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石墨百科

来源: 时间:2018-08-18 15:25:28 次数:

简介 英文名称:graphite 分子式:C 分子量:12.01 CAS 登录号:7782-42-5 EINECS 登录号:231-955-3


简介
 

英文名称:graphite

分子式:C

分子量:12.01

CAS 登录号:7782-42-5

EINECS 登录号:231-955-3

碳是一种非金属元素,位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium,意为“煤,木炭”。汉字“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成,从“炭”字音。石墨是元素的一种同素异形体[1],每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子(排列方式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合,构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子,那些电子能够自由移动,因此石墨属于导电体。 是其中一种软的矿物。 它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。

碳是一种很常见的元素,它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用,碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。 碳能在化学上自我结合而形成大量化合物,在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。

碳化合物一般从化石燃料中获得,然后再分离并进一步合成出各种生产生活所需的产品,如乙烯、塑料等。

碳的存在形式是多种多样的,有晶态单质碳如金刚石、;有无定形碳如煤;有复杂的有机化合物如动植物等;碳酸盐如大理石等。 单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的晶体结构不同,各有各的外观、密度、熔点等。

常温下单质碳的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂;不同高温下与氧反应,生成二氧化碳或一氧化碳;在卤素中只有氟能与单质碳直接反应;在加热下,单质碳较易被酸氧化;在高温下,碳还能与许多金属反应,生成金属碳化物。碳具有还原性,在高温下可以冶炼金属。

是碳质元素结晶矿物,它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为3.40人,同一网层中碳原子的间距为1.42A。属六方晶系,具完整的层状解理。解理面以分子键为主,对分子吸引力较弱,故其天然可浮性很好。 

金刚石碳60碳纳米管等都是碳元素的单质,它们互为同素异形体。

产地分布

成因和产状:是在高温下形成。分布广是的变质矿床,系由富含有机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成;

中国:山东省莱西市为我国重要产地之一,探明储量687.11万吨,现保有储量639.93万吨。

世界:著名产地:纽约Ticonderoga,马达加斯加和Ceylon,我国以黑龙江鸡西市柳毛为大的产地。 

形态特性

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,是耐温的矿物之一。 它能导电、导热。

自然界中纯净的是没有的,其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、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,还有沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对的分析,除测定固定碳含量外,还必须同时测定挥发分和灰分的含量。

 的工艺特性主要决定于它的结晶形态。结晶形态不同的矿物,具有不同的工业价值和用途。工业上,根据结晶形态不同,将天然分为三类。 

1.致密结晶状 

致密结晶状又叫块状。此类结晶明显晶体肉眼可见。颗粒直径大于0.1毫米,比表面积范围集中在0.1-1m2/g,晶体排列杂乱无章,呈致密块状构造。这种:的特点是品位很高,一般含碳量为60~65%,有时达80~98%,但其可塑性和滑腻性不如鳞片好。

2.鳞片晶体呈鳞片状;这是在高强度的压力下变质而成的,有大鳞片和细鳞片之分。此类矿石的特点是品位不高,一般在2~3%,或100~25%之间。是自然界中可浮性好的矿石之一,经过多磨多选可得高品位精矿。这类的可浮性、润滑性、可塑性均比其他类型优越;因此它的工业价值大。 

3.隐晶质石墨

在工业上运用极广,几乎每个行业都会用到。工业上多用的是人造,也就是特种。按其成型的方式可分为以下几种。隐品质又称非晶质或土状,这种的晶体直径一般小于1微米,比表面积范围集中在1-5m2/g,是微晶的集合体,只有在电子显微镜下才能见到晶形。此类的特点是表面呈土状,缺乏光泽,润滑性也差。品位较高。一般的60~80%。少数高达90%以上。矿石可选性较差。 

1、等静压。也就是很多人叫的三高,但是并不是三高就是等静压。

2、模压

3、挤压,多为电极材料。

其中按的颗粒度分,也可分为:细节构、中粗(一般的颗粒度在0.8mm左右)、还有就是电极(2-4mm)。

由于其特殊结构,而具有如下特殊性质: 

1) 耐高温型: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。强度随温度提高而加强,在2000℃时,强度提高一倍。 

