1、认识石墨,Understanding of Graphite,目录,01,石墨是什么,石墨（graphite）是一种结晶形碳。是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物，它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。六方晶系，为铁墨色至深灰色。密度2.25克/厘米3，硬度1.5，溶点3652，沸点4827。质软,有滑腻感,可导电。化学性质不活泼,耐腐蚀,与酸、碱等不易反应。在空气
2、或氧气中加强热,可燃烧并生成二氧化碳。强氧化剂会将它氧化成有机酸。用作抗摩剂和润滑材料,制作坩埚、电极、干电池、铅笔芯。高纯度石墨可在核反应堆上作中子减速剂。常被称为炭精或黑铅,因为以前被误认为是铅。,石墨是什么,碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物有机物更是生命的根本。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。,石墨是什么,碳的存在形式是多种多样的，有晶态单质碳如金刚石、石墨；有无定形碳如煤；有复杂的有机化合物如动植物等；碳酸盐如大理石等
3、。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨晶体结构不同，各有各的外观、密度、熔点等。,石墨是什么,石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为12，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至35。比重为1923。比表面积范围集中在1-20m2/g，在隔绝氧气条件下，其熔点在3000以上，是最耐温的矿物之一。它能导电、导热。 自然界中没有纯净的石墨，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对石墨的分析，除测定固定碳含量外，还必须
4、同时测定挥发分和灰分的含量。,石墨是什么,在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环，伸展成片层结构，这里C-C键的键长皆为142pm，这正好属于原子晶体的键长范围，因此对于同一层来说，它是原子晶体。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠。电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体特征。因此也归类于金属晶体。,石墨是什么,石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。但是，由于同一平面层上的碳原子间结合很强
5、，极难破坏，所以石墨的熔点也很高，化学性质也稳定。 鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是原子晶体或者是分子晶体，按现代的表述方式，认为石墨是一种混合晶体。,石墨是什么,铁黑色，硬度低，一组极完全解理，有滑感和染手。 石墨是在高温下形成。 石墨最常见于大理岩、片岩或片麻岩中，是有机成因的碳质物变质而成。煤层可经热变质作用部分形成石墨。少量石墨是火成岩的原生矿物。石墨也常见于陨石中，一般为团块状，以一定方位关系组成立方体外形的多晶集合体称方晶石墨。,02,发展历程,早在二十世纪三十年代，中国黑龙江鸡西柳毛、山东南墅石墨矿就开始了石墨的生产加工。当时选矿工艺流程简单，工人劳动条件差，生产率极低，
6、年产量仅有几千吨。经过几十年的发展，我国石墨及碳素制品产量快速上升，2004-2011年，石墨及碳素制品产量年复合增长率达22.12%。2011年，我国石墨及碳素制品产量为2556.17万吨，同比增长21.98%。 石墨及碳素制品具备优良的性能，应用日益广泛，产能及效益呈快速增长趋势。2011年，中国石墨及碳素制品行业发展迅速，行业内企业对成本费用的管理控制能力较高，盈利能力较强。国家统计局数据显示，2011年，我国石墨及碳素制品行业实现工业总产值1675.64亿元;实现销售收入1677.65亿元，同比增长40.58%;实现利润总额109.59亿元，同比增长50.87%。随着应用的不断推广，看
