果忽視掉熔化時斷裂鍵的個數，那么得到的數據也不可取。
同素異形體
產地分布
中國：
2016年9月23日《中國礦業報》報導：內蒙古烏拉特中旗高勒圖礦區發現全國最大晶質石墨單體礦，晶質石墨礦石資源量31595.72萬噸，礦物量（固定碳）1580.88萬噸，平均品位(固定碳)5%，均為新增礦產資源量。礦體長2100米，控制最大延深703米，礦石為晶質石墨二雲母片岩。目前內蒙古金彩礦業有限公司擁有其探礦權。
2016年11月陝西省煤田地質局一九四隊在陝西洋縣發現3條石墨礦帶，預計礦石資源量200萬噸
2017年1月6日中國地質環境信息網報導：內蒙古地勘二院和巴彥淖爾市地質礦產調查院共同承擔的《巴彥淖爾市石墨礦資源調查》項目全面結束，經過大量的地質調查工作，發現並圈出石墨找礦遠景區7處
世界：
著名產地：紐約Ticonderoga，馬達加斯加和Ceylon。
分類
天然石墨
石墨的工藝特性主要決定於它的結晶形態。結晶形態不同的石墨礦物，具有不同的工業價值和用途。工業上，根據結晶形態不同，將天然石墨分為三類。
人造石墨
廣義上，一切通過有機炭化再經過石墨化高溫處理得到的石墨材料均可稱為人造石墨，如炭纖維、熱解炭、泡沫石墨等。而狹義上的人造石墨通常指以雜質含量較低的炭質原料為骨料、煤瀝青等為粘結劑，經過配料、混捏、成型、炭化和石墨化等工序製得的塊狀固體材料，如石墨電極、等靜壓石墨等
人造石墨就成型方式通常可分為：振動成型，擠壓成型，模壓成型，等靜壓成型。
塊狀石墨
塊狀石墨又叫緻密結晶狀石墨。此類石墨結晶明顯晶體肉眼可見。顆粒直徑大於0．1毫米，比表面積範圍集中在0.1-1m2/g，晶體排列雜亂無章，呈緻密塊狀構造。這種：石墨的特點是品位很高，一般含碳量為60～65%，有時達80～98%，但其可塑性和滑膩性不如鱗片石墨好。
鱗片石墨
2．鱗片石墨石墨晶體呈鱗片狀；這是在高強度的壓力下變質而成的，有大鱗片和細鱗片之分。此類石墨礦石的特點是品位不高，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越；因此它的工業價值最大。
鱗片石墨
鱗片石墨隱晶質石墨
3．隱晶質石墨隱晶質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於1微米，比表面積範圍集中在1-5m2/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%。少數高達90%以上。一般套用於鑄造行業比較多。主要蘊藏在湖南郴州魯塘。隨著石墨提純技術的提高。土狀石墨套用越來越廣泛。
隱晶質石墨
隱晶質石墨特種成型方式
石墨在工業上運用極廣，幾乎每個行業都會用到。工業上多用的是人造石墨，也就是特種石墨。按其成型的方式可分為以下幾種。
1．等靜壓石墨。也就是很多人叫的三高石墨，但是並不是三高就是等靜壓。
2．模壓石墨
3．擠壓石墨，多為電極材料。
其中按石墨的顆粒度分，也可分為：細節構石墨、中粗石墨（一般的顆粒度在0.8mm左右）、還有就是電極石墨（2-4mm）。
石墨晶體
混合晶體
在石墨晶體中，同層的碳原子以sp2雜化形成共價鍵，每一個碳原子以三個共價鍵與另外三個原子相連。六個碳原子在同一個平面上形成了正六連連形的環，伸展成片層結構，這裡C-C鍵的鍵長皆為142pm，這正好屬於原子晶體的鍵長範圍，因此對於同一層來說，它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個p軌道，它們相互重疊。電子比較自由，相當於金屬中的自由電子，所以石墨能導熱和導電，這正是金屬晶體特徵。因此也歸類於金屬晶體。
石墨晶體結構
石墨晶體結構石墨晶體中層與層之間相隔340pm，距離較大，是以范德華力結合起來的，即層與層之間屬於分子晶體。但是，由於同一平面層上的碳原子間結合很強，極難破壞，所以石墨的熔點也很高，化學性質也穩定。
鑒於它的特殊的成鍵方式，不能單一的認為是原子晶體或者是分子晶體，按現代的表述方式，認為石墨是一種混合晶體。
晶體特徵
晶系和空間群：六方晶系，P63/mc
晶胞參數：a0=0.246nm，c0=0.670nm
