石墨

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石墨是元素碳的一種同素異形體,每個碳原子的周邊連結著另外三個碳原子(排列方式呈蜂巢式的多個六邊形)以共價鍵結合,構成共價分子。由於每個碳原子均會放出一個電子,那些電子能夠自由移動,因此石墨屬於導電體。 石墨是其中一種最XX礦物。 它的用途包括製造鉛筆芯和XX。碳是一種非金屬元素,位於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」字加石字旁構成,從「炭」字音。

基本簡介

  英文名稱:graphite   分子式:C   分子量:12.01   CAS 登錄號:7782-42-5

分子結構

EINECS 登錄號:231-955-3

碳元素

  碳是一種很常見的元素,它以多種形式廣泛存在於大氣和地殼之中。碳單質很早就被人認識利用,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。碳能在化學自我結合而形成大量化合物,在生物上和商業上是重要的分子。生物體內大多數分子都含有碳元素。

碳化合物

  碳化合物一般從化石燃料中獲得,然後再分離並進一步合成出各種生產生活所需的產品,如乙烯、塑料等。

存在形式

石墨

  碳的存在形式是多種多樣的,有晶態單質碳如金剛石、石墨;有無定形碳如煤;有複雜的有機化合物如動植物等;碳酸鹽如大理石等。單質碳的物理化學性質取決於它的晶體結構。高XX的金剛石和柔軟滑膩的石墨晶體結構不同,各有各的外觀、密度、熔點等。

性質特徵

  常溫下單質碳的化學性質比較穩定,不溶於水、稀酸、稀鹼和有機溶劑;不同高溫下與氧反應燃燒,生

[1]氧化一氧化碳;在鹵素中只有氟能與單質碳直接反應;在加熱下,單質碳較易被酸氧化;在高溫下,碳還能與許多金屬反應,生成金屬碳化物。碳具有還原性,在高溫下可以冶煉金屬。   石墨是碳質元素結晶礦物,它的結晶格架為六邊形層狀結構。每一網層間的距離為3.40Å,同一網層中碳原子的間距為1.42Å。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,它們互為同素異形體。

混合晶體

  在石墨晶體中,同層的碳原子以sp2雜化形成共價鍵,每一個碳原子以三個共價鍵與另外三個原子相連。六個碳原子在同一個平面上形成了正六連連形的環,伸展成片層結構,這裡C-C鍵的鍵長皆為142pm,這正好屬於原子晶體的鍵長範圍,因此對於同一層來說,它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個p軌道,它們相互重疊。電子比較自由,相當於金屬中的自由電子,所以石墨能導熱和導電,這正是金屬晶體特徵。因此也歸類于金屬晶體。   石墨晶體中層與層之間相隔340pm,距離較大,是以范德華力結合起來的,即層與層之間屬於分子晶體。但是,由於同一平面層上的碳原子間結合很強,極難破壞,所以石墨的溶點也很高,化學性質也穩定。   鑒於它的特殊的成鍵方式,不能單一的認為是單晶體或者是多晶體,現在普遍認為石墨是一種混合晶體。

產地分佈

  成因和產狀:石墨是在高溫下形成。分佈最廣是石墨的變質礦床,系由富含有機質或碳質的沉積岩經區域變質作用而成   中國:山東省萊西市為我國石墨重要產地之一,石墨探明儲量687.11萬噸,現保有儲量639.93萬噸。另外吉林省磐石市也是石墨產地之一,石墨儲量500 萬噸。   世界:著名產地: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地。

形態特性

  石墨質軟,黑灰色;有油膩感,可污染紙張。XX為1~2,沿垂直方向隨雜質的增加其XX可增至3~5。比重為1.9~2.3。比表面積範圍集中在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。它能導電、導熱。   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。這些雜質常以石英、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現。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分和灰分的含量。

同素異形體

  石墨與金剛石、碳60、碳納米管、石墨烯等都是碳元素的單質,它們互為同素異形體。[2]

天然石墨

  石墨的工藝特性主要決定於它的結晶形態。結晶形態不同的石墨礦物,具有不同的工業價值和用途。工業上,根據結晶形態不同,將天然石墨分為三類。

緻密結晶狀石墨

  1.緻密結晶狀石墨   緻密結晶狀石墨又叫塊狀石墨。此類石墨結晶明顯晶體肉眼可見。顆粒直徑大於0.1毫米,比表面積範圍集中在0.1-1m2/g,晶體排列雜亂無章,呈緻密塊狀構造。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。