7、中国石墨及碳素制品行业的竞争也日趋激烈。,中国规模以上石墨及碳素制品企业较多，集中度低。截至2011年末，中国规模以上石墨及碳素制品企业达871家，销售收入排名前十的企业销售收入总额仅占全行业的13.46%。从世界石墨及碳素制品市场的发展趋势和竞争格局来看，未来我国石墨及碳素制品行业将逐步向大集团集中，石墨及碳素制品行业的集中度将会进一步提高。 随着中国冶金、化工、机械、医疗器械、核能、汽车、航空航天等行业的快速发展，这些行业对石墨及碳素制品的需求将会不断增长，我国石墨及碳素制品行业将保持快速增长。2006-2011年，我国石墨及碳素制品行业销售收入年复合增长率为36.56%。根据当前国内外经
8、济形势，结合2006-2011年中国石墨及碳素制品行业销售收入数据及中国经济增长数据，粗略估计2012-2015年我国石墨及碳素制品行业销售收入年复合增长率为21%，2015年，我国石墨及碳素制品行业销售收入将达到3400亿元。,03,石墨的特殊性质,石墨的熔点为385050，沸点为4250，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000时，石墨强度提高一倍。,特殊性质,石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成
9、3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。,特殊性质,石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。,特殊性质,石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。,特殊性质,石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。,特殊性质,石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。,特殊性质,04,石墨的分类,LOREM IPSUM DOLOR SIT AMET, CONSECTETUR ADIPISICING ELIT, SED DO EIUSMOD TEMPOR INCIDIDUNT UT LABORE
10、 ET DOLORE MAGNA ALIQUA. UT ENIM AD MINIM VENIAM,石墨 分类,天然石墨,1,天然石墨,致密结晶状石墨又叫块状石墨。此类石墨结晶明显晶体肉眼可见。颗粒直径大于01毫米，比表面积范围集中在0.1-1m2/g，晶体排列杂乱无章，呈致密块状构造。这种：石墨的特点是品位很高，一般含碳量为6065%，有时达8098%，但其可塑性和滑腻性不如鳞片石墨好。,天然石墨,鳞片石墨石墨晶体呈鳞片状；这是在高强度的压力下变质而成的，有大鳞片和细鳞片之分。此类石墨矿石的特点是品位不高，一般在23%，或1025%之间。是自然界中可浮性最好的矿石之一，经过多磨多选可得高品位石
11、墨精矿。这类石墨的可浮性、润滑性、可塑性均比其他类型石墨优越；因此它的工业价值最大。,天然石墨,隐晶质石墨又称微晶石墨或土状石墨，这种石墨的晶体直径一般小于1微米，比表面积范围集中在1-5m2/g，是微晶石墨的集合体，只有在电子显微镜下才能见到晶形。此类石墨的特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性比鳞片石墨稍差。品位较高。一般的6085%。少数高达90%以上。一般应用于铸造行业比较多。主要蕴藏在湖南郴州鲁塘。随着石墨提纯技术的提高。土状石墨应用越来越广泛。,人造石墨,2,人造石墨,石墨在工业上运用极广，几乎每个行业都会用到。工业上多用的是人造石墨，也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下几种。,按
12、石墨的颗粒度分，也可分为：细节构石墨、中粗石墨（一般的颗粒度在0.8mm左右）、还有就是电极石墨（2-4mm）。,人造石墨,05,提纯方法,提纯方法,化学提纯是利用石墨耐酸、碱、抗腐蚀的性质，用酸、碱处理石墨精矿，使杂质溶解，然后洗涤掉，提高精矿品位。化学提纯可获品位为99%的高碳石墨。化学提纯有多种方法，国内应用最广的是氢氧化钠高温熔融法。 基本原理是在500以上高温条件下，使石墨中的杂质(以硅酸盐矿物为主)与烧碱，即NaOH起反应，生成水溶性反应物，用水浸取反应物，即可消除掉部分杂质，另一部分杂质，如铁的氧化物，碱熔后用HCl中和，生成可溶子水的氯化铁，用水洗涤即可除去。,提纯方法,上述工