典型的層狀結構，碳原子成層排列，每個碳與相鄰的碳之間等距相連，每一層中的碳按六方環狀排列，上下相鄰層的碳六方環通過平行網面方向相互位移後再疊置形成層狀結構，位移的方位和距離不同就導致不同的多型結構。上下兩層的碳原子之間距離比同一層內的碳之間的距離大得多（層內C-C間距=0.142nm，層間C-C間距=0.340nm）
形態：單晶體常呈片狀或板狀，但完整的很少見。集合體通常為鱗片狀，塊狀和土狀
顏色：鐵黑色
石墨烯電晶體條痕：光亮黑色
透明度：不透明
光澤：呈半金屬光澤
硬度：1-2
解理和斷口：平行解理極完全
比重：2.21-2.26g/cm3
比表面積：5-10m2/g
其他性質：薄片具撓性，有滑感，易污手，具有良好的導電性
石墨與金剛石
提起鑽石，人們就會聯想到光彩奪目、閃爍耀眼的情景，它隨著擁有者的活動而光芒四射。但因它的昂貴价格，大多數人只能望而卻步。天然的鑽石是由金剛石經過琢磨後才能稱之謂“鑽石”。天然的鑽石是非常稀少的，世界上重量大於1000克拉(1克=5克拉)的鑽石只有2粒，400克拉以上的鑽石只有多粒，我國迄今為止發現的最大的金剛石重158.786克拉，這就是“常林鑽石”。物以稀為貴，正因為可做“鑽石“用的天然金剛石很罕見，人們就想“人造“金剛石來代替它，這就自然地想到了金剛石的“孿生“兄弟--石墨了。
金剛石和石墨的化學成分都是碳(C)，稱“同素異形體”。從這種稱呼可以知道它們具有相同的“質”，但“形”或“性”卻不同，且有天壤之別，金剛石是目前最硬的物質，而石墨卻是最軟的物質之一。
金剛石
金剛石石墨和金剛石的硬度差別如此之大，但人們還是希望能用人工合成方法來獲取金剛石，因為自然界中石墨(碳)藏量是很豐富的。但是要使石墨中的碳變成金剛石那樣排列的碳，不是那么容易的。石墨在5-6萬大氣壓（（5-6）×103MPa）及攝氏1000至2000度高溫下，再用金屬鐵、鈷、鎳等做催化劑，可使石墨轉變成金剛石粉末。
世界上已有十幾個國家（包括我國）均合成出了金剛石。但這種金剛石因為顆粒很細，主要用途是做磨料，用於切削和地質、石油的鑽井用的鑽頭。當前，世界金剛石的消費中，80%的人造金剛石主要是用於工業，它的產量也遠遠超過天然金剛石的產量。
最初合成的金剛石顆粒呈黑色，0.5mm大小，重約0.1克拉（用於寶石的金剛石一般最小不能小於0.1克拉）。美國、日本等已製成6.1克拉多的金剛石，我國人造金剛石企業黃河旋風公司實驗室生成的大顆粒金剛石達8mm，表明了我國在該領域研究居前沿地位。我們說金剛石已從石墨中“飛”出，寶石級的人造金剛石也會在不久的將來供應於市場。
提純方法
石墨提純：化學提純和物理提純兩種方法。
(1)化學提純是利用石墨耐酸、鹼、抗腐蝕的性質，用酸、鹼處理石墨精礦，使雜質溶解，然後洗滌掉，提高精礦品位。化學提純可獲品位為99%的高碳石墨。化學提純有多種方法，國內套用最廣的是氫氧化鈉高溫熔融法。
基本原理是在500℃以上高溫條件下，使石墨中的雜質(以矽酸鹽礦物為主)與燒鹼，即NaOH起反應，生成水溶性反應物，用水浸取反應物，即可消除掉部分雜質，另一部分雜質，如鐵的氧化物，鹼熔後用HCl中和，生成可溶子水的氯化鐵，用水洗滌即可除去。
上述工藝流程中，NaOH濃度為50%左右，與石墨按1：0.8的比例混合，即生產1 t高碳石墨消耗NaOH0.4t左右。HCl的加入量約為石墨的30%。燃料用煤約為o.6一o.7t。鹼熔法所用設備主要有錨式攪拌機，熔融爐、螺旋漿攪拌機、V型洗滌槽等。回收率85—90%，投資15—20萬元。這種，工藝雖較先進，但也存在耗水量大、石墨流失多，生產率較低，耗鹼量大，且排放的廢液污染環境等不足。
由上原因，成本較高。為解決或改善上述不足，河南省地礦廳岩礦測試中心研製了提純高碳石墨新工藝，以離心洗滌取代V型洗滌槽，將廢液處理後循環使用。採用這種新工藝，可降低材料成本50%左右，節水50%左右，產率提高10%左右，並減少了廢液對環境的污染。石墨固定碳含量大於99%，回收率達 92.8%。
(2)物理提純即高溫提純，利用石墨耐高溫的性質，將其置於電爐中，隔絕空氣加熱到2500℃，使灰分(即雜質)揮發掉，從而提高精礦品位。高溫提純可獲品位為99.9%的高純石墨。
用途
傳統用途
1、作耐火材料：石墨及其製品具有耐高溫、高強度的性質，在冶金工業中主要用來製造石墨坩堝，在煉鋼中常用石墨作鋼錠之保護劑，冶金爐的內襯。
石墨
