石墨、石墨棒、石墨制品、石墨粉
來源：石墨棒、潤滑石墨棒、導電石墨棒、捷誠石墨制品公司 點擊量：19 日期：2011-08-31
石墨　
地球上沒有任何元素能象碳那樣。由單一元素組成，形成外觀多變，性能各異，應用廣泛的制品。它之所以能夠如此，與其原子鍵合方式、分子結構類型及其集合形態的多樣性密切相關。碳元素基態電子層結構為1S22S22P2。根據原子結構理論，碳原子的外層電子可通過sp3·sp2·sp三種雜化方式形成δ鍵和π鍵。當碳原子外層電子以sp3雜化時，就構成了具有立體結構的金剛石；當以sp2雜化時，就構成了平面結構的石墨，當以sp雜比時，就生成線狀結構的炭——卡賓。1985年科學家們又發現了一種籠形結構的碳，即由60個碳原子組成的高質量數碳族分子——固體CB60，即足球烯。
石墨晶體具有六角平面網狀結構，可分為天然石墨和人造石墨兩種。前者多呈鱗狀，由石墨礦中提選出來。六角平面內三個sp2雜化軌道互成120°角排列。與相鄰碳原子生成共價鍵。剩余的一個2P電子在垂直于六角平面的方向上排列，網面上下方的π電子相互重合，形成范德華鍵。石墨晶體的層間疊合方式通常為ABAB型或ABCABC型。如圖1所示。天然石墨多為第一種方式；人造石墨多為第二種方式。單晶石墨的理想晶體結構有六方晶系和三方（菱面體）晶系兩種。對于六方晶系的晶胞，其晶格常數a0=2.461埃、C0=6.708埃。晶胞內有4個碳原子，由此可計算出理想石墨的密度為2.266。人們從結晶程度非常高的天然鱗片石墨中可篩選出單晶石墨，但尺寸很小。
石墨的性能　 石墨的獨特構造使其具有特殊的性能，應用十分廣泛，在工業上主要應用以下幾種性能：
（1）潤滑性。由于石墨材料層間結合力很小，當其與金屬摩擦時，在金屬表面極易形成石墨薄膜，可以起到減摩作用。對于表面拋光的鋼，高強石墨在常溫、大氣中的動摩擦系數約為0.35。因此，石墨常被作為潤滑劑、制造石墨軸承、模鍛石墨乳等。
（2）熱膨脹性小。一般在20℃～200℃之間，擠壓成型的石墨制品，沿擠壓方向的熱膨脹系數為（1～2）×10-6/℃，垂直于擠壓方向為（2～3）×10-6/℃。膨脹石墨板的熱膨脹系數較大，如沿面方向為5×10-6/℃，沿厚度方向為100×10-6/℃。石墨制品具有較高的抗熱震性，如電爐煉鋼用的石墨電極要承受急冷、急熱作用，等等。
（3）良好的導熱、導電性。一般沿晶體層面方向的傳導性比垂直于層面方向的大得多。但石墨的導熱率和電阻均受溫度影響，如電阻系數在700 K～900K以下為負值，900K以上為正值，導熱率在某一溫度達到最大值，其余均會下降。正由于其各向異性的良導熱、導電性，才使石墨大量用作耐火材料、隔熱材料和石墨電極。
（4）廣泛溫區內的可使用性。石墨的熔點為38.50℃，沸點達4250℃，因此它在空氣中可用到-200~450℃，在真空或還原性氣氛中可用到-200～3000℃。石墨的強度和硬度隨溫度的升高不是降低而是升高。石墨在室溫下基本屬于脆性材料，在1700℃以上開始產生蠕變，且蠕變量很小，因此在現代科技和工業中，它常被用在極高溫條件下。
