資源型礦物簡介、石墨

1、石墨 東北大學(xué)礦物材料與粉體技術(shù)研究 中心 石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，它的結(jié)晶格架為六邊 形層狀結(jié)構(gòu)，在每一層內(nèi)，每個碳原子都與其他3 個碳原子以共價鍵結(jié)合，形成平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 同一網(wǎng)層中碳原子的間距為1.42A。； 層與層之間的距離為3.40A ，是以分子間作用力 相結(jié)合的。由于同一層的碳原子間以較強(qiáng)的共價 鍵結(jié)合，使石墨的熔點很高。但由于層與層間的 分子間作用力較弱，容易滑動，使石墨的硬度很 小。 石墨這樣的晶體一般稱為過渡型晶體或混合型晶 體。 石墨具完整的層狀解理。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。 石墨質(zhì)軟，黑灰色；有油膩感，可污染 紙張。硬度為12，沿垂直

2、方向隨雜質(zhì) 的增加其硬度可增至35。密度為1.9 2.3g/cm3。 1） 耐高溫性：石墨的熔點為385050， 沸點為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，石墨強(qiáng)度提高一倍。 二、石墨的性質(zhì) n2） 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。 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

3、。 5） 可塑性：石墨的韌性好，可年成很薄的薄片。 6） 抗熱震性：石墨在常溫下使用時能經(jīng)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(chǎn)生裂紋。 n自然界中純凈的石墨是沒有的，其中往 往含有Si02、A1203、Fe0、CaO、P2O5、 Cu0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。 因此對石墨的分析，除測定固定碳含量 外，還必須同時測定揮發(fā)分和灰分的含 量。 三、石墨的分類 n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)價值和用途。工業(yè)上，根據(jù)結(jié) 晶形

4、態(tài)不同，將天然石墨分為三類。 n1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。 晶體排列雜亂無章，呈致密塊狀構(gòu)造。這 種石墨的特點是品位很高，一般含碳量為 60% 65，有時達(dá)80%98，但其可塑 性和滑膩性不如鱗片石墨好。 n2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 礦石的特點是品位不高，一般在2%3。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)價值最大。 n3隱晶質(zhì)石墨 隱晶質(zhì)石墨又稱非

5、晶質(zhì)石墨或土狀 石墨，這種石墨的晶體直徑一般小于1微 米，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，潤滑性也 差。品位較高。一般的60%80。少 數(shù)高達(dá)90以上。礦石可選性較差。 四、石墨的用途四、石墨的用途 石墨具有突出的耐高溫和耐低溫的性質(zhì)， 膨脹系數(shù)很小，體積穩(wěn)定，因此能抗急冷急 熱的變化，石墨的耐高溫性質(zhì)和一般金屬不 同當(dāng)溫度升高時，它不是趨于軟化，而其強(qiáng) 度反而增高。 石墨是熱和電的良導(dǎo)體，其傳熱性能和 導(dǎo)電性能和大多數(shù)金屬差不多，但又有其特 點，一般的金屬當(dāng)溫度升高時，導(dǎo)熱系數(shù)也 隨之升高，而石墨的導(dǎo)熱系數(shù)相反，溫度升 高時，其導(dǎo)

6、熱系數(shù)反而下降。在極高的溫度 下，石墨趨于絕緣狀態(tài)，因此在超高溫條件 下，石墨的隔熱性能是很可靠的。 石墨的可塑性和潤滑性早已在工業(yè)上 獲得應(yīng)用，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，因 此鱗片石墨最滑，潤滑性最好，致密結(jié)晶 狀石墨次之，土狀石墨潤滑性較差。 石墨是化學(xué)工業(yè)的超級材料，它的化 學(xué)穩(wěn)定性非常突出，它耐酸、耐堿、耐腐 蝕，在化工工業(yè)中具有特殊地位。 石墨還是原子反應(yīng)堆優(yōu)良的減速劑， 使石墨的用途進(jìn)入了一個新的歷史階段， 為了制造優(yōu)良的減速劑，石墨的提純工藝 得到了進(jìn)一步發(fā)展，因此石墨已成為原子 能工業(yè)的重要材料。 柔性石墨新型發(fā)熱材料 n 用純天然鱗片石墨原料加工的柔性石墨是 經(jīng)嚴(yán)格的化學(xué)處理和