鱗片石墨

  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10~25%之間。是自然界中可浮性最好的礦石之一,經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越;因此它的工業價值最大。

隱晶質石墨

  3.隱晶質石墨

隱晶質石墨

隱晶質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於1微米,比表面積範圍集中在1-5m2/g,是微晶石墨的集合體,只有在電子顯微鏡才能見到晶形。此類石墨的特點是表面呈土狀,缺乏光澤,潤滑性比鱗片石墨稍差。品位較高。一般的60~85%。少數高達90%以上。一般應用於鑄造行業比較多。主要蘊藏在湖南郴州魯塘。隨這石墨提純技術的提高。土狀石墨應用越來越廣泛。

特種石墨成型方式

  石墨在工業上運用極廣,幾乎每個行業都會用到。工業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,但是並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:細節構石墨、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)。

石墨特殊性質

  石墨由於其特殊結構,而具有如下特殊性質:   1) 耐高溫性:石墨的熔點為3850±50℃,沸點為4250℃,即使經超高溫電弧灼燒,重量的損失很小,熱膨脹係數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強,在2000℃時,石墨強度提高一倍。   2) 導電、導熱性:石墨的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導熱係數隨溫度升高而降低,甚至在極高的溫度下,石墨成絕熱體。石墨能夠導電是因為石墨中每個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於石墨鱗片的大小,鱗片越大,摩擦係數越小,潤滑性能越好。   4)化學穩定性:石墨在常溫下有良好的化學穩定性,能耐酸、耐鹼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,不會產生裂紋

石墨

  名字來源:源於希臘文「graphein」,意為「用來寫」。由德國化學家和礦物學家A. G. Werner 于1789命名   化學組成:成分純凈者極少,往往含各種雜質   類別:自然元素-非金屬元素-碳族   晶體特徵   晶系和空間群:六方晶系,P63/mmm   晶胞參數:a0=0.246nm,c0=0.670nm   典型的層狀結構,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狀排列,上下相鄰層的碳六方環通過平行網面方向相互位移后再疊置形成層狀結構,位移的方位和距離不同就導致不同的多型結構。上下兩層的碳原子之間距離比同一層內的碳之間的距離大得多(層內C-C間距=0.142nm,層間C-C間距=0.340nm)   形態: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   XX: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:薄片具撓性,有滑感,易污手,具有良好的導電性   鑒定特徵鐵黑色,XX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。

石墨與金剛石

  提起鑽石,人們就會聯想到光彩奪目、閃爍耀眼的情景,它隨著擁有者的活動而光芒四XX。但因它的昂貴價格,大多數人只能望而卻步。儘管如此,人們對鑽石還是很嚮往的。你知道鑽石是什麼嗎?它的化學成分是碳(C),天然的鑽石是由金剛石經過琢磨后才能稱之謂「鑽石」。天然的鑽石是非常稀少的,世界上重量大於1000克拉(1克=5克拉)的鑽石只有2粒,400克拉以上的鑽石只有多粒,我國迄今為止發現的最大的金剛石重158.786克拉,這就是「常林鑽石」。物以稀為貴,正因為可做「鑽石「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」,但「形」或「性」卻不同,且有天壤之別,金剛石是目前XX的物質,而石墨卻是最XX物質之一。   石墨和金剛石的XX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,不是那麼容易的。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,可使石墨轉變成金剛石粉末。   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,用於切削和地質、石油的鑽井用的鑽頭。當前,世界金剛石的消費中,80%的人造金剛石主要是用於工業,它的產量也遠遠超過天然金剛石的產量。   最初合成的金剛石顆粒呈黑色,0.5mm大小,重約0.1克拉(用於寶石的金剛石一般最小不能小於0.1克拉)。美國、日本等已製成6.1克拉多的金剛石,現在我國人造金剛石企業黃河旋風公司實驗室生成的大顆粒金剛石達8mm左右,代表了我國在該領域研究前沿。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於市場。

石墨熔點

  金剛石的熔點是3823K,石墨的熔點是3773K。石墨熔點低於金剛石。   比較石墨和金剛石的熔點不能單純地從鍵能的方面予以考慮,如果忽視掉熔化時斷裂鍵的個數,那麼得到的數據也不可取。   數據來源:無機化學 下冊/武漢大學等校編——3版。——北京:高等教育出版社,1994.4(2008重印)

