石墨(graphite)是一種結(jié)晶形碳,六方晶系,為鐵墨色至深灰色?;瘜W(xué)性質(zhì)不活潑、耐腐蝕、與酸、堿等不易反應(yīng)。在空氣或氧氣中加強(qiáng)熱,可燃燒并生成二氧化碳,強(qiáng)氧化劑會(huì)將它氧化成有機(jī)酸。用作抗摩劑和潤(rùn)滑材料,制作坩堝、 電極、干電池、鉛筆芯。高純度石墨可在核反應(yīng)堆上作中子減速劑。常被稱為炭精或黑鉛。因?yàn)橐郧氨徽`認(rèn)為是鉛。
存在形式
碳的存在形式是多種多樣的,有晶態(tài)單質(zhì)碳如金剛石、石墨;有無(wú)定形碳如煤;有復(fù)雜的有機(jī)化合物如動(dòng)植物等;碳酸鹽如大理石等。單質(zhì)碳的物理和化學(xué)性質(zhì)取決于它的晶體結(jié)構(gòu)。高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨晶體結(jié)構(gòu)不同,各有各的外觀、密度、熔點(diǎn)等。
性質(zhì)特征
常溫下單質(zhì)碳的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定,不溶于水、稀酸、稀堿和有機(jī)溶劑;高溫下與氧反應(yīng)燃燒,生成二氧化碳或一氧化碳;在鹵素中只有氟能與單質(zhì)碳直接反應(yīng);在加熱下,單質(zhì)碳較易被酸氧化;在高溫下,碳還能與許多金屬反應(yīng),生成金屬碳化物。碳具有還原性,在高溫下可以冶煉金屬。此外,近年的研究發(fā)現(xiàn),石墨可以被氯磺酸溶解,形成單層石墨烯的氯磺酸“溶液”。
理化性能
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(méi)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(cè)定固定碳含量外,還必須同時(shí)測(cè)定揮發(fā)分和灰分的含量。
主要分布
石墨是在高溫下形成,分布最廣是石墨的變質(zhì)礦床,系由富含有機(jī)質(zhì)或碳質(zhì)的沉積巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用而成。
中國(guó)
山東省萊西市為我國(guó)石墨重要產(chǎn)地之一,石墨探明儲(chǔ)量687.11萬(wàn)噸,現(xiàn)保有儲(chǔ)量639.93萬(wàn)噸。另外吉林省磐石市也是石墨產(chǎn)地之一,石墨儲(chǔ)量500萬(wàn)噸。
世界著名產(chǎn)地
紐約、馬達(dá)加斯加和Ceylon,我國(guó)以黑龍江雞西市柳毛為最大的產(chǎn)地。
主要類型
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)晶狀石墨又叫塊狀石墨。此類石墨結(jié)晶明顯晶體肉眼可見(jiàn)。顆粒直徑大于0.1毫米,比表面積范圍集中在0.1~1m/g,晶體排列雜亂無(wú)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。
石墨晶體呈鱗片狀是在高強(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(guò)多磨多選可得高品位石墨精礦。這類石墨的可浮性、潤(rùn)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1~5m/g,是微晶石墨的集合體,只有在電子顯微鏡下才能見(jiàn)到晶形。此類石墨的特點(diǎn)是表面呈土狀,缺乏光澤,潤(rùn)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)藏在湖南郴州魯塘,隨這石墨提純技術(shù)的提高,土狀石墨應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
主要用途
由于石墨具有耐高溫性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可塑性能理化特性,再押金、機(jī)械、石油、化工、電力、電子、和工業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,其主要用途如下:
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(lái)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。
導(dǎo)電材料
在電氣工業(yè)上用作制造電極、電刷、碳棒、碳管、石墨墊圈、電話零件,電視機(jī)顯像管的涂層等。
耐磨潤(rùn)滑材料
石墨在機(jī)械工業(yè)中常作為潤(rùn)滑劑。潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油。石墨乳也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時(shí)的良好的潤(rùn)滑劑。
用于原子能工業(yè)和國(guó)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(guò)幾十個(gè)PPM。特別是其中硼含量應(yīng)少于0.5PPM。在國(guó)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。
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(guó)已用它做為汽車(chē)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(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的作用。
選別方法
由于天然石墨可浮性較好,優(yōu)先選擇浮選方法選別石墨,但采用浮選法選別的石墨純度有限,高純石墨需采用化學(xué)提純方法。
利用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或其他化合物處理浮選石墨精礦,以使其中的雜質(zhì)溶解,然后洗滌、除去雜質(zhì)。
除了高純度微晶石墨產(chǎn)品采用化學(xué)提純方法外,一般是將開(kāi)采出來(lái)的石墨礦揀選后直接粉碎加工。
石墨粉碎過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑雜質(zhì)經(jīng)磁選法去除。