13、艺流程中，NaOH浓度为50%左右，与石墨按1：0.8的比例混合，即生产1 t高碳石墨消耗NaOH0.4t左右。HCl的加入量约为石墨的30%。燃料用煤约为o.6一o.7t。碱熔法所用设备主要有锚式搅拌机，熔融炉、螺旋浆搅拌机、V型洗涤槽等。回收率8590%，投资1520万元。这种，工艺虽较先进，但也存在耗水量大、石墨流失多，生产率较低，耗碱量大，且排放的废液污染环境等不足。,提纯方法,由上原因，成本较高。为解决或改善上述不足，河南省地矿厅岩矿测试中心研制了提纯高碳石墨新工艺，以离心洗涤取代V型洗涤槽，将废液处理后循环使用。采用这种新工艺，可降低材料成本50%左右，节水50%左右，产率提高10
14、%左右，并减少了废液对环境的污染。石墨固定碳含量大于99%，回收率达 92.8%。,提纯方法,物理提纯即高温提纯，利用石墨耐高温的性质，将其置于电炉中，隔绝空气加热到2500，使灰分(即杂质)挥发掉，从而提高精矿品位。高温提纯可获品位为99.9%的高纯石墨。,06,产地分布,产地分布,北京市、河北省、山西省、内蒙古、吉林省、黑龙江省、山东省、江西省、福建省、湖北省、湖南省、广东省、海南省、四川省、云南省、西藏自治区、陕西省、河南省、辽宁省、江苏省、新 疆、浙江省、青海省、甘肃省、安徽省。,我国以黑龙江鸡西市恒山区柳毛为最大的产地。 山东省莱西市为我国石墨重要产地之一，石墨探明储量687.11万
15、吨，现保有储量639.93万吨。另外吉林省磐石市也是石墨产地之一，石墨储量500 万吨。 2016年9月23日中国矿业报报道：内蒙古乌拉特中旗高勒图矿区发现全国最大晶质石墨单体矿，晶质石墨矿石资源量31595.72万吨，矿物量（固定碳）1580.88万吨，平均品位(固定碳)5%，均为新增矿产资源量。矿体长2100米，控制最大延深703米，矿石为晶质石墨二云母片岩。目前内蒙古金彩矿业有限公司拥有其探矿权。 2016年11月陕西省煤田地质局一九四队在陕西汉中洋县发现3条石墨矿带，预计矿石资源量200万吨。 2017年1月6日中国地质环境信息网报道：内蒙古地勘二院和巴彦淖尔市地质矿产调查院共同承担的
16、巴彦淖尔市石墨矿资源调查项目全面结束，经过大量的地质调查工作，发现并圈出石墨找矿远景区7处。,产地分布,产地分布,07,主要用途,主要用途,主要用途,主要用途,9电极：石墨何以能取代铜做为电极？ 20世纪60年代，铜做为电极材料被广泛应用，使用率约占90%，石墨仅有10%左右；21世纪，越来越多的用户开始选择石墨作为电极材料，在欧洲，超过90%以上的电极材料是石墨。铜，这种曾经占统治地位的电极材料，和石墨电极相比它的优势几乎消失殆尽。是什么导致了这个戏剧性的变化？当然是石墨电极的诸多优势。 （1）加工速度更快：通常情况下，石墨的机械加工速度能比铜快25倍；而放电加工速度比铜快23倍 材料更不容
17、易变形：在薄筋电极的加工上优势明显；铜的软化点在1000度左右，容易因受热而产生变形；石墨的升华温度为3650度；热膨胀系数仅有铜的1/30。 （2）重量更轻：石墨的密度只有铜的1/5，大型电极进行放电加工时，能有效降低机床（EDM）的负担；更适合于在大型模具上的应用。 （3）放电消耗更小；由于火花油中也含有C原子，在放电加工时，高温导致火花油中的C原子被分解出来，转而在石墨电极的表面形成保护膜，补偿了石墨电极的损耗。 （4）没有毛刺；铜电极在加工完成后，还需手工进行修整以去除毛刺，而石墨加工后没有毛刺，节约了大量成本，同时更容易实现自动化生产。 （5）石墨更容易研磨和抛光；由于石墨的切削阻力
18、只有铜的1/5，更容易进行手工的研磨和抛光。 （6）材料成本更低，价格更稳定；由于近几年铜价上涨，如今各向同性石墨的价格比铜更低，相同体积下，东洋炭素的普遍性石墨产品的价格比铜的价格低30%60%，并且价格更稳定，短期价格波动非常小。 正是这种无可比拟的优势，石墨逐渐取代铜成为EDM电极的首选材料。,主要用途,随着科学技术的不断发展，人们对石墨也开发了许多新用途。 柔性石墨制品。柔性石墨又称膨胀石墨，是年代开发的一种新的石墨制品。 1971年美国研究成功柔性石墨密封材料，解决了原子能阀门泄漏问题，随后德、日、法也开始研制生产。这种产品除具有天然石墨所具有的特性外，还具有特殊的柔性和弹性。 因此，是一种理想的密封材料。广泛用于石油化工、原子能等工业领域。国际市场需求量逐年增长。,主要用途,石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂，是制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石、钻石不可缺少的原料。它是一种很好的节能环保材料，美国已用它做为汽车电池。随着现代科学技术和工业的发展，石墨的应用领域还在不断拓宽，已成为高科技领域中新型复合材料的重要原料，在国民经济中具有重要的作用。,主要用途,THANKS,xiqiwei,