石墨3．作耐磨潤滑材料：石墨在機械工業中常作為潤滑劑。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速度下，不用潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質的設備，廣泛採用石墨材料製成活塞杯，密封圈和軸承，它們運轉時勿需加入潤滑油。石墨乳也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時的良好的潤滑劑。
4．石墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導熱性好，滲透率低等特點，就大量用於製作熱交換器，反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵設備。廣泛套用於石油化工、濕法冶金、酸鹼生產、合成纖維、造紙等工業部門，可節省大量的金屬材料。
不透性石墨的品種因所含樹脂不同，耐蝕性也有差異。如酚醛樹脂浸漬者耐酸，但不耐鹼；糠醇樹脂浸漬者既耐酸，又耐鹼。不同品種的耐熱性也有差異：碳和石墨在還原性氣氛中可耐2000~3000℃，在氧化氣氛中分別在350℃和400℃開始氧化；不透性石墨品種隨浸漬劑而異，一般由酚醛或糠醇浸漬者耐熱在180℃以下。
6、用於原子能工業和國防工業：石墨具有良好的中子減速劑用於原子反應堆中，鈾一石墨反應堆是套用較多的一種原子反應堆。作為動力用的原子能反應堆中的減速材料應當具有高熔點，穩定，耐腐蝕的性能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高，雜質含量不應超過幾十個PPM 。特別是其中硼含量應少於0.5PPM 。在國防工業中還用石墨製造固體燃料火箭的噴嘴，飛彈的鼻錐，宇宙航行設備的零件，隔熱材料和防射線材料。
7．石墨還能防止鍋爐結垢，有關單位試驗表明，在水中加入一定量的石墨粉(每噸水大約用4~5 克)能防止鍋爐表面結垢。此外石墨塗在金屬煙囪、屋頂、橋樑、管道上可以防腐防鏽。
8．石墨可作鉛筆芯、顏料、拋光劑。石墨經過特殊加工以後，可以製作各種特殊材料用於有關工業部門。
9．電極：石墨何以能取代銅做為電極？
20世紀60年代，銅做為電極材料被廣泛套用，使用率約占90%，石墨僅有10%左右；21世紀，越來越多的用戶開始選擇石墨作為電極材料，在歐洲，超過90%以上的電極材料是石墨。銅，這種曾經占統治地位的電極材料，和石墨電極相比它的優勢幾乎消失殆盡。是什麼導致了這個戲劇性的變化？當然是石墨電極的諸多優勢。
（1）加工速度更快：通常情況下，石墨的機械加工速度能比銅快2~5倍；而放電加工速度比銅快2~3倍
石墨
石墨材料更不容易變形：在薄筋電極的加工上優勢明顯；銅的軟化點在1000度左右，容易因受熱而產生變形；石墨的升華溫度為3650度；熱膨脹係數僅有銅的1/30。
（2）重量更輕：石墨的密度只有銅的1/5，大型電極進行放電加工時，能有效降低工具機（EDM）的負擔；更適合於在大型模具上的套用。
（3）放電消耗更小；由於火花油中也含有C原子，在放電加工時，高溫導致火花油中的C原子被分解出來，轉而在石墨電極的表面形成保護膜，補償了石墨電極的損耗。
（4）沒有毛刺；銅電極在加工完成後，還需手工進行修整以去除毛刺，而石墨加工後沒有毛刺，節約了大量成本，同時更容易實現自動化生產。
（5）石墨更容易研磨和拋光；由於石墨的切削阻力只有銅的1/5，更容易進行手工的研磨和拋光。
（6）材料成本更低，價格更穩定；由於近幾年銅價上漲，如今各向同性石墨的價格比銅更低，相同體積下，東洋炭素的普遍性石墨產品的價格比銅的價格低30%～60%，並且價格更穩定，短期價格波動非常小。
正是這種無可比擬的優勢，石墨逐漸取代銅成為EDM電極的首選材料。
新用途
石墨新用途：
隨著科學技術的不斷發展，人們對石墨也開發了許多新用途。
柔性石墨製品。柔性石墨又稱膨脹石墨，是年代開發的一種新的石墨製品。
1971年美國研究成功柔性石墨密封材料，解決了原子能閥門泄漏問題，隨後德、日、法也開始研製生產。這種產品除具有天然石墨所具有的特性外，還具有特殊的柔性和彈性。
因此，是一種理想的密封材料。廣泛用於石油化工、原子能等工業領域。國際市場需求量逐年增長。
輕工業套用
