最全天然石墨简介及应用领域介绍

石墨是碳元素的结晶矿物之一，具有耐高温、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、导热、导电、可塑性、涂敷性性能等特有的物理化学性能，广泛应用于冶金、机械、电子、电池、金刚石超硬材料、核工业、化工、轻工、军工、国防、航天及耐火材料等行业，是当今高新技术发展必不可少的非金属材料。

一、石墨的特征

石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为1~2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3~5。比重为1.9~2.3。比表面积范围集中在1~20m2/g，在隔绝氧气条件下，其熔点在3000℃以上，是最耐温的矿物之一。它能导电、导热。自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有SiO2、Al2O3 、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青等。

      石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：

1、耐高温型

石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。

2、导电、导热性

石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。

3、润滑性

石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

4、化学稳定性

石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

5、可塑性

石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

6、抗热震性

 

  石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

二、石墨的应用

由于石墨具有许多优良的性能，因而在冶金、机械、电气、化工、纺织、国防等工业获得广泛应用。

为了引导天然石墨及其制品行业的健康发展，提高行业的准入门槛，国家工业与信息化产业部在2012年发布了《石墨行业准入条件》。截至2019年，我国主要石墨矿产区（黑龙江鸡西、黑龙江萝北、山东莱西、内蒙古兴和）均已建成专业的石墨产业园，行业集中度明显改善，其中部分产区甚至有多家石墨产业园。而在全国范围内，以“石墨烯”命名的产业园/工业园则达到20家以上。这些石墨烯产业园多数是以天然鳞片石墨为原料，制备氧化石墨烯及 其复合材料。天然石墨及其制品行业集中度提升，使其开发与利用向优势企业集中无疑是利好消息，但一些新现象也值得大家注意。大多数石墨/石墨烯产业园、企业规划的产品集中在锂电池负极材料（球形化石墨）、石墨烯等热门领域。

石墨主要应用领域总结如下:

1、作耐火材料

石墨的一个主要用途是生产耐火材料，包括耐火砖，坩埚，连续铸造粉，铸模芯，铸模洗涤剂和耐高材料。近20 年来，耐火材料工业中两个重要的变化是镁碳砖在炼钢炉内衬中被广泛应用，以及铝碳砖在连续铸造中的应用。使石墨耐火材料与炼钢业紧密相连，全世界炼钢业约消耗70 ％的耐火材料。

（ l ）镁碳砖。镁碳耐火材料是60年代中期，由美国研制成功，70 年代，日本炼钢业开始把镁碳砖用于水冷却电弧炉炼钢中。目前在世界范围内镁碳砖已大量用于炼钢，并已成为石墨的一种传统用途。80年代初，镁碳砖开始用于氧气顶吹转炉的炉衬。

（ 2 ）铝碳砖。铝碳耐火材料主要用于连续铸造、扁钢坯自位输管道的保护罩，水下喷管以及油井爆破筒等。在日本用连续铸造生产的钢占总生产量的90％以上，英国为60％。

（ 3 ）坩锅及有关制品。用石墨制造的成型和耐火的坩锅及其有关制品，例如坩锅、曲颈瓶、塞头和喷嘴等，具有高耐火性，低的热膨胀性，熔炼金属过程中，受到金属浸润和冲刷时亦稳定，加之良好的热震稳定性和优良的热传导性，所以石墨坩埚及其有关制品被广泛用于直接熔融金属的工艺中。

2、炼钢

石墨和其他杂质材料用于炼钢工业时可作为增碳剂。渗碳使用的碳质材料的范围很广，包括人造石墨、石油焦、冶金焦炭和天然石墨。在世界范围内炼钢增碳剂用石墨仍是土状石墨的主要用途之一。

3、作导电材料

石墨在电气工业中广泛用来作电极、电刷、碳棒、碳管、水银整流器的正极、石墨垫圈、电话零件、电视机显像管的涂层等等。其中以石墨电极应用最广，在冶炼各种合金钢、铁合金时，使用石墨电极，这时强大的电流通过电极导入电炉的熔炼区，产生电弧，使电能转化为热能，度升高到2000 ℃左右，从而达到熔炼或反应的目的。此外，在电解金属镁、铝、钠时，电解槽的阳极也用石墨电极。生产金刚砂的电阻炉也用石墨电极作炉头导电材料。

电气工业中所使用的石墨，对粒度和品位要求很高。如碱性蓄电池和一些特殊的电碳制品，要求石墨粒度控制在150目～325目（o.lmm ～o.o42mm ）范围内，品位90％～99％以上，有害杂质（主要是金属铁）要求在10％以下。