（5）化學性能穩定且無毒性。石墨對人體無毒。它在400℃時開始發生氧化，700℃以上可與水蒸汽反應。900℃以上可與CO2反應，1000℃以上才與氫反應。除王水、鉻酸、濃硫酸及硝酸外，可抵抗各種酸、堿和有機溶劑的侵蝕。在高溫下，石墨可與許多金屬或非金屬或它們的氧化物發生反應。由于石墨的耐輻照性和熱中子截面小，使它成為核反應堆中唯一可供選擇的慢化材料。 
（6）其他特性。石墨具有可涂敷性、質輕、可塑性大、易加工成形等特點，它還是一種重要碳源，可提供各種材料中所需的純度較高的碳。
天然石墨　 天然石墨一般都似石墨片巖、石墨片麻巖、含石墨的片巖及變質頁巖等礦石出現。天然石墨依其結晶形態可分成晶質石墨和隱晶質石墨。晶質石墨的晶體直徑大于1μm，按其結晶形態，它還可分為致密塊狀石墨和鱗片狀石墨。致密塊狀石墨礦床很少。鱗片石墨是國內外工業利用的主要石墨類型，外觀呈黑色或銀灰色，具有明顯定向晶體結構，鱗片石墨原礦品位一般為3～13.5%，個別富礦可達20%。隱晶質石墨晶體直徑小于1μm，形狀呈不定形花瓣狀或疊層片狀，分為分散性土狀石墨（粉）和致密塊體土狀石墨。前者礦石品位低，一般只含2～3%；后者礦體呈層狀或透鏡狀，夾在變質巖中，品位達60~80%，最高可達95%，但可選性差，一般經挑選后粉碎即為成品，使用價值不如鱗片石墨。
天然石墨經過選礦后成為中碳石墨（含80~93%碳），但在許多應用中需要提純為含碳在91~99%的高碳石墨。由于天然鱗片石墨中的雜質主要為石英、長石、高嶺土、云母、黃鐵礦、方解石以及其他氧化物，所以常用化學方法提純。天然石墨的價值及其純度與粒度關系最大。純度常用含碳量或灰分表示，一般含碳量越高，灰分越少，則價格越高。粒度常用英制（目）或公制(mm)來表示產品的平均粒徑。對于正目數來說，粒徑越大價格越高；對于負目數來說，粒徑越小越值錢。所以石墨產品最后都要用標準篩篩分后才能包裝，商品中一般要求正目數的篩上物高于80%，負目數的篩下物高于75%。在一些特殊用途中，對石墨結晶構造、灰分中微量元素含量、雜質粒徑等有嚴格要求，如含硫、氯和鐵量。硫和氯在使用中對接觸金屬有強腐蝕性，鐵影響石墨制品的高溫抗氧化性。在核石墨中還對中子吸收截面大的雜質元素要求降到最少，如硼。
世界石墨資源非常豐富，目前已探明總儲量為16600萬噸，其中晶質石墨占61%。石墨礦主要分布在亞洲、歐洲、非洲和美洲。中國石墨總儲量為13600萬噸，其中晶質鱗片石墨為12000萬噸。最近我國又發現了幾個石墨礦，有石墨礦的省份占1/3以上，資源豐富的省有山東、黑龍江、內蒙古和湖南等。我國石墨儲量、原料產量及出口量均居世界首位，且晶質鱗片石墨大片率高、雜質少。南朝鮮是世界第二大石墨生產國，大部分為土狀石墨。原蘇聯是第三石墨生產國，主要為晶質石墨。日本是最大的石墨進口國和消費國，美國、德國、英國的消耗量也很大。
人造石墨　 用X射線衍射法證實，炭素與石墨在晶體結構上并非有明確分界線，只是前者晶體結構不發達、結晶程度較低。許多炭材料通過進一步熱處理，完全可以轉化為石墨，使其晶體結構趨于完善，這就是炭素工業石墨化過程，也是人造石墨的最關鍵一環。