主要用途

石墨

  1、作耐火材料:石墨及其製品具有耐高溫、高強度的性質,在冶金工業中主要用來製造石墨坩堝,在煉鋼中常用石墨作鋼錠之保護劑,冶金爐的內襯。   2.作導電材料:在電氣工業上用作製造電極、電刷、碳棒、碳管、水銀正流器的正極,石墨墊圈、電話零件,電視機顯像管的塗層等。   3.作耐磨潤滑材料:石墨在機械工業中常作為XX。潤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速度下,不用潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質的設備,廣泛採用石墨材料製成活塞杯,密封圈和軸承,它們運轉時勿需加入潤滑油。石墨乳也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時的良好的XX。   4.石墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨,具有耐腐蝕、導熱性好,滲透率低等特點,就大量用於製作熱交換器,反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔冷卻器、加熱器、過濾器、泵設備。廣泛應用於石油化工、濕法冶金、酸鹼生產、合成纖維、造紙等工業部門,可節省大量的金屬材料。   5.作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料:由於石墨的熱膨脹係數小,而且能耐急冷急熱的變化,可作為玻璃器的鑄模,使用石墨后黑色金屬得到鑄件尺寸精確,表面光潔成品率高,不經加工或稍作加工就可使用,因而節省了大量金屬。生產硬質合金等粉末冶金工藝,通常用石墨材料製成壓模和燒結用的瓷舟。單晶硅的晶體生長坩堝,區域精煉容器,支架夾具,感應加熱器等都是用高純石墨加工而成的。此外石墨還可作真空冶煉的石墨隔熱板和底座,高溫電阻爐爐管,棒、板、格棚等元件。   6、用於原子能工業和國防工業:石墨具有良好的中子減速劑用於原子反應堆中,鈾一石墨反應堆是目前應用較多的一種原子反應堆。作為動力用的原子能反應堆中的減速材料應當具有高熔點,穩定,耐腐蝕的性能,石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高,雜質含量不應超過幾十個PPM 。特別是其中硼含量應少於0.5PPM 。在國防工業中還用石墨製造固體燃料火箭的噴嘴,導彈的鼻錐,宇宙航行設備的零件,隔熱材料和防XX線材料。   7.石墨還能防止鍋爐結垢,有關單位試驗表明,在水中加入一定量的石墨粉(每噸水大約用4~5 克)能防止鍋爐表面結垢。此外石墨塗在金屬煙囪、屋頂、橋樑、管道上可以防腐防鏽。   8.石墨可作鉛筆芯、顏料、拋光劑。石墨經過特殊加工以後,可以製作各種特殊材料用於有關工業部門。   9.電極:石墨何以能取代銅做為電極?   20世紀60年代,銅做為電極材料被廣泛應用,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,這種曾經占統治地位的電極材料,和石墨電極相比它的優勢幾乎消失殆盡。是什麼導致了這個戲劇性的變化?當然是石墨電極的諸多優勢。

石墨

  (1)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勢明顯;銅的軟化點在1000度左右,容易因受熱而產生變形;石墨的升華溫度為3650度;熱膨脹係數僅有銅的1/30。   (2)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;更適合於在大型模具上的應用。   (3)放電消耗更小;由於火花油中也含有C原子,在放電加工時,高溫導致火花油中的C原子被分解出來,轉而在石墨電極的表面形成保護膜,補償了石墨電極的損耗。   (4)沒有毛刺;銅電極在加工完成後,還需手工進行修整以去除毛刺,而石墨加工后沒有毛刺,節約了大量成本,同時更容易實現自動化生產   (5)石墨更容易研磨和拋光;由於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,價格更穩定;由於近幾年銅價上漲,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品的價格比銅的價格低30%~60%,並且價格更穩定,短期價格波動非常小。   正是這種無可比擬的優勢,石墨逐漸取代銅成為EDM電極的首選材料。

石墨新用途

  石墨新用途:   隨著科學技術的不斷發展,人們對石墨也開發了許多新用途。   柔性石墨製品。柔性石墨又稱膨脹石墨,是年代開發的一種新的石墨製品。   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,隨後德、日、法也開始研製生產。這種產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。廣泛用於石油化工、原子能等工業領域。國際市場需求量逐年增長。

輕工業應用

  此外,石墨還是輕工業中玻璃和造紙的磨光劑和防鏽劑,是製造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石、鑽石不可缺少的原料。它是一種很好的節能環保材料,美國已用它做為汽車電池。隨著現代科學技術和工業的發展,石墨的應用領域還在不斷拓寬,已成為高科技領域中新型複合材料的重要原料,在國民經濟中具有重要的作用。

