石墨、滑石、云母

2023/2/6石墨、滑石、云母

張嘉懿中南大學(xué)中南大學(xué)2023/2/6組成結(jié)構(gòu)性能應(yīng)用

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)。每一網(wǎng)層間的距離為3.40?，同一網(wǎng)層中碳原子的間距為1．42?。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。石墨中南大學(xué)石墨存在兩種晶體結(jié)構(gòu)：六方形結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)，六方形結(jié)構(gòu)為ABABAB…堆積模型、菱形結(jié)構(gòu)為ABCABCABC…堆積模型，如下圖所示：（a）為六方形結(jié)構(gòu)，（b）為菱形結(jié)構(gòu)。（b）菱形結(jié)構(gòu)。（a）六方形結(jié)構(gòu)中南大學(xué)

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(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，這里C-C鍵的鍵長皆為142pm，這正好屬于原子晶體的鍵長范圍，因此對于同一層來說，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(dāng)于金屬中的自由電子，所以石墨能導(dǎo)熱和導(dǎo)電，這正是金屬晶體特征。因此也歸類于金屬晶體。石墨晶體中層與層之間相隔340pm，距離較大，是以范德華力結(jié)合起來的，即層與層之間屬于分子晶體。但是，由于同一平面層上的碳原子間結(jié)合很強，極難破壞，所以石墨的溶點也很高，化學(xué)性質(zhì)也穩(wěn)定。鑒于它的特殊的成鍵方式，不能單一的認(rèn)為是單晶體或者是多晶體，現(xiàn)在普遍認(rèn)為石墨是一種混合晶體。中南大學(xué)石墨之間為層狀結(jié)構(gòu)，各層之間是范德華力結(jié)合，容易滑動，有很好的潤滑性，所以石墨很軟。在石墨中各層均為平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，碳原子之間存在很強的共價鍵，C-C鍵長短，鍵的強度大。石墨能夠?qū)щ娛且驗槭忻總€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。3241性能質(zhì)軟高熔點導(dǎo)電性化學(xué)穩(wěn)定性中南大學(xué)電池原料①耐高溫由于碳原子在石墨結(jié)晶格子的原子層中排列緊密，熱振動困難，因而石墨能耐高溫并具特殊的熱性能。石墨的熔點為3850℃，沸點為4250℃，吸熱量6.9036×107J/kg，經(jīng)高溫電弧灼燒重量損失極小，在2500℃時其強度比常溫時提高1倍，熱膨脹系數(shù)小(1.2×10-6)，溫度驟變時其體積變化不大。②導(dǎo)電、導(dǎo)熱性由于石墨晶體中存在容易流動的電子，因此其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能不亞于金屬。但隨溫度升高，導(dǎo)熱系數(shù)反而減少，在極高溫度下趨于不導(dǎo)熱狀態(tài)。石墨的化學(xué)穩(wěn)定性好，不受酸、堿及有機(jī)溶劑的侵蝕。③潤滑性石墨的潤滑性能類似于二硫化鉬和四氟化烯，摩擦系數(shù)在潤滑介質(zhì)中小于0.1，尤以鱗片狀石墨的潤滑性更好。此外，石墨還具涂敷性和可塑性，將其涂敷在固體物體表面，可形成薄膜牢固粘附而起保護(hù)固體作用，并可制成任何復(fù)雜形狀的制品。中南大學(xué)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，它們運轉(zhuǎn)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。中南大學(xué)滑石Mg3[Si4O10]（OH）2

滑石屬單斜晶系，空間群C2/c，晶胞參數(shù)a=0.525nm，b=0.910nm，c=1.881nm，=100o；結(jié)構(gòu)屬于復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，如圖所示。（a）所示OH－位于六節(jié)環(huán)中心，Mg2+位于Si4+與OH－形成的三角形的中心，但高度不同。（b）所示，兩個硅氧層的活性氧指向相反，中間通過鎂氫氧層連接，形成復(fù)網(wǎng)層。復(fù)網(wǎng)層平行排列即形成滑石結(jié)構(gòu)。水鎂石層中Mg2+的配位數(shù)為6，形成[MgO4（OH）2]八面體。其中全部八面體空隙被Mg2+所填充，因此，滑石結(jié)構(gòu)屬于三八面體型結(jié)構(gòu)。中南大學(xué)（a）（001）面上的投影OH－位于六節(jié)環(huán)中心，Mg2+位于Si4+與OH-形成的三角形中心，但高度不同（b）圖（a）結(jié)構(gòu)的縱剖面圖兩個硅氧層的活性氧指向相反，中間通過鎂氫氧層連接，形成復(fù)網(wǎng)層復(fù)網(wǎng)層平行排列形成滑石結(jié)構(gòu)水鎂石層中Mg2+配位數(shù)為6，形成[MgO4（OH）2]八面體。其中全部八面體空隙被Mg2+所填充，屬三八面體型結(jié)構(gòu)中南大學(xué)Mg3[Si4O10]（OH）2中南大學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系：復(fù)網(wǎng)層中每個活性氧同時與3個Mg2+相連接，從Mg2+處獲得的靜電鍵強度為3×2/6=1，從Si4+處也獲得1價，故活性氧的電價飽和。同理，OH－中的氧的電價也是飽和的，所以，復(fù)網(wǎng)層內(nèi)是電中性的。這樣，層與層之間只能依靠較弱的分子間力來結(jié)合，致使層間易相對滑動，所有滑石晶體具有良好的片狀解理特性，并具有滑膩感。

