石墨的顏色、形狀、光澤、透明度、硬度

【專家解說】：石墨　　 以下由：邢臺鑫淵石墨提供 　　英文名稱：graphite 　　分子式：C 　　分子量：12.01 　　CAS 登錄號：7782-42-5 　　EINECS 登錄號：231-955-3 　　碳是一種非金屬元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁語為Carbonium，意為“煤，木炭”。漢字“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁構(gòu)成，從“炭”字音。 　　碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。碳單質(zhì)很早就被人認識和利用，碳的一系列化合物——有機物更是生命的根本。碳是生鐵、熟鐵和鋼的成分之一。 碳能在化學(xué)上自我結(jié)合而形成大量化合物，在生物上和商業(yè)上是重要的分子。生物體內(nèi)大多數(shù)分子都含有碳元素。 　　碳化合物一般從化石燃料中獲得，然后再分離并進一步合成出各種生產(chǎn)生活所需的產(chǎn)品，如乙烯、塑料等。 　　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；有無定形碳如煤；有復(fù)雜的有機化合物如動植物等；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、熔點等。 　　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、稀堿和有機溶劑；不同高溫下與氧反應(yīng)，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。 　　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人，同一網(wǎng)層中碳原子的間距為1．42A。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。 　　石墨與金剛石、碳60、碳納米管等都是碳元素的單質(zhì),它們互為同素異形體.　 　　山東省萊西市為我國石墨重要產(chǎn)地之一,石墨探明儲量687.11萬噸，現(xiàn)保有儲量639.93萬噸. 　　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，其熔點在3000℃以上，是最耐溫的礦物之一。 　　自然界中純凈的石墨是沒有的，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。 　　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)晶形態(tài)不同，將天然石墨分為三類。 　　1．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，比表面積范圍集中在0.1-1m2/g，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80～98％，但其可塑性和滑膩性不如鱗片石墨好. 　　2．鱗片石墨 鱗片石墨 　　石墨晶體呈鱗片狀；這是在高強度的壓力下變質(zhì)而成的，有大鱗片和細鱗片之分。此類石墨礦石的特點是品位不高，一般在2～3％，或100～25％之間。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。 　　3．隱晶質(zhì)石墨 隱晶質(zhì)石墨 　　隱品質(zhì)石墨又稱非晶質(zhì)石墨或土狀石墨，這種石墨的晶體直徑一般小于1微米，比表面積范圍集中在1-5m2/g，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90％以上。礦石可選性較差。 　　石墨在工業(yè)上運用極廣，幾乎每個行業(yè)都會用到。工業(yè)上多用的是人造石墨，也就是特種石墨。按其成型的方式可分為以下幾種。 　　1、等靜壓石墨。也就是很多人叫的三高石墨，但是并不是三高就是等靜壓。 　　2、模壓石墨 　　3、擠壓石墨，多為電極材料。 　　