藝術簡介

  石墨先生:1941年出生,北京人。現任:中國美術家協會理事、中國繪畫藝術研究院院士、中國傳統文化促進會理事、慧晨書畫院院士、國家一級美術師。   石墨先生自幼受家人的熏陶、酷愛書畫,啟蒙老師是張大千的弟子邱戈女士,池水盡墨,畫藝大進之時,被國畫大師潘天壽收為愛徒,從此石墨的山水在國內外有較高的聲譽。他注重寫生,走遍祖國山川,理論聯繫實際,形成了自己的山水風格。他筆下的山水厚重,意境逼真,神韻自然,筆走龍蛇,大氣磅礴,作品多次在國內外獲獎。   石墨先生他人品高尚,得到了社會各界人士的認可和賞識,他的作品先後在人民大會堂和中南海國賓館等地收藏。

藝術作品

藝術簡析

  在當今國畫山水界,已罕見內容豐富,筆法細膩,氣勢雄厚,功力深湛的藝術作品。然而石墨老師不負眾望,悉心鑽研水墨六十載,終於突破重重難關,寫意出一副副雲山飛瀑,讓現今收藏界為之振奮。   石墨老師的作品以細膩繁盛,在眾多山水畫中脫穎而出。其疊巒重嶂,雲漫霧罩,樹盛屋儼,水清帆正等特點,皆是上乘之作。令人每每觀之,讚嘆不絕!

詩曰

  雲漫重山藏飛瀑,霧濁滔水映掛帆。   樹掩石橋通草舍,筆墨悠然灑南山。

名稱來源

  源於希臘文「graphein」,意為「用來寫」。由德國化學家和礦物學家A.G.Werner于1789命名。

鑒定特徵

石墨

  鐵黑色,XX低,一組極完全解理,有滑感和染手。形態: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。

成因和產地

  石墨是在高溫下形成。    石墨最常見於大理岩、片岩或片麻岩中,是有機成因的碳質物變質而成。煤層可經熱變質作用部分形成石墨。少量石墨是火成岩的原生礦物。石墨也常見於隕石中,一般為團塊狀,以一定方位關係組成立方體外形的多晶集合體稱方晶石墨。分佈最廣是石墨的變質礦床,系由富含有機質或碳質的沉積岩經區域變質作用而成;著名產地有紐約Ticonderoga,馬達加斯加和Ceylon,我國以黑龍江雞西市柳毛為最大的產地。

工業分類

石墨

  工業上將石墨礦石分為晶質(鱗片狀)石墨礦石和穩晶質(土狀)石墨礦石兩大類。晶質石墨礦石又可分為鱗片狀和緻密狀兩種。中國石墨礦石以鱗片狀晶質類型為主,其次為隱晶質類型,緻密狀晶質石墨只見於新疆托克布拉等個別礦床中,工業價值不大。   鱗片狀石墨礦石結晶較好,晶體粒徑大於1μm,一般為0.05~1.5mm,大的可達5~10mm,多呈集合體。礦石品位較低,一般為3~13.5%。伴生的礦物有雲母、長石、石英、透閃石、透輝石、石榴石和少量硫鐵礦、方解石等,有時還伴有金紅石,釩雲母等有用組分。鱗片石墨礦石按其所賦存岩石的岩性不同,分片麻岩型、片岩型、透輝岩型、變粒岩型、混合岩型、大理岩型及花崗岩型等七種,前六種礦石類型產于區域變質成因礦床中,后一種礦石類型則產于岩漿熱液成因礦床中。   穩晶質石墨礦石一般呈微晶集合體,晶體粒徑小於1μm,只有在電子顯微鏡下才能觀察到其晶形。礦石呈灰黑色、鋼灰色,一般光澤暗淡,具有緻密塊狀、土狀及層狀、頁片狀構造。隱晶石墨的工藝性能不如鱗片狀石墨,工業應用範圍也較小,礦石品位一般都較高,但礦石可選性差。礦物成分以石墨為主,伴生有紅柱石、水雲母、絹雲母及少量黃鐵礦、電氣石、褐鐵礦、方解石等。品位一般為60~80%、灰分為15~22%、揮發分為1~2%、水分為2~7%。

藏品信息(中國地質博物館)

  


中國地質博物館石墨藏品圖片

圖片描述:此圖為中國的石墨(Graphite)的標本照片。鋁灰色。條痕:光亮黑色。光澤:金屬光澤。不透明。解理:{0001}完全。XX:1-2性軟,有滑膩感,易污染手指。比重:2.09-2.23,具良好的導電性。[3]保存單位:中國地質博物館

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