中南大學(xué)離子取代現(xiàn)象：用2個Al3+取代滑石中的3個Mg2+，則形成二八面體型結(jié)構(gòu)（Al3+占據(jù)2/3的八面體空隙）的葉蠟石Al2[Si4O10]（OH）2結(jié)構(gòu)。同樣，葉蠟石也具有良好的片狀解理和滑膩感。晶體加熱時結(jié)構(gòu)的變化：滑石和葉蠟石中都含有OH－，加熱時會產(chǎn)生脫水效應(yīng)?；撍笞兂尚鳖B火輝石-Mg2[Si2O6]，葉蠟石脫水后變成莫來石3Al2O3·2SiO2。它們都是玻璃和陶瓷工業(yè)的重要原料，滑石可以用于生成絕緣、介電性能良好的滑石瓷和堇青石瓷，葉蠟石常用作硼硅質(zhì)玻璃中引入Al2O3的原料。中南大學(xué)

1.穩(wěn)定性2.低硬度3.層狀結(jié)構(gòu)4.親油疏水5.電絕緣性6.耐熱性化學(xué)性質(zhì)不活潑。不溶于弱酸、弱堿和水。絕熱、絕緣。莫氏硬度為1，是世界上最軟的礦物。潤滑性很好。微觀呈片狀，在機(jī)械力作用下薄片間很容易剝離開，成為單片。每片薄片由兩個上下平行面和不定形邊緣表面組成。平行表面為疏水親油面層，邊緣側(cè)面呈疏油親水性。滑石溶于多種有機(jī)溶劑，但不溶于水?；旧聿粚?dǎo)電，而以滑石為原料制成的特種陶瓷，更具有高度的電絕緣性能?；饶蜔嵊植粚?dǎo)熱，耐火度可高達(dá)1490--1510℃。煅燒后的滑石，硬度和機(jī)械強度顯著增高，而收縮率很低，經(jīng)1350℃煅燒后僅收縮4.5%。膨脹率也很小。中南大學(xué)中南大學(xué)白云母KAl2[AlSi3O10]（OH）2屬單斜晶系，空間群C2/c；晶胞參數(shù)a=0.519nm，b=0.900nm，c=2.004nm，=95o11，；Z=2。其結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中重疊的O2-已稍行移開。白云母屬于復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，復(fù)網(wǎng)層由兩個硅氧層及其中間的水鋁石層所構(gòu)成。連接兩個硅氧層的水鋁石層中的Al3+之配位數(shù)為6，形成[AlO4（OH）2]八面體。由圖可以看出，兩相鄰復(fù)網(wǎng)層之間呈現(xiàn)對稱狀態(tài)，因此相鄰兩硅氧六節(jié)環(huán)處形成一個巨大的空隙。中南大學(xué)（左）（100）面上的投影（右）（010）面上的投影中南大學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系：白云母結(jié)構(gòu)與蒙脫石相似，但因其硅氧層中有1/4的Si4+被Al3+取代，復(fù)網(wǎng)層不呈電中性，所以，層間有K+進(jìn)入以平衡其負(fù)電荷。K+的配位數(shù)為12，呈統(tǒng)計地分布于復(fù)網(wǎng)層的六節(jié)環(huán)的空隙間，與硅氧層的結(jié)合力較層內(nèi)化學(xué)鍵弱得多，故云母易沿層間發(fā)生解理，可剝離成片狀。中南大學(xué)結(jié)構(gòu)中的離子取代：1)2個Al3+被3個Mg2+取代，形成金云母KMg3[AlSi3O10](OH)2；用F－取代OH－，得到人工合成的氟金云母KMg3[AlSi3O10]F2，作絕緣材料使用時耐高溫達(dá)1000℃，而天然的僅600℃。2)用(Mg2+,

Fe2+)代替Al3+，形成黑云母K(Mg，F(xiàn)e

)3[AlSi3O10](OH

)2；3)用(Li+，F(xiàn)e2+)

取代1個Al3+，得鋰鐵云母KLiFe2+Al[AlSi3O10](OH

)2；4)若2個Li+取代1個Al3+，同時[AlSi3O10]中的Al3+被Si4+取代，則形成鋰云母Kli2Al[Si4O10](OH)2。5)如果K+被Na+取代，形成鈉云母；若K+被Ca2+取代，同時硅氧層內(nèi)有1/2的Si4+被Al3+取代，則成為珍珠云母CaAl2[Al2Si2O10](OH)2，由于Ca2+連接復(fù)網(wǎng)層較K+牢固，因而珍珠云母的解理性