地球上没有任何元素能象碳那样。由单一元素组成

石墨、石墨棒、石墨制品、石墨粉
来源：石墨棒、润滑石墨棒、导电石墨棒、捷诚石墨制品公司 点击量：19 日期：2011-08-31
石墨　
地球上没有任何元素能象碳那样。由单一元素组成，形成外观多变，性能各异，应用广泛的制品。它之所以能够如此，与其原子键合方式、分子结构类型及其集合形态的多样性密切相关。碳元素基态电子层结构为1S22S22P2。根据原子结构理论，碳原子的外层电子可通过sp3·sp2·sp三种杂化方式形成δ键和π键。当碳原子外层电子以sp3杂化时，就构成了具有立体结构的金刚石；当以sp2杂化时，就构成了平面结构的石墨，当以sp杂比时，就生成线状结构的炭——卡宾。1985年科学家们又发现了一种笼形结构的碳，即由60个碳原子组成的高质量数碳族分子——固体CB60，即足球烯。
石墨晶体具有六角平面网状结构，可分为天然石墨和人造石墨两种。前者多呈鳞状，由石墨矿中提选出来。六角平面内三个sp2杂化轨道互成120°角排列。与相邻碳原子生成共价键。剩余的一个2P电子在垂直于六角平面的方向上排列，网面上下方的π电子相互重合，形成范德华键。石墨晶体的层间叠合方式通常为ABAB型或ABCABC型。如图1所示。天然石墨多为第一种方式；人造石墨多为第二种方式。单晶石墨的理想晶体结构有六方晶系和三方（菱面体）晶系两种。对于六方晶系的晶胞，其晶格常数a0=2.461埃、C0=6.708埃。晶胞内有4个碳原子，由此可计算出理想石墨的密度为2.266。人们从结晶程度非常高的天然鳞片石墨中可筛选出单晶石墨，但尺寸很小。
石墨的性能　 石墨的独特构造使其具有特殊的性能，应用十分广泛，在工业上主要应用以下几种性能：
（1）润滑性。由于石墨材料层间结合力很小，当其与金属摩擦时，在金属表面极易形成石墨薄膜，可以起到减摩作用。对于表面抛光的钢，高强石墨在常温、大气中的动摩擦系数约为0.35。因此，石墨常被作为润滑剂、制造石墨轴承、模锻石墨乳等。
（2）热膨胀性小。一般在20℃～200℃之间，挤压成型的石墨制品，沿挤压方向的热膨胀系数为（1～2）×10-6/℃，垂直于挤压方向为（2～3）×10-6/℃。膨胀石墨板的热膨胀系数较大，如沿面方向为5×10-6/℃，沿厚度方向为100×10-6/℃。石墨制品具有较高的抗热震性，如电炉炼钢用的石墨电极要承受急冷、急热作用，等等。
（3）良好的导热、导电性。一般沿晶体层面方向的传导性比垂直于层面方向的大得多。但石墨的导热率和电阻均受温度影响，如电阻系数在700 K～900K以下为负值，900K以上为正值，导热率在某一温度达到最大值，其余均会下降。正由于其各向异性的良导热、导电性，才使石墨大量用作耐火材料、隔热材料和石墨电极。
（4）广泛温区内的可使用性。石墨的熔点为38.50℃，沸点达4250℃，因此它在空气中可用到-200~450℃，在真空或还原性气氛中可用到-200～3000℃。石墨的强度和硬度随温度的升高不是降低而是升高。石墨在室温下基本属于脆性材料，在1700℃以上开始产生蠕变，且蠕变量很小，因此在现代科技和工业中，它常被用在极高温条件下。
（5）化学性能稳定且无毒性。石墨对人体无毒。它在400℃时开始发生氧化，700℃以上可与水蒸汽反应。900℃以上可与CO2反应，1000℃以上才与氢反应。除王水、铬酸、浓硫酸及硝酸外，可抵抗各种酸、碱和有机溶剂的侵蚀。在高温下，石墨可与许多金属或非金属或它们的氧化物发生反应。由于石墨的耐辐照性和热中子截面小，使它成为核反应堆中唯一可供选择的慢化材料。 
（6）其他特性。石墨具有可涂敷性、质轻、可塑性大、易加工成形等特点，它还是一种重要碳源，可提供各种材料中所需的纯度较高的碳。
天然石墨　 天然石墨一般都似石墨片岩、石墨片麻岩、含石墨的片岩及变质页岩等矿石出现。天然石墨依其结晶形态可分成晶质石墨和隐晶质石墨。晶质石墨的晶体直径大于1μm，按其结晶形态，它还可分为致密块状石墨和鳞片状石墨。致密块状石墨矿床很少。鳞片石墨是国内外工业利用的主要石墨类型，外观呈黑色或银灰色，具有明显定向晶体结构，鳞片石墨原矿品位一般为3～13.5%，个别富矿可达20%。隐晶质石墨晶体直径小于1μm，形状呈不定形花瓣状或叠层片状，分为分散性土状石墨（粉）和致密块体土状石墨。前者矿石品位低，一般只含2～3%；后者矿体呈层状或透镜状，夹在变质岩中，品位达60~80%，最高可达95%，但可选性差，一般经挑选后粉碎即为成品，使用价值不如鳞片石墨。