其中按石墨的顆粒度分，也可分為：細節(jié)構(gòu)石墨、中粗石墨（一般的顆粒度在0.8mm左右）、還有就是電極石墨（2-4mm）。 　　石墨由于其特殊結(jié)構(gòu)，而具有如下特殊性質(zhì)： 　　1） 耐高溫型：石墨的熔點為3850±50℃，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。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時，石墨強度提高一倍。 　　2） 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。 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. 　　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、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕。 　　5） 可塑性：石墨的韌性好，可碾成很薄的薄片。 　　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。 　　名字來源：源于希臘文“graphein”，意為“用來寫”。由德國化學(xué)家和礦物學(xué)家A. G. Werner 于1789命名； 　　化學(xué)組成：成分純凈者極少，往往含各種雜質(zhì)； 　　類別：自然元素-非金屬元素-碳族 　　晶體特征 　　晶系和空間群：六方晶系，P63/mmm； 　　晶胞參數(shù):a0=0.246nm，c0=0.670nm； 　　典型的層狀結(jié)構(gòu)，碳原子成層排列，每個碳與相鄰的碳之間等距相連，每一層中的碳按六方環(huán)狀排列，上下相鄰層的碳六方環(huán)通過平行網(wǎng)面方向相互位移后再疊置形成層狀結(jié)構(gòu)，位移的方位和距離不同就導(dǎo)致不同的多型結(jié)構(gòu)。上下兩層的碳原子之間距離比同一層內(nèi)的碳之間的距離大得多（層內(nèi)C-C間距=0.142nm，層間C-C間距=0.340nm） 　　形態(tài)：單晶體常呈片狀或板狀，但完整的很少見。集合體通常為鱗片狀，塊狀和土狀； 　　顏色：鐵黑色； 　　條痕：光亮黑色 　　透明度：不透明 　　光澤：呈半金屬光澤 　　硬度：1-2 　　解理和斷口：平行解理極完全； 　　比重：2.21-2.26g/cm3 　　比表面積：5-10m2/g 　　其他性質(zhì)：薄片具撓性，有滑感，易污手，具有良好的導(dǎo)電性； 　　鑒定特征鐵黑色，硬度低，一組極完全解理，有滑感和染手；如果將硫酸銅溶液潤濕的鋅粒放在石墨上，則可析出金屬銅的斑點，在與石墨相似的輝鉬礦上則無此反應(yīng)。 　　成因和產(chǎn)狀：石墨是在高溫下形成。分布最廣是石墨的變質(zhì)礦床，系由富含有機質(zhì)或碳質(zhì)的沉積巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用而成； 　　主要用途：石墨在工業(yè)上用途很廣，用于制作冶煉上的高溫坩堝、機械工業(yè)的潤滑劑、制作電極和鉛筆芯；廣泛用于冶金工業(yè)的高級耐火材料與涂料、軍事工業(yè)火工材料安定劑、輕工業(yè)的鉛筆芯、電氣工業(yè)的碳刷、電池工業(yè)的電極、化肥工業(yè)催化劑等。鱗片石墨經(jīng)過深加工，又可生產(chǎn)出石墨乳、石墨密封材料與復(fù)合材料、石墨制品、石墨減磨添加劑等高新技術(shù)產(chǎn)品，成為各個工業(yè)部門的重要非金屬礦物原料 　　石墨新用途： 　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對石墨也開發(fā)了許多新用途。 　　柔性石墨制品。柔性石墨又稱膨脹石墨，是年代開發(fā)的一種新的石墨制品。 　　年美國研究成功柔性石墨密封材料，解決了原子能閥門泄漏問題，隨后德、日、法也 　　開始研制生產(chǎn)。這種產(chǎn)品除具有天然石墨所具有的特性外，還具有特殊的柔性和彈性。 　　因此，是一種理想的密封材料。廣泛用于石油化工、原子能等工業(yè)領(lǐng)域。