石墨家族的重要成员—隐晶质石墨

【摘 要】 本文主要介绍天然隐晶质石墨的物理性质、化学性质及其应用水平。当前隐晶质石墨深加工技术较低，为扩大隐晶质石墨应用范围，满足现代工业对隐晶质石墨产品要求，主要向高纯（碳含量达到99.9%以上）和超微细（如小于1μm）方面发展。

【关键词】 隐晶质石墨 深加工 开发应用 性能

石墨最常见于大理岩、片岩或片麻岩中，是有机成因的碳质物变质而成。工业上将石墨矿石分为晶质（鳞片状）石墨矿石和隐晶质（土状）石墨矿石两大类[1-2]。隐晶质石墨矿物成分以石墨为主，主要成分为碳（C），伴生有红柱石、水云母、绢云母及少量黄铁矿、电气石、褐铁矿、方解石等。矿石呈灰黑色、钢灰色，一般光泽暗淡，具有致密块状、土状及层状、页片状构造。隐晶质石墨一般呈微晶集合体，晶体粒径小于1μm，只有在电子显微镜下才能观察到其晶形，碳含量一般为60%～80%，灰分为15%～22%，挥发分为1%～2%，水分为2～7%[3]。

隐晶质石墨是典型的层状结构，碳原子成层排列，晶体结构介于原子晶体、金属晶体和分子晶体之间，是一种属于六方或三方晶系的过渡型晶体的自然元素矿物。在晶体中同层的碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相联，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。层内的碳原子配位数为3，具共价金属键，间距0.142nm，层与层间以分子键相连，间距为0.340nm，此种特殊的晶体结构和化学键性使石墨具有一些特殊的工艺性能[4-6]。隐晶质石墨与晶质石墨因在结晶程度上不同而在物理与化学性能方面存在一定的差异，性能上隐晶质石墨均低于晶质石墨。但是，隐晶质石墨同样具有耐高温、导热、、抗热震性、化学稳定性好等良好性能。

我国隐晶质石墨矿主要集中在湖南、吉林和陕西三省，湖南郴州是隐晶质石墨的集中地，其隐晶质石墨占全国隐晶质石墨矿石储量的75%。隐晶质石墨矿石常常嵌布在粘土中，其原矿品位一般比晶质石墨高，在我国通常都是将开采出来的隐晶质石墨矿石经过简单的手选后直接粉碎成产品。一般流程为：原矿粗碎中碎烘干磨矿分级包装。随着技术的不断发展，普通的隐晶质石墨产品已不能满足各行各业的要求，现代工业对隐晶质石墨产品要求主要向两方面发展：一是要求粉体达到高纯（达到99.9%以上），二是要求颗粒达到超微细[7-8]（如小于1μm或0.5μm）。

我国已在南墅、北墅、柳毛、兴和等石墨选厂建立了石墨提纯和微细粉加工生产线，提纯方法主要是化学提纯。各地的天然石墨所含杂质成分不完全相同，但大致成分却是相似的。这些杂质主要是钾、钠、镁、钙、铝等的硅酸盐矿物，石墨的提纯工艺，就是采取有效的手段除去这部分杂质。目前，国内外提纯石墨的方法主要有浮选法、碱酸法、氢氟酸法、氯化焙烧法、高温法等。其中碱酸法、氢氟酸法与氯化焙烧法属于化学提纯法，高温提纯法属于物理提纯法。在众多提纯石墨的方法中，虽然各有优劣，但碱酸法因生产工艺简单、生产成本较低、废液容易处理等特点而更有优势。碱酸法是利用苛性碱与石墨在700℃下熔融后，经洗涤到中性，再加盐酸处理、洗涤，使石墨含碳量达到98%～99%[9-11]。因此，在解决缩短焙烧和浸矿时间、改善提纯效果、妥善解决废水处理等问题后，碱酸法将不失为工业生产中提纯石墨的最好方法。

此前，由于隐晶质石墨深加工技术水平较低，产品多以原料和初级产品为主，主要应用于如下工业领域，（1）冶金铸造类工业：主要用于石墨坩锅、铸造模具和耐火砖，也用作炼钢的增碳剂。在铸造工艺中，利用石墨的涂敷性、耐火性、性和化学稳定性，作为铸模的涂料，可使铸模耐高温、耐腐蚀、模面光滑、铸件易脱模[11-13]。在高温电炉和高炉的耐火材料中加入石墨，可明显提高其抗热冲击性和抗腐蚀性。（2）电气类工业：石墨主要用于制作电极、电刷、电池及电影机、探照灯发光用的电碳棒、焊接发热用的碳精棒、电炉用的碳管等。（3）其它工业应用：化学工业中利用石墨具抗酸、碱和有机溶剂腐蚀的性能，制造管件、阀门和衬砌材料；轻工业中用石墨作玻璃、造纸的抛光剂，油漆、油墨、橡胶、塑料的填料，铅笔芯。

通过化学或者物理方法提纯后的隐晶质石墨具有许多优异性能，使用范围更加广泛，特别是高科技的开发，使隐晶质石墨材料在耐磨、节能、高速、防腐、超小型等领域中又迈入了一个新的领域，如石墨节能添加剂、石墨镶嵌、石墨高导涂料、石墨印刷电路、导电橡胶等。当今世界上已开发出电子管、通信管、液晶管、摄像管和计时管等专用石墨乳，胶体石墨已成为当代高导、高技术的基础材料，并渗透到各工业应用领域。由于国外对密封材料的无石棉要求，柔性石墨密封材料除了用作一般动、静密封材料外，还广泛用在自动化、宇航、热辐射防护、原子能工业以及火箭发动机的喷嘴上等[14-15]。此外，未来5～10年或再长一些时间，随着石墨烯应用技术的发展和成熟，石墨烯的制备和应用将可能成为一个快速成长的大市场，前景广阔。从目前的研发成果看，天然隐晶质石墨也是很好的制备石墨烯的原料之一。石墨烯材料的产业化，将会是天然隐晶质石墨的又一个大进展。因此，可以预见，隐晶质石墨将在更多领域得到重视和应用。

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