天然石墨经过选矿后成为中碳石墨（含80~93%碳），但在许多应用中需要提纯为含碳在91~99%的高碳石墨。由于天然鳞片石墨中的杂质主要为石英、长石、高岭土、云母、黄铁矿、方解石以及其他氧化物，所以常用化学方法提纯。天然石墨的价值及其纯度与粒度关系最大。纯度常用含碳量或灰分表示，一般含碳量越高，灰分越少，则价格越高。粒度常用英制（目）或公制(mm)来表示产品的平均粒径。对于正目数来说，粒径越大价格越高；对于负目数来说，粒径越小越值钱。所以石墨产品最后都要用标准筛筛分后才能包装，商品中一般要求正目数的筛上物高于80%，负目数的筛下物高于75%。在一些特殊用途中，对石墨结晶构造、灰分中微量元素含量、杂质粒径等有严格要求，如含硫、氯和铁量。硫和氯在使用中对接触金属有强腐蚀性，铁影响石墨制品的高温抗氧化性。在核石墨中还对中子吸收截面大的杂质元素要求降到最少，如硼。
世界石墨资源非常丰富，目前已探明总储量为16600万吨，其中晶质石墨占61%。石墨矿主要分布在亚洲、欧洲、非洲和美洲。中国石墨总储量为13600万吨，其中晶质鳞片石墨为12000万吨。最近我国又发现了几个石墨矿，有石墨矿的省份占1/3以上，资源丰富的省有山东、黑龙江、内蒙古和湖南等。我国石墨储量、原料产量及出口量均居世界首位，且晶质鳞片石墨大片率高、杂质少。南朝鲜是世界第二大石墨生产国，大部分为土状石墨。原苏联是第三石墨生产国，主要为晶质石墨。日本是最大的石墨进口国和消费国，美国、德国、英国的消耗量也很大。
人造石墨　 用X射线衍射法证实，炭素与石墨在晶体结构上并非有明确分界线，只是前者晶体结构不发达、结晶程度较低。许多炭材料通过进一步热处理，完全可以转化为石墨，使其晶体结构趋于完善，这就是炭素工业石墨化过程，也是人造石墨的最关键一环。
多晶碳的结构特征是由六角原子环构成的平面状微晶松散堆积，其晶界是由位错为主的过渡格子层。碳的石墨化是使晶界和其他晶格缺陷因热激发而移动消失，或者说使六角网格平面乱层结构过渡到三维有序排列的石墨结构。要完成石墨化，主要条件是加热升温，至少需加热到2000℃以上，有的要到2800℃以上。
在现代工业中应用最多的人造石墨为石墨电极和石墨纤维。炼钢用石墨电极或电解用石墨阳极的制造过程为，将炭原料（如石油焦、沥青焦、无烟煤、冶金焦、炭黑等）经过煅烧、破碎与筛分、与粘接剂（主要用煤沥青）混捏后，再经压型和焙烧、高温石墨化，最后加工成所需规格尺寸。石墨纤维是将碳纤维经过高温石墨化处理后制成。石墨化纤维具有高模量、导电率高特点，可以制成石墨布或毡，根据需要可进行浸渍处理。
石墨层间化合物　 由于石墨原子层间以较小的分子间力结合，所以可用人工方法使异类分子、原子或离子进入石墨原子层间而生成一种原子级复合材料，叫石墨层间化合物（简称GIC）。当反应物质进入石墨层间后，反应物和石墨层面存在着电子的接受过程，即离子化过程。GIC可分为：施主型，即插入物提供电子给石墨原子，本身成为正离子，如碱金属——GIC；受主型，即插入物从石墨层获得电子，本身成为负离子而进入层间，如氯化物——GIC：共价键结合型，即插入物和石墨层面没有电子接受，形成共价键结合，如氟化石墨和石墨酸。GIC可以生成范围非常广泛的阶结构不同的化合物，当反应物质均匀地进入所有的石墨层间时，称1阶GIC；当反应物每隔2层石墨插入时，称为2阶……；现已合成了10~15阶的GIC。不同结构的GIC，物理性能差异较大，故可以通过控制其合成条件来改变其结构与性能。
GIC除保持石墨性能外，还具有新的理化特性：高导电特性和超导特性；电池特性，用其制造一、二次电池；高效催化特性，可用作聚合反应；增加了功能性空间，如气体吸收特性：创造出新功能，如制成温差电池和膨胀石墨。
迄今为止，石墨层间化合物中得到工业化生产和应用的只有氟化石墨和酸化石墨。氟化石墨是氟和石墨的GIC，有两种，分别用(CF)n和(C2F)n表示。它作为固体润滑剂，可在任何温度和条件下使用，摩擦系数比黄油还低。另外，由氟化石墨制作的锂电池早已投入市场。另一种是H2SO4—GIC，也称膨胀石墨或酸化石墨。当在高温迅速加热时，层间插入物会迅速分解、汽化，从而使石墨膨胀几十到几百倍成蠕虫状，再将其进行加压、轧制即可制成膨胀石墨板（纸）材。膨胀石墨作为第二代密封料，有着比传统密封材料无可比拟的优点：除耐高低温、抗腐蚀、抗辐照外，还具有较高压缩率、回弹率、低应力松弛率，密封性好的特性，再加上无石棉化，因而在现代科技和工业中得到了广泛应用。
广泛应用　 石墨主要用于生产耐火材料，包括耐火砖、坩埚、连续铸造粉、铸模芯、铸造涂覆剂和最耐高温材料。全世界约70%的耐火材料消耗在钢铁工业上。近20年来镁碳砖和铝碳砖开始应用于炼钢炉内衬及连续铸造，它们都是石墨制品。石墨坩埚中有30％～50％的含碳量，其中80％～90%粒径大于0.15mm的为大鳞片石墨。它具有高耐火性、低膨胀性、高温下抗热震性和热传导性良好等优点，被广泛用于金属熔融和冶炼。世界上每年约有10％的天然石墨用于制造润滑剂，这一般都需使用粒度小于50μm的高碳石墨或高纯天然石墨。润滑剂的种类繁多，有干粉、油剂、乳剂等。微粉石墨乳可应用于电子器件。