國際市場需求 　　量逐年增長。 　　著名產(chǎn)地：紐約Ticonderoga，馬達加斯加和Ceylon，我國以黑龍江雞西市柳毛為最大的產(chǎn)地。 　　石墨粉里“飛”出金剛石 　　提起鉆石，人們就會聯(lián)想到光彩奪目、閃爍耀眼的情景，它隨著擁有者的活動而光芒四射。但因它的昂貴價格，大多數(shù)人只能望而卻步。盡管如此，人們對鉆石還是很向往的。你知道鉆石是什么嗎？它的化學(xué)成分是碳(C)，天然的鉆石是由金剛石經(jīng)過琢磨后才能稱之謂“鉆石”。天然的鉆石是非常稀少的，世界上重量大于1000克拉(１克=５克拉)的鉆石只有２粒，400克拉以上的鉆石只有多粒，我國迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的金剛石重158.786克拉，這就是“常林鉆石”。物以稀為貴，正因為可做“鉆石“用的天然金剛石很罕見，人們就想“人造“金剛石來代替它，這就自然地想到了金剛石的“孿生“兄弟--石墨了。 　　金剛石和石墨的化學(xué)成分都是碳(C)，稱“同素異形體”。從這種稱呼可以知道它們具有相同的“質(zhì)”，但“形”或“性”卻不同，且有天壤之別，金剛石是目前最硬的物質(zhì)，而石墨卻是最軟的物質(zhì)之一。 　　石墨和金剛石的硬度差別如此之大，但人們還是希望能用人工合成方法來獲取金剛石，因為自然界中石墨(碳)藏量是很豐富的。但是要使石墨中的碳變成金剛石那樣排列的碳，不是那么容易的。石墨在5-6萬大氣壓（（5-6）×103MPa）及攝氏1000至2000度高溫下，再用金屬鐵、鈷、鎳等做催化劑，可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。 　　目前世界上已有十幾個國家（包括我國）均合成出了金剛石。但這種金剛石因為顆粒很細，主要用途是做磨料，用于切削和地質(zhì)、石油的鉆井用的鉆頭。當(dāng)前，世界金剛石的消費中，80%的人造金剛石主要是用于工業(yè)，它的產(chǎn)量也遠遠超過天然金剛石的產(chǎn)量。 　　最初合成的金剛石顆粒呈黑色，0.5mm大小，重約0.1克拉（用于寶石的金剛石一般最小不能小于0.1克拉）。現(xiàn)在我國研制的大顆粒金剛石達3mm以上，美國、日本等已制成6.1克拉多的金剛石。我們說金剛石已從石墨中“飛”出，寶石級的人造金剛石也會在不久的將來供應(yīng)于市場。 　　石墨何以能取代銅？ 　　20世紀60年代，銅作為電極材料被廣泛應(yīng)用，使用率約占90％，石墨僅有10％左右；21世紀，越來越多的用戶開始選擇石墨作為電極材料，在歐洲，超過90％以上的電極材料是石墨。銅，這種曾經(jīng)占統(tǒng)治地位的電極材料，和石墨電極相比它的優(yōu)勢幾乎消失殆盡。是什么導(dǎo)致了這個戲劇性的變化？當(dāng)然是石墨電極的諸多優(yōu)勢。 　?。?）加工速度更快：通常情況下，石墨的機械加工速度能比銅快2~5倍；而放電加工速度比銅快2~3倍； 　　材料更不容易變形：在薄筋電極的加工上優(yōu)勢明顯；銅的軟化點在1000度左右，容易因受熱而產(chǎn)生變形；石墨的升華溫度為3650度；熱膨脹系數(shù)僅有銅的1/30。 　?。?）重量更輕：石墨的密度只有銅的1/5，大型電極進行放電加工時，能有效降低機床（EDM）的負擔(dān)；更適合于在大型模具上的應(yīng)用。 　?。?）放電消耗更小；由于火花油中也含有C原子，在放電加工時，高溫導(dǎo)致火花油中的C原子被分解出來，轉(zhuǎn)而在石墨電極的表面形成保護膜，補償了石墨電極的損耗。 　?。?）沒有毛刺；銅電極在加工完成后，還需手工進行修整以去除毛刺，而石墨加工后沒有毛刺，節(jié)約了大量成本，同時更容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)； 　　（5）石墨更容易研磨和拋光；由于石墨的切削阻力只有銅的1/5，更容易進行手工的研磨和拋光； 　　（6）材料成本更低，價格更穩(wěn)定；由于近幾年銅價上漲，如今各向同性石墨的價格比銅更低，相同體積下，東洋炭素的普遍性石墨產(chǎn)品的價格比銅的價格低30％～60％，并且價格更穩(wěn)定，短期價格波動非常小。 　　正是這種無可比擬的優(yōu)勢，石墨逐漸取代銅成為EDM電極的首選材料