7、熱處理制成的發(fā)熱材料， 具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。經(jīng)測試，電熱轉(zhuǎn) 換率達(dá)97%以上，且發(fā)熱表面溫度均勻、穩(wěn)定。 在換熱方式一定的條件下，發(fā)熱體表面溫度恒 定，在控制溫度范圍內(nèi)可隨意設(shè)定不再升溫。 工作狀態(tài)下，具有化學(xué)性能穩(wěn)、耐高溫、壽命 長等特點。并能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線。因此，是一種 新型的發(fā)熱材料，有著較廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市 場前景。 微波法制備納米多孔石墨微波法制備納米多孔石墨 n n石墨內(nèi)含層狀結(jié)構(gòu)，在某些外因作用下，一些分 子、原子、離子或粒子團(tuán)可被插入石墨層間，形 成層間化合物。石墨層間化合物在瞬間高溫作用 下，由于內(nèi)含的插層物急劇分解和氣化，并劇烈 膨脹達(dá)數(shù)十到數(shù)百倍，形成物被稱為膨脹石墨

8、。 膨脹石墨是一種疏松多孔的石墨材料，經(jīng)碾壓等 過程可制成不同孔隙的多孔材料，在環(huán)境、化工、 能源、消防、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的用途。 n 采用傳統(tǒng)高溫膨化法制備的膨脹石墨，其孔 隙率非常大，孔徑也很大，大多數(shù)孔隙限制了多 孔石墨的應(yīng)用，降低了應(yīng)用效果。同濟(jì)大學(xué)材料 科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境材料研究所采用新穎和微波 法，對石墨進(jìn)行膨化處理。由于微波法與高溫膨 化法對石墨作用機(jī)制的不同，可產(chǎn)生不同的膨化 效果。通過控制微波加熱的功率、時間等參數(shù)， 可容易地調(diào)整對石墨處理的強(qiáng)弱程度。此外，微 波法開停方便，具有高效和節(jié)能的優(yōu)點。 硅化石墨及其制品硅化石墨及其制品 n 硅化石墨是上世紀(jì)80年代末研制出的一種

9、功 能材料，即在石墨材料表面涂覆碳化硅層而構(gòu) 成的一種復(fù)合功能材料。 n它主要制作在高溫條件下，腐蝕和腐蝕介質(zhì)中 工作的設(shè)備部件。與傳統(tǒng)材料相比，它具有很 高的硬度、抗壓強(qiáng)度、耐熱強(qiáng)度、耐熱性以及 耐化學(xué)腐蝕和磨蝕性。此外硅化石墨還具有良 好的耐磨性能和電物理性能。它的重量僅為金 屬的50%15%，而在0.6兆帕的壓力下其透 氣率僅為5.610-8厘米2/秒。 n生產(chǎn)鋼筋混凝土?xí)r，使用無鎢硬質(zhì)合金拉絲模校 直徑5毫米的鋼筋時，其使用壽命為1200小時， 而在同樣條件下，硅化石墨拉絲模的使用壽命可 達(dá)2500小時 n在加工高嶺土的CM-300型柱銷式磨機(jī)上，用硅 化石墨制成的柱銷，工作1600小

10、時的磨損僅為 0.05毫米，而用傳統(tǒng)材料（通過為HPC55-60的合 金）制成的柱銷工作800小時就會報廢； n用硅化石墨制成原水力旋流器，其耐用性能比一 般常用材料制成的大15-20倍； n硅化石墨用作選礦廠磨礦機(jī)襯里磨細(xì)鈦鐵礦時， 設(shè)備使用一個半月后，襯里也未出現(xiàn)磨損。 n硅化石墨還可用作射流磨工作表面的涂層。由于 硅化石墨可承受1100的溫落差，因此，它制成 的噴咀在使用壽命方面是其它材料所不能相比的， n硅化石墨的耐熱程度很高，是用于生產(chǎn)冶金粉末 用模壓機(jī)的最佳材料； n用硅化石墨制成的鉆頭使用壽命為50-60小時，比 用硬質(zhì)合金制成的相同制品大10倍。 n使用1千克硅化石墨節(jié)約350