4、作耐磨和润滑材料

石墨在机械工业中常作润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用，而石墨耐磨材料可以在很高温度并在很高的滑动速度下（100m/S）不用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备，广泛采用石墨材料制成活塞环、密封圈和轴承，它们运转时，勿需加入润滑油，石墨乳也是许多金属加工（拔丝、拉管）时的良好的润滑剂。

5、作耐腐蚀材料

   石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好、渗透率低等特点，而广泛用于制作热交换器、反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵等设备。这些设备用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。

6、作铸造、翻砂、压模及高冶金材料

由于石墨的膨胀系数小，而且能耐急冷急热的变化，可作为玻璃器皿的铸模，使用石墨后，黑色金属得到的铸件尺寸精确，表面光洁，成品率高，不经加工或稍作加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质合金等粉末冶金工艺，通常用石墨材料制成压模和烧结用的舟皿。单晶硅的晶体生长坩埚、区域精炼容器、支架、夹具、感应加热器等，都是用高纯石墨加工而成的。此外，石墨还可以作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高电阻炉炉管、棒、板、格棚等元件。

7、用于原子能工业和国防工业

石墨具有良好的中子减速性能，最早作为减速剂用于原子反应堆中，铀石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点、稳定、耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个PPm （PPm 为百万分之一），特别是其中硼的含量应小于O.5SPPm。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导弹的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。

8、作防垢防锈材料

石墨能防止锅炉结垢，有关单位试验表明，在水中加入一定量的石墨粉，能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐和防锈。

9.石墨烯

   石墨烯的来源。常见的天然石墨是由一层层蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成较薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，形成的一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

10.锂电池负极材料

迄今已研究过的碳负极材料有石墨化碳（天然鳞片石墨、石墨化中间相碳微球等）和非石墨化碳（软碳、硬碳等）。其中，石墨以充放电电压平台低、循环稳定性高和成本低等优点，被认为是目前锂离子电池应用中较为理想的负极材料。目前天然石墨的改性研究已经取得了一定的进展，并已有商业化应用。

针对鳞片石墨的各向异性导致的锂离子电池负极比容量低的问题，要对鳞片石墨形貌进行改性，使其尽可能达到各向同性的效果。球形石墨的生产已经产业化，在工业生产中，主要采用风力冲击式整形机进行鳞片石墨的球形化处理。其中，气流涡旋粉碎机是常用的设备，此方法在球化过程中掺杂杂质少，但其设备体积大，且石墨用量大，产率 低，在实验室制备中十分受限。近年，有学者采用小型旋转冲击式磨机进行实验室制备，通过分析球化过程中孔隙率的变化，发现球化过程中能量的增加提高了石墨颗粒的开孔率并降低了其封闭孔隙度，这将影响其电化学性能

 

11.高导热石墨块

理想的扩热材料应该在平面方向具有较高的热导率，而石墨材料的特性则正好与 之相符。 因此高导热石墨块在电子设备热管理的过程中，是一种理想的扩热材料。现有的扩热材料多是以金属（铝、铜）为主。综合考虑成本、重量、强度等因素，实际又以铝合金为主。铝合金的热导率在120～200W/(m·K)之间，而高导热石墨块平面方向上的热导率可达600 W/(m·K)以上，扩热能力是现有铝合金的 3～5 倍。在发光二极管（LED）、中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）等功率型电子器件的扩热过程中有重要的推广价值。

12.高导热石墨散热膜

局部热源的扩热是很多电子设备散热设计的共性问题。在尺寸、空间较大的电子设备中可以使用扩热板实现平面均温。 但对于消费型电子设备而言，空间紧凑，尺寸有限，则可以通过高导热石墨薄膜来实现这一目的。 以智能手机为例，众多知名手机品牌都是通过在后盖外壳内壁贴石墨薄膜的方式来实现平面均温，消除局部热点。目前常见的高导热石墨薄膜依据其制备方式不同可以分为两类，即以高分子薄膜为前驱体的人工合成石墨薄膜和以天然鳞片石墨为原料的高导热石墨薄膜。 前者的代表性产品是以双向拉伸的聚酰亚胺薄膜为前驱体，经3 000 ℃高温热处理所得的石墨化薄膜。据报道，这种石墨薄膜的热导率能达1200W/(m·K)以上。但必须指出的是：受技术水平所限，人工合成的石墨薄膜厚度多为 60 μm 及以下。由热传导的公式 Q=KAΔT 可知，通过热传导的方式所转移的热量，不仅与材料自身的热导率有关，也与热传导的横截面积有关。因此人工石墨薄膜的热传导能力也存在一定的局限性。基于天然鳞片石墨的高导热石墨薄膜则在综合性能上更具潜力。魏兴海等以 30目鳞片石墨为原料，以高氯酸为插层剂制备膨胀倍数为200～300 倍的蠕虫石墨。并将蠕虫石墨辊压成厚度为50～200 μm 的石墨薄膜，其热导率可达600 W/(m·K)。不难看出，综合考虑热导率和厚度两方面的 因素，以鳞片石墨为起点的石墨薄膜已具有较强的竞争优势 如果进一步提高天然鳞片石墨的纯度和石墨薄膜的体积密度，则有可能获得更高热导率的天然石墨薄膜，其竞争优势将会更加明显。