2) 导电、导热性: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,成绝热体。 能够导电是因为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:的润滑性能取决于鳞片的大小,鳞片越大,摩擦系数越小,润滑性能越好。 

4) 化学稳定性: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:的韧性好,可碾成很薄的薄片。 

6) 抗热震性: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,的体积变化不大,不会产生裂纹。

名字来源:源于希腊文“graphein”,意为“用来写”。由德国化学家和矿物学家A. G. Werner 于1789命名;

化学组成:成分纯净者极少,往往含各种杂质;

类别:自然元素-非金属元素-碳族

晶体特征

晶系和空间群:六方晶系,P63/mmm;

晶胞参数:a0=0.246nm,c0=0.670nm;

典型的层状结构,碳原子成层排列,每个碳与相邻的碳之间等距相连,每一层中的碳按六方环状排列,上下相邻层的碳六方环通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构,位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构。上下两层的碳原子之间距离比同一层内的碳之间的距离大得多(层内C-C间距=0.142nm,层间C-C间距=0.340nm)

形态:单晶体常呈片状或板状,但完整的很少见。集合体通常为鳞片状,块状和土状;

颜色:铁黑色

条痕:光亮黑色

透明度:不透明

光泽:呈半金属光泽

硬度:1-2

解理和断口:平行解理极完全;

比重:2.21-2.26g/cm3

比表面积:5-10m2/g

其他性质:薄片具挠性,有滑感,易污手,具有良好的导电性;

鉴定特征铁黑色,硬度低,一组极完全解理,有滑感和染手;如果将硫酸铜溶液润湿的锌粒放在上,则可析出金属铜的斑点,在与相似的辉钼矿上则无此反应。

与金刚石

提起钻石,人们就会联想到光彩夺目、闪烁耀眼的情景,它随着拥有者的活动而光芒四射。但因它的昂贵价格,大多数人只能望而却步。尽管如此,人们对钻石还是很向往的。你知道钻石是什么吗?它的化学成分是碳(C),天然的钻石是由金刚石经过琢磨后才能称之谓“钻石”。天然的钻石是非常稀少的,世界上重量大于1000克拉(1克=5克拉)的钻石只有2粒,400克拉以上的钻石只有多粒,我国迄今为止发现的大的金刚石重158.786克拉,这就是“常林钻石”。物以稀为贵,正因为可做“钻石“用的天然金刚石很罕见,人们就想“人造“金刚石来代替它,这就自然地想到了金刚石的“孪生“兄弟--了。

金刚石和的化学成分都是碳(C),称“同素异形体”。从这种称呼可以知道它们具有相同的“质”,但“形”或“性”却不同,且有天壤之别,金刚石是目前硬的物质,而却是软的物质之一。

和金刚石的硬度差别如此之大,但人们还是希望能用人工合成方法来获取金刚石,因为自然界中(碳)藏量是很丰富的。但是要使中的碳变成金刚石那样排列的碳,不是那么容易的。在5-6万大气压((5-6)×103MPa)及摄氏1000至2000度高温下,再用金属铁、钴、镍等做催化剂,可使转变成金刚石。

目前世界上已有十几个国家(包括我国)均合成出了金刚石。但这种金刚石因为颗粒很细,主要用途是做磨料,用于切削和地质、石油的钻井用的钻头。当前,世界金刚石的消费中,80%的人造金刚石主要是用于工业,它的产量也远远超过天然金刚石的产量。

初合成的金刚石颗粒呈黑色,0.5mm大小,重约0.1克拉(用于宝石的金刚石一般小不能小于0.1克拉)。现在我国研制的大颗粒金刚石达3mm以上,美国、日本等已制成6.1克拉多的金刚石。我们说金刚石已从中“飞”出,宝石级的人造金刚石也会在不久的将来供应于市场。

熔点比金刚石高

 金刚石的熔点是3550℃,的熔点是3652℃~3697℃(升华)。熔点高于金刚石。 

从片层内部来看,是原子晶体;从片层之间来看,是分子晶体(总体说来,应该是混合型晶体);而金刚石是原子晶体。晶体的熔点反而高于金刚石,似乎不可思议,但晶体片层内共价键的键长是1.42×10-10m,金刚石晶体内共价键的键长是1.55×10-10m。同为共价键,键长越小,键越牢固,破坏它也就越难,也就需要提供更多的能量,故而熔点应该更高。     (主要就是的分子晶体属性导致它的熔点高) 