多晶碳的結構特征是由六角原子環構成的平面狀微晶松散堆積，其晶界是由位錯為主的過渡格子層。碳的石墨化是使晶界和其他晶格缺陷因熱激發而移動消失，或者說使六角網格平面亂層結構過渡到三維有序排列的石墨結構。要完成石墨化，主要條件是加熱升溫，至少需加熱到2000℃以上，有的要到2800℃以上。
在現代工業中應用最多的人造石墨為石墨電極和石墨纖維。煉鋼用石墨電極或電解用石墨陽極的制造過程為，將炭原料（如石油焦、瀝青焦、無煙煤、冶金焦、炭黑等）經過煅燒、破碎與篩分、與粘接劑（主要用煤瀝青）混捏后，再經壓型和焙燒、高溫石墨化，最后加工成所需規格尺寸。石墨纖維是將碳纖維經過高溫石墨化處理后制成。石墨化纖維具有高模量、導電率高特點，可以制成石墨布或氈，根據需要可進行浸漬處理。
石墨層間化合物　 由于石墨原子層間以較小的分子間力結合，所以可用人工方法使異類分子、原子或離子進入石墨原子層間而生成一種原子級復合材料，叫石墨層間化合物（簡稱GIC）。當反應物質進入石墨層間后，反應物和石墨層面存在著電子的接受過程，即離子化過程。GIC可分為：施主型，即插入物提供電子給石墨原子，本身成為正離子，如堿金屬——GIC；受主型，即插入物從石墨層獲得電子，本身成為負離子而進入層間，如氯化物——GIC：共價鍵結合型，即插入物和石墨層面沒有電子接受，形成共價鍵結合，如氟化石墨和石墨酸。GIC可以生成范圍非常廣泛的階結構不同的化合物，當反應物質均勻地進入所有的石墨層間時，稱1階GIC；當反應物每隔2層石墨插入時，稱為2階……；現已合成了10~15階的GIC。不同結構的GIC，物理性能差異較大，故可以通過控制其合成條件來改變其結構與性能。
GIC除保持石墨性能外，還具有新的理化特性：高導電特性和超導特性；電池特性，用其制造一、二次電池；高效催化特性，可用作聚合反應；增加了功能性空間，如氣體吸收特性：創造出新功能，如制成溫差電池和膨脹石墨。
迄今為止，石墨層間化合物中得到工業化生產和應用的只有氟化石墨和酸化石墨。氟化石墨是氟和石墨的GIC，有兩種，分別用(CF)n和(C2F)n表示。它作為固體潤滑劑，可在任何溫度和條件下使用，摩擦系數比黃油還低。另外，由氟化石墨制作的鋰電池早已投入市場。另一種是H2SO4—GIC，也稱膨脹石墨或酸化石墨。當在高溫迅速加熱時，層間插入物會迅速分解、汽化，從而使石墨膨脹幾十到幾百倍成蠕蟲狀，再將其進行加壓、軋制即可制成膨脹石墨板（紙）材。膨脹石墨作為第二代密封料，有著比傳統密封材料無可比擬的優點：除耐高低溫、抗腐蝕、抗輻照外，還具有較高壓縮率、回彈率、低應力松弛率，密封性好的特性，再加上無石棉化，因而在現代科技和工業中得到了廣泛應用。
廣泛應用　 石墨主要用于生產耐火材料，包括耐火磚、坩堝、連續鑄造粉、鑄模芯、鑄造涂覆劑和最耐高溫材料。全世界約70%的耐火材料消耗在鋼鐵工業上。近20年來鎂碳磚和鋁碳磚開始應用于煉鋼爐內襯及連續鑄造，它們都是石墨制品。石墨坩堝中有30％～50％的含碳量，其中80％～90%粒徑大于0.15mm的為大鱗片石墨。它具有高耐火性、低膨脹性、高溫下抗熱震性和熱傳導性良好等優點，被廣泛用于金屬熔融和冶煉。世界上每年約有10％的天然石墨用于制造潤滑劑，這一般都需使用粒度小于50μm的高碳石墨或高純天然石墨。潤滑劑的種類繁多，有干粉、油劑、乳劑等。微粉石墨乳可應用于電子器件。