資源型礦物簡介、石墨

石墨東北大學(xué)礦物材料與粉體技術(shù)研究中心

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)，在每一層內(nèi)，每個(gè)碳原子都與其他3個(gè)碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合，形成平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同一網(wǎng)層中碳原子的間距為1.42A。；層與層之間的距離為3.40A，是以分子間作用力相結(jié)合的。由于同一層的碳原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，使石墨的熔點(diǎn)很高。但由于層與層間的分子間作用力較弱，容易滑動(dòng)，使石墨的硬度很小。石墨這樣的晶體一般稱為過渡型晶體或混合型晶體。石墨具完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主，對(duì)分子吸引力較弱，故其天然可浮性很好。

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。密度為1.9～2.3g/cm3。1）耐高溫性：石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃，沸點(diǎn)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(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng)，在2000℃時(shí)，石墨強(qiáng)度提高一倍。

二、石墨的性質(zhì)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。

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(jī)溶劑的腐蝕。

5）可塑性：石墨的韌性好，可年成很薄的薄片。

6）抗熱震性：石墨在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。自然界中純凈的石墨是沒有的，其中往往含有Si02、A1203、Fe0、CaO、P2O5、Cu0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，除測定固定碳含量外，還必須同時(shí)測定揮發(fā)分和灰分的含量。

三、石墨的分類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。

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。晶體排列雜亂無章，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。

2．鱗片石墨

石墨晶體呈鱗片狀；這是在高強(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％。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(jià)值最大。

3．隱晶質(zhì)石墨

隱晶質(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，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(diǎn)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(dá)90％以上。礦石可選性較差。

四、石墨的用途

石墨具有突出的耐高溫和耐低溫的性質(zhì)，膨脹系數(shù)很小，體積穩(wěn)定，因此能抗急冷急熱的變化，石墨的耐高溫性質(zhì)和一般金屬不同當(dāng)溫度升高時(shí)，它不是趨于軟化，而其強(qiáng)度反而增高。

石墨是熱和電的良導(dǎo)體，其傳熱性能和導(dǎo)電性能和大多數(shù)金屬差不多，但又有其特點(diǎn)，一般的金屬當(dāng)溫度升高時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之升高，而石墨的導(dǎo)熱系數(shù)相反，溫度升高時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)反而下降。在極高的溫度下，石墨趨于絕緣狀態(tài)，因此在超高溫條件下，石墨的隔熱性能是很可靠的。

石墨的可塑性和潤滑性早已在工業(yè)上獲得應(yīng)用，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，因此鱗片石墨最滑，潤滑性最好，致密結(jié)晶狀石墨次之，土狀石墨潤滑性較差。

石墨是化學(xué)工業(yè)的超級(jí)材料，它的化學(xué)穩(wěn)定性非常突出，它耐酸、耐堿、耐腐蝕，在化工工業(yè)中具有特殊地位。

石墨還是原子反應(yīng)堆優(yōu)良的減速劑，使石墨的用途進(jìn)入了一個(gè)新的歷史階段，為了制造優(yōu)良的減速劑，石墨的提純工藝得到了進(jìn)一步發(fā)展，因此石墨已成為原子能工業(yè)的重要材料。柔性石墨新型發(fā)熱材料

用純天然鱗片石墨原料加工的柔性石墨是經(jīng)嚴(yán)格的化學(xué)處理和熱處理制成的發(fā)熱材料，具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。經(jīng)測試，電熱轉(zhuǎn)換率達(dá)97%以上，且發(fā)熱表面溫度均勻、穩(wěn)定。在換熱方式一定的條件下，發(fā)熱體表面溫度恒定，在控制溫度范圍內(nèi)可隨意設(shè)定不再升溫。工作狀態(tài)下，具有化學(xué)性能穩(wěn)、耐高溫、壽命長等特點(diǎn)。并能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線。因此，是一種新型的發(fā)熱材料，有著較廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景。微波法制備納米多孔石墨

石墨內(nèi)含層狀結(jié)構(gòu)，在某些外因作用下，一些分子、原子、離子或粒子團(tuán)可被插入石墨層間，形成層間化合物。石墨層間化合物在瞬間高溫作用下，由于內(nèi)含的插層物急劇分解和氣化，并劇烈膨脹達(dá)數(shù)十到數(shù)百倍，形成物被稱為膨脹石墨。膨脹石墨是一種疏松多孔的石墨材料，經(jīng)碾壓等過程可制成不同孔隙的多孔材料，在環(huán)境、化工、能源、消防、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的用途。

采用傳統(tǒng)高溫膨化法制備的膨脹石墨，其孔隙率非常大，孔徑也很大，大多數(shù)孔隙限制了多孔石墨的應(yīng)用，降低了應(yīng)用效果。同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境材料研究所采用新穎和微波法，對(duì)石墨進(jìn)行膨化處理。由于微波法與高溫膨化法對(duì)石墨作用機(jī)制的不同，可產(chǎn)生不同的膨化效果。通過控制微波加熱的功率、時(shí)間等參數(shù)，可容易地調(diào)整對(duì)石墨處理的強(qiáng)弱程度。此外，微波法開停方便，具有高效和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