11、-400千克黑色 和有色金屬，200-250千克不銹鋼和25-30 千克硬質(zhì)合金 ； n對于鋼筋校直套管來說，使用1千克硅化石 墨的經(jīng)濟(jì)效益約為2700美元； n在化工泵的密封襯套和端面密封材料方面， 1套密封材料的經(jīng)濟(jì)效益約為250美元。 n總之，在國民經(jīng)濟(jì)中使用1噸硅化石墨的經(jīng) 濟(jì)效益為6-540萬美元。 俄羅斯發(fā)明除油污泡沫石墨俄羅斯發(fā)明除油污泡沫石墨 n俄羅斯的維克托*彼得里克院士最近發(fā)明了一種可 用于除去油污的泡沫石墨。其吞噬石油的能力比 世界上最好的吸著劑高出13倍。新型材料經(jīng)濟(jì)實 用，每立方厘米泡沫石墨重0.01 至0.001克，1克 材料覆蓋的面積達(dá)250平方米，是非常獨特的環(huán)

12、 保材料。 這種泡沫石墨就像海綿那樣吸著石油和石油 產(chǎn)品。然后對它擠壓，吸入的98%的石油可以被 擠壓出來，擠壓出來的石油可以使用，泡沫石墨 本身也可以繼續(xù)使用。經(jīng)過多次使用后，將它壓 成塊狀用作燃料，其燃燒質(zhì)量不次于最優(yōu)質(zhì)的煤 碳。 n這種材料不易化合，抗腐蝕性介質(zhì)能 很好地吸著溶解、乳化和氣體狀態(tài)的油類 產(chǎn)品。它可以用來拯救落入油污中的動物 和鳥類。這種材料用于滅火也很有效。用 直升機(jī)將泡沫石墨粉撒入火海中可撲滅熊 熊大火。泡沫石墨甚至可消除劇毒的火箭 燃料和核電站使用的堿性金屬。它還具有 吸收空氣中的懸浮顆粒的功能。 石墨烯石墨烯 石墨烯（石墨烯（Graphene）是一種二維碳材料，是單

13、層石）是一種二維碳材料，是單層石 墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。 石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存 在，直至在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈海海 姆姆(Andre Geim)和康斯坦丁和康斯坦丁諾沃肖洛夫諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯， 而證實它可以單獨存在，兩人也因而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的在二維石墨烯材料的 開創(chuàng)性實驗開

14、創(chuàng)性實驗”，共同獲得，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。 石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，具有石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，具有 超輕、超強(qiáng)導(dǎo)電性、優(yōu)異的室溫導(dǎo)熱和透光性，幾乎完全超輕、超強(qiáng)導(dǎo)電性、優(yōu)異的室溫導(dǎo)熱和透光性，幾乎完全 透明，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。常溫下其電子遷移率超過納米碳管或硅透明，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。常溫下其電子遷移率超過納米碳管或硅 晶體高，而電阻率只約晶體高，而電阻率只約10-8 m，比銅或銀更低，為世上，比銅或銀更低，為世上 電阻率最小的材料。電阻率最小的材料。 可以替代硅，制造未來新一代超級計算機(jī)；替代可以替代硅，制造未來新一代超級計算機(jī)；替代ITO

15、 透明導(dǎo)電薄膜，應(yīng)用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池等透明導(dǎo)電薄膜，應(yīng)用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池等 電子工業(yè)領(lǐng)域；電子工業(yè)領(lǐng)域； 還可應(yīng)用于海水淡化、可降解還可應(yīng)用于海水淡化、可降解塑料塑料、散熱膜、防腐涂、散熱膜、防腐涂 層、生物材料、復(fù)合材料、平板電腦、手表日歷、移動電層、生物材料、復(fù)合材料、平板電腦、手表日歷、移動電 話、光電探測器、石墨烯紙、石墨烯布以及航天軍工、超話、光電探測器、石墨烯紙、石墨烯布以及航天軍工、超 輕防彈衣、超薄超輕飛機(jī)、超薄折疊手機(jī)、甚至有想象力輕防彈衣、超薄超輕飛機(jī)、超薄折疊手機(jī)、甚至有想象力 的天空電梯等。的天空電梯等。 自自2014年年12月初西方媒體報道西班牙