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石墨基本知识

作者:ag视讯直营 发布于:2021-02-27 09:52 点击量:

  认识石墨 Understanding of Graphite 目录 01 石墨是什么 02 发展历程 03 石墨的特殊性质 04 石墨的分类 05 提纯方法 06 产地分布 07 主要用途 石墨是什么 01 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 碳元素 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 存在形式 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。 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 形态特性 石墨质软,黑灰色;有油腻感,可污染纸张。硬度为1~2,沿垂直方向随杂质 的增加其硬度可增至3~5。比重为1.9~2.3。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,还必须同时测定挥发分和灰分的含量。 石墨是什么 混合晶体 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 混合晶体 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,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 鉴定特征 ? 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。 发展历程 02 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,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。20062011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。 石墨的特殊性质 03 特殊性质 01 耐高温性 石墨的熔点为3850±50℃,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 02 导电、导热性 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 03 润滑性 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 04 化学稳定性 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 05 可塑性 石墨的韧性好,可碾成很薄的薄片。 特殊性质 06 抗热震性 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。 石墨的分类 04 石墨 分类 天然石墨 石墨 人造石墨 (特种石墨) 晶质石墨 隐晶质石 墨 等静压石 墨 模压石墨 挤压石墨 致密结晶 状石墨 鳞片石墨 1 天然石墨 天然石墨 致密结晶 状石墨 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0.1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60~65%,有时达80~98%,但其可塑性和滑腻性不如鳞片石墨好。 天然石墨 鳞片石墨 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2~ 3%,或10~25%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 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60~85%。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。 2 人造石墨 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 挤压石墨 是人造石墨,也就是特种石墨。 多为电极材料。 按其成型的方式可分为以下几种。 模压石墨 具有良好的导电性能、耐高温、耐腐 蚀、高纯度、自润滑、抗热震、各向 同性、易于精密机加工等优良特点。 等静压石墨 就是很多人叫的三高石 墨,但是并不是三高就 是等静压。 人造石墨 按石墨的颗粒度分,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)。 提纯方法 05 提纯方法 化学 提纯 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 化学 提纯 上述工艺流程中,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85—90%,投资15—20万 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 化学 提纯 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%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 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。 产地分布 06 产地分布 国内 初步统计,全国25个省、 市、自治区有近100个矿 点。 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。 产地分布 国内 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《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 世界 著名产地:纽约 Ticonderoga( 泰孔德罗加), 马达加斯加和斯里兰卡。 主要用途 07 主要用途 作耐火材料 石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质,在冶金工业中主要用来制造石 墨坩埚,在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂,冶金炉的内衬。 一 作导电材料 在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极,石 墨垫圈、电话零件,电视机显像管的涂层等。 二 作耐磨润滑材料 石墨在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用, 而石墨耐磨材料可以在200~2000 ℃温度中在很高的滑动速度下,不用润滑油工作。 许多输送腐蚀介质的设备,广泛采用石墨材料制成活塞杯,密封圈和轴承,它们运转 时勿需加入润滑油。石墨乳也是许多金属加工(拔丝、拉管)时的良好的润滑剂。 三 主要用途 作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料 生产硬质合金等粉末冶金工艺,通常用石墨材料制成压模和烧结用的瓷舟。单晶硅的 晶体生长坩埚,区域精炼容器,支架夹具,感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的。 此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座,高温电阻炉炉管,棒、板、格棚等元 件。 四 用于原子能工业和国防工业 石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中,铀一石墨反应堆是应用较多的一种原 子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点,稳定,耐腐蚀 的性能,石墨完全可以满足上述要求。另外在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭 的喷嘴,导弹的鼻锥,宇宙航行设备的零件,隔热材料和防射线材料。 五 作铅笔芯、颜料、抛光剂 石墨经过特殊加工以后,可以制作各种特殊材料用于有关工业部门。 六 主要用途 石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨,具有耐腐蚀、导热性好,渗透率 低等特点,就大量用于制作热交换器,反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、 加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、 造纸等工业部门,可节省大量的金属材料。 七 石墨还能防止锅炉结垢,有关单位试验表明,在水中加入一定量的石墨粉 (每吨水大约用4~5 克)能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂在金属烟囱、屋 顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。 八 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2~5倍;而放电加工 速度比铜快2~3倍 材料更不容易变形: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 新用途 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 轻工业应用 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。 THANKS @xiqiwei

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