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石墨質(zhì)軟,黑灰色;有油膩感,可污染紙張。硬度為1~2,沿垂直方向隨雜質(zhì)的增加其硬度可增至3~5。比重為1.9~2.3。比表面積范圍集中在1-20m2/g,在隔絕氧氣條件下,其熔點(diǎn)在3000℃以上,是最耐溫的礦物之一。它能導(dǎo)電、導(dǎo)熱。
自然界中沒有純凈的石墨,其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)常以石英、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現(xiàn)。此外,還有水、瀝青、CO2、H2、CH4、N2等氣體部分。因此對(duì)石墨的分析,除測定固定碳含量外,還必須同時(shí)測定揮發(fā)分和灰分的含量。
同素異形體
石墨與金剛石、碳60、碳納米管、石墨烯等都是碳元素的單質(zhì),它們互為同素異形體。
天然石墨
石墨的工藝特性主要決定于它的結(jié)晶形態(tài)。結(jié)晶形態(tài)不同的石墨礦物,具有不同的工業(yè)價(jià)值和用途。工業(yè)上,根據(jù)結(jié)晶形態(tài)不同,將天然石墨分為三類。
致密結(jié)晶狀石墨
1.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0.1-1m2/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。
鱗片石墨
2.鱗片石墨
石墨晶體呈鱗片狀;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。
隱晶質(zhì)石墨
3.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1-5m2/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(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。主要蘊(yùn)藏隨這石墨提純技術(shù)的提高。土狀石墨應(yīng)用越來越廣泛。
特種石墨成型方式
石墨在工業(yè)上運(yùn)用極廣,幾乎每個(gè)行業(yè)都會(huì)用到。工業(yè)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,但是并不是三高就是等靜壓。
2.模壓石墨
3.?dāng)D壓石墨,多為電極材料。
其中按石墨的顆粒度分,也可分為:細(xì)節(jié)構(gòu)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)。
石墨由于其特殊結(jié)構(gòu),而具有如下特殊性質(zhì):
1) 耐高溫性:石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃,沸點(diǎn)為4250℃,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致破壞,溫度突變時(shí),石墨的體積變化不大,不會(huì)產(chǎn)生裂紋。
名字來源:源于希臘文“graphein”,意為“用來寫”。由德國化學(xué)家和礦物學(xué)家A. G. Werner 于1789命名
化學(xué)組成:成分純凈者極少,往往含各種雜質(zhì)
類別:自然元素-非金屬元素-碳族
晶體特征
晶系和空間群:六方晶系,P63/mmm
晶胞參數(shù):a0=0.246nm,c0=0.670nm
典型的層狀結(jié)構(gòu),碳原子成層排列,每個(gè)碳與相鄰的碳之間等距相連,每一層中的碳按六方環(huán)狀排列,上下相鄰層的碳六方環(huán)通過平行網(wǎng)面方向相互位移后再疊置形成層狀結(jié)構(gòu),位移的方位和距離不同就導(dǎo)致不同的多型結(jié)構(gòu)。上下兩層的碳原子之間距離比同一層內(nèi)的碳之間的距離大得多(層內(nèi)C-C間距=0.142nm,層間C-C間距=0.340nm)
形態(tài):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
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(zhì):薄片具撓性,有滑感,易污手,具有良好的導(dǎo)電性
鑒定特征鐵黑色,硬度低,一組極完全解理,有滑感和染手;如果將硫酸銅溶液潤濕的鋅粒放在石墨上,則可析出金屬銅的斑點(diǎn),在與石墨相似的輝鉬礦上則無此反應(yīng)。
石墨熔點(diǎn)
金剛石的熔點(diǎn)是3823K,石墨的熔點(diǎn)是3773K。石墨熔點(diǎn)低于金剛石。
比較石墨和金剛石的熔點(diǎn)不能單純地從鍵能的方面予以考慮,如果忽視掉熔化時(shí)斷裂鍵的個(gè)數(shù),那么得到的數(shù)據(jù)也不可取。
傳統(tǒng)用途
1、作耐火材料:石墨及其制品具有耐高溫、高強(qiáng)度的性質(zhì),在冶金工業(yè)中主要用來制造石墨坩堝,在煉鋼中常用石墨作鋼錠之保護(hù)劑,冶金爐的內(nèi)襯。
2.作導(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。
3.作耐磨潤滑材料: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。
4.石墨具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。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。
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,但不耐堿;糠醇樹脂浸漬者既耐酸,又耐堿。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。
5.作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料: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,棒、板、格棚等元件。
6、用于原子能工業(yè)和國防工業(yè):石墨具有良好的中子減速劑用于原子反應(yīng)堆中,鈾一石墨反應(yīng)堆是應(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。
7.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。
8.石墨可作鉛筆芯、顏料、拋光劑。石墨經(jīng)過特殊加工以后,可以制作各種特殊材料用于有關(guān)工業(yè)部門。
9.電極:石墨何以能取代銅做為電極?
20世紀(jì)60年代,銅做為電極材料被廣泛應(yīng)用,使用率約占90%,石墨僅有10%左右;21世紀(jì),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(jīng)占統(tǒng)治地位的電極材料,和石墨電極相比它的優(yōu)勢幾乎消失殆盡。是什么導(dǎo)致了這個(gè)戲劇性的變化?當(dāng)然是石墨電極的諸多優(yōu)勢
。
(1)加工速度更快:通常情況下,石墨的機(jī)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
材料更不容易變形:在薄筋電極的加工上優(yōu)勢明顯;銅的軟化點(diǎn)在1000度左右,容易因受熱而產(chǎn)生變形;石墨的升華溫度為3650度;熱膨脹系數(shù)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(jìn)行放電加工時(shí),能有效降低機(jī)床(EDM)的負(fù)擔(dān);更適合于在大型模具上的應(yīng)用。
(3)放電消耗更?。挥捎诨鸹ㄓ椭幸埠蠧原子,在放電加工時(shí),高溫導(dǎo)致火花油中的C原子被分解出來,轉(zhuǎn)而在石墨電極的表面形成保護(hù)膜,補(bǔ)償了石墨電極的損耗。
(4)沒有毛刺;銅電極在加工完成后,還需手工進(jìn)行修整以去除毛刺,而石墨加工后沒有毛刺,節(jié)約了大量成本,同時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。
(5)石墨更容易研磨和拋光;由于石墨的切削阻力只有銅的1/5,更容易進(jìn)行手工的研磨和拋光。
(6)材料成本更低,價(jià)格更穩(wěn)定;由于近幾年銅價(jià)上漲,如今各向同性石墨的價(jià)格比銅更低,相同體積下,東洋炭素的普遍性石墨產(chǎn)品的價(jià)格比銅的價(jià)格低30%~60%,并且價(jià)格更穩(wěn)定,短期價(jià)格波動(dòng)非常小。正是這種無可比擬的優(yōu)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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對(duì)石墨也開發(fā)了許多新用途。
柔性石墨制品。柔性石墨又稱膨脹石墨,是年代開發(fā)的一種新的石墨制品。
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,隨后德、日、法也開始研制生產(chǎn)。這種產(chǎn)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。廣泛用于石油化工、原子能等工業(yè)領(lǐng)域。國際市場需求量逐年增長。
輕工業(yè)應(yīng)用此外,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。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。
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