的用途

1作耐火材料: 及其制品具有耐高温、高强度的性质,在冶金工业中主要用来制造坩埚,在炼钢中常用作钢锭之保护剂,冶金炉的内衬。

2、作导电材料:在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极,垫圈、电话零件,电视机显像管涂层等。

3、作耐磨润滑材料:在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用,而耐磨材料可以在(一) 200~2000 ℃温度中在很高的滑动速度下,不用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备,广泛采用材料制成活塞杯,密封圈和轴承,它们运转时勿需加入润滑油。乳也是许多金属加工(拔丝、拉管)时的良好的润滑剂。

4、具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的,具有耐腐蚀、导热性好,渗透率低等特点,就大量用于制作热交换器,反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、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。

5、作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料:由于的热膨胀系数小,而且能耐急冷急热的变化,可作为玻璃器的铸模,使用后黑色金属得到铸件尺寸准,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,通常用材料制成压模和烧结用的瓷舟。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加工而成的。此外还可作真空冶炼的隔热板和底座,高温电阻炉炉管,棒、板、格棚等元件。

6、用于原子能工业和国防工业:具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中,铀一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,完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的纯度要求很高,杂质含量不应超过几十个 PPM 。特别是其中硼含量应少于 0.5PPM 。在国防工业中还用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。

7、还能防止锅炉结垢,有关单位试验表明,在水中加入一定量的粉(每吨水大约用 4~5 克)能防止锅炉表面结垢。此外涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。

8、可作铅笔芯、颜料、抛光剂。经过特殊加工以后,可以制作各种特殊材料用于有关工业部门。

9、电极,何以能取代铜做为电极? 

20世纪60年代,铜做为电极材料被广泛应用,使用率约占90%,仅有10%左右;21世纪,越来越多的用户开始选择作为电极材料,在欧洲,超过90%以上的电极材料是。铜,这种曾经占统治地位的电极材料,和电极相比它的优势几乎消失殆尽。是什么导致了这个戏剧性的变化?当然是电极的诸多优势。

(1)加工速度更快:通常情况下,的机械加工速度能比铜快2~5倍;而放电加工速度比铜快2~3倍;

材料更不容易变形:在薄筋电极的加工上优势明显;铜的软化点在1000度左右,容易因受热而产生变形;的升华温度为3650度;热膨胀系数仅有铜的1/30。

(2)重量更轻:的密度只有铜的1/5,大型电极进行放电加工时,能有效降低机床(EDM)的负担;更适合于在大型模具上的应用。

(3)放电消耗更小;由于火花油中也含有C原子,在放电加工时,高温导致火花油中的C原子被分解出来,转而在电极的表面形成保护膜,补偿了电极的损耗。

(4)没有毛刺;铜电极在加工完成后,还需手工进行修整以去除毛刺,而加工后没有毛刺,节约了大量成本,同时更容易实现自动化生产;

(5)更容易研磨和抛光;由于的切削阻力只有铜的1/5,更容易进行手工的研磨和抛光;

(6)材料成本更低,价格更稳定;由于近几年铜价上涨,如今各向同性的价格比铜更低,相同体积下,东洋炭素的普遍性产品的价格比铜的价格低30%~60%,并且价格更稳定,短期价格波动非常小。

正是这种无可比拟的优势,逐渐取代铜成为EDM电极的首选材料

新用途: 

随着科学技术的不断发展,人们对也开发了许多新用途。

柔性制品。柔性又称膨胀,是年代开发的一种新的制品。 

年美国研究成功柔性密封材料,解决了原子能阀门泄漏问题,随后德、日、法也开始研制生产。这种产品除具有天然所具有的特性外,还具有特殊的柔性和弹性。

 

因此,是一种理想的密封材料。广泛用于石油化工、原子能等工业领域。国际市场需求量逐年增长。

 

此外,还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂,是制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石、钻石不可缺少的原料。它是一种很好的节能环保材料,美国已用它做为汽车电池。随着现代科学技术和工业的发展,的应用领域还在不断拓宽,已成为高科技领域中新型复合材料的重要原料,在国民经济中具有重要的作用。


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