硅化石墨及其制品

硅化石墨是上世紀(jì)80年代末研制出的一種功能材料，即在石墨材料表面涂覆碳化硅層而構(gòu)成的一種復(fù)合功能材料。它主要制作在高溫條件下，腐蝕和腐蝕介質(zhì)中工作的設(shè)備部件。與傳統(tǒng)材料相比，它具有很高的硬度、抗壓強(qiáng)度、耐熱強(qiáng)度、耐熱性以及耐化學(xué)腐蝕和磨蝕性。此外硅化石墨還具有良好的耐磨性能和電物理性能。它的重量僅為金屬的50%~15%，而在0.6兆帕的壓力下其透氣率僅為5.6×10-8厘米2/秒。

生產(chǎn)鋼筋混凝土?xí)r，使用無鎢硬質(zhì)合金拉絲模校直徑5毫米的鋼筋時(shí)，其使用壽命為1200小時(shí)，而在同樣條件下，硅化石墨拉絲模的使用壽命可達(dá)2500小時(shí)在加工高嶺土的CMⅡ-300型柱銷式磨機(jī)上，用硅化石墨制成的柱銷，工作1600小時(shí)的磨損僅為0.05毫米，而用傳統(tǒng)材料（通過為HPC55-60的合金）制成的柱銷工作800小時(shí)就會(huì)報(bào)廢；用硅化石墨制成原水力旋流器，其耐用性能比一般常用材料制成的大15-20倍；硅化石墨用作選礦廠磨礦機(jī)襯里磨細(xì)鈦鐵礦時(shí)，設(shè)備使用一個(gè)半月后，襯里也未出現(xiàn)磨損。硅化石墨還可用作射流磨工作表面的涂層。由于硅化石墨可承受1100℃的溫落差，因此，它制成的噴咀在使用壽命方面是其它材料所不能相比的，硅化石墨的耐熱程度很高，是用于生產(chǎn)冶金粉末用模壓機(jī)的最佳材料；用硅化石墨制成的鉆頭使用壽命為50-60小時(shí)，比用硬質(zhì)合金制成的相同制品大10倍。使用1千克硅化石墨節(jié)約350-400千克黑色和有色金屬，200-250千克不銹鋼和25-30千克硬質(zhì)合金；對(duì)于鋼筋校直套管來說，使用1千克硅化石墨的經(jīng)濟(jì)效益約為2700美元；在化工泵的密封襯套和端面密封材料方面，1套密封材料的經(jīng)濟(jì)效益約為250美元。總之，在國民經(jīng)濟(jì)中使用1噸硅化石墨的經(jīng)濟(jì)效益為6-540萬美元。

俄羅斯發(fā)明除油污泡沫石墨俄羅斯的維克托*彼得里克院士最近發(fā)明了一種可用于除去油污的泡沫石墨。其吞噬石油的能力比世界上最好的吸著劑高出13倍。新型材料經(jīng)濟(jì)實(shí)用，每立方厘米泡沫石墨重0.01至0.001克，1克材料覆蓋的面積達(dá)250平方米，是非常獨(dú)特的環(huán)保材料。

這種泡沫石墨就像海綿那樣吸著石油和石油產(chǎn)品。然后對(duì)它擠壓，吸入的98%的石油可以被擠壓出來，擠壓出來的石油可以使用，泡沫石墨本身也可以繼續(xù)使用。經(jīng)過多次使用后，將它壓成塊狀用作燃料，其燃燒質(zhì)量不次于最優(yōu)質(zhì)的煤碳。

這種材料不易化合，抗腐蝕性介質(zhì)能很好地吸著溶解、乳化和氣體狀態(tài)的油類產(chǎn)品。它可以用來拯救落入油污中的動(dòng)物和鳥類。這種材料用于滅火也很有效。用直升機(jī)將泡沫石墨粉撒入火海中可撲滅熊熊大火。泡沫石墨甚至可消除劇毒的火箭燃料和核電站使用的堿性金屬。它還具有吸收空氣中的懸浮顆粒的功能。石墨烯石墨烯（Graphene）是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯是已知的世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，具有超輕、超強(qiáng)導(dǎo)電性、優(yōu)異的室溫導(dǎo)熱和透光性，幾乎完全透明，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。常溫下其電子遷移率超過納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-8

Ω·m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料?？梢蕴娲瑁圃煳磥硇乱淮?jí)計(jì)算機(jī)；替代ITO透明導(dǎo)電薄膜，應(yīng)用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池等電子工業(yè)領(lǐng)域；還可應(yīng)用于海水淡化、可降解塑料、散熱膜、防腐涂層、生物材料、復(fù)合材料、平板電腦、手表日歷、移動(dòng)電話、光電探測器、石墨烯紙、石墨烯布以及航天軍工、超輕防彈衣、超薄超輕飛機(jī)、超薄折疊手機(jī)、甚至有想象力的天空電梯等。自2014年12月初西方媒體報(bào)道西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)出石墨烯電池以來，充電8分鐘續(xù)行1000公里就成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)一個(gè)“重磅炸彈”，引發(fā)了持續(xù)的關(guān)注。作業(yè)：每人寫一篇論文題目：1、**礦的開發(fā)利用現(xiàn)狀；2**礦的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀；論文結(jié)構(gòu)：1、名稱