 

13.膨胀石墨与阻燃材料

作为一种新型功能性碳素材料，膨胀石墨(Expanded Graphite，简称EG)是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG 除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外，还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。早在19世纪60年代初，Brodie将天然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂作用后加热，发现了膨胀石墨，然而其应用则在百年之后才开始。从此，众多国家就相继展开了膨胀石墨的研究和开发，取得了重大的科研突破。

膨胀石墨遇高温可瞬间体积膨胀150~300倍，由片状变为蠕虫状，从而结构松散，多孔而弯曲，表面积扩大、表面能提高、吸附鳞片石墨力增强，蠕虫状石墨之间可自行嵌合，这样增加了它的柔软性、回弹性和可塑性。

可膨胀石墨（EG）是由天然鳞片石墨经化学氧化法或电化学氧化法处理后得到的一种石墨层间化合物，就结构而言，EG是一种纳米级复合材料。普通H2SO4氧化制得的EG在受到200℃以上高温时，硫酸与石墨碳原子之间发生氧化还原反应,产生大量的SO2、CO2和水蒸气，使EG开始膨胀，并在1 100℃时达到最大体积，其最终体积可以达到初始时的280倍。这一特性使得EG能在火灾发生时通过体积的瞬间增大将火焰熄灭。

 

EG的阻燃机理属于凝固相阻燃机理，是通过延缓或中断由固态物质产生可燃性物质而阻燃的。EG受热到一定程度，就会开始膨胀，膨胀后的石墨由原来的鳞片状变成密度很低的蠕虫状，从而形成良好的绝热层。膨胀后的石墨薄片既是膨胀体系中的炭源，又是绝热层，能有效隔热，延缓和终止聚合物的分解；同时，膨胀过程中大量吸热，降低了体系温度；而且膨胀过程中，释放夹层中的酸根离子，促进脱水炭化。

 

EG作为一种无卤环保阻燃剂，其优点是：无毒，受热时不生成有毒和腐蚀性气体，产生的烟气很少；添加量小；无滴落；环境适应性强，无迁移现象；紫外线稳定性和光稳定性好；来源充足，制造工艺简单。因此，EG已广泛应用于各种阻燃防火材料中，如防火密封条、防火板、防火防静电涂料、防火包、可塑性防火堵料、阻火圈以及阻燃塑料等。

 

14.石墨密封材料

 石墨密封材料由美国联碳公司于19世纪60年代发明，作为一种优秀的封严材料被冠以“密封王”的头衔。其具有许多优良的性能，如低密度、自润滑性能、化学稳定性好、高导热性、低膨胀性、摩擦系数小、良好的可加工性等，这些都是封严材料不可或缺的。由于石墨材料的这些优点，其作为密封材料在航空、航天领域起到了不可替代的作用。航空航天密封材料主要用于航空航天器的推进、液压和气动等系统的管道、阀门和箱体等部件的静密封和动密封，以及结构和防热系统部件的密封。密封材料的性能直接决定密封的可靠性。虽然石墨材料由于其具有耐高温、耐腐蚀和自润滑等诸多优点，作为涡轮泵的动密封、航空发动机轴间密封元件已日益普遍。但随着航空、航天技术的发展和进步，对密封材料提出了越来越苛刻的要求。例如，在高低温（-183～600℃）、高密封压差（出入口压差40～50MPa）、高速旋转（17000～40000r／min）、剧烈振荡的氧化气氛下工作，航空发动机主轴密封材料也需在高速旋转产生的巨大离心力条件下工作。因此，研究在恶劣工作条件下满足使用要求的高性能炭/石墨密封材料，对支持我国航空、航天事业发展具有重要意义。

 

天然石墨的利用方式简单汇总

 

 

    天然石墨既是重要的战略资源又是不可再生的矿物资源。实现天然石墨的高价值开发与利用关键是用好天然石墨导电、导热、轻质等独特物性。此外还应该根据石墨的种类、杂质含量、粒径等特点规划适宜的下游产品

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