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礦物簡(jiǎn)介
石墨（英文名稱(chēng)：graphite），分子式：C，分子量：12.01，是元素碳的一種同素異形體，每個(gè)碳原子的周邊連結著(zhù)另外三個(gè)碳原子（排列方式呈蜂巢式的多個(gè)六邊形）以共價(jià)鍵結合，構成共價(jià)分子。由于每個(gè)碳原子均會(huì )放出一個(gè)電子，那些電子能夠自由移動(dòng)，因此石墨屬于導電體。 石墨是其中一種最軟的礦物，它的用途包括制造鉛筆芯和潤滑劑。碳是一種非金屬元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。石墨是在高溫下形成。分布最廣是石墨的變質(zhì)礦床，系由富含有機質(zhì)或碳質(zhì)的沉積巖經(jīng)區域變質(zhì)作用而成，中國山東省萊西市為我國石墨重要產(chǎn)地之一，石墨探明儲量687.11萬(wàn)噸，現保有儲量639.93萬(wàn)噸。另外吉林省磐石市也是石墨產(chǎn)地之一，石墨儲量500 萬(wàn)噸。我國以黑龍江雞西市柳毛為最大的產(chǎn)地。世界上石墨著(zhù)名產(chǎn)地有紐約Ticonderoga，馬達加斯加和Ceylon。
碳是一種很常見(jiàn)的元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。碳單質(zhì)很早就被人認識和利用，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(xué)上自我結合而形成大量化合物，在生物上和商業(yè)上是重要的分子。生物體內大多數分子都含有碳元素。
碳化合物一般從化石燃料中獲得，然后再分離并進(jìn)一步合成出各種生產(chǎn)生活所需的產(chǎn)品，如乙烯、塑料等。
碳的存在形式是多種多樣的，有晶態(tài)單質(zhì)碳如金剛石、石墨；有無(wú)定形碳如煤；有復雜的有機化合物如動(dòng)植物等；碳酸鹽如大理石等。單質(zhì)碳的物理和化學(xué)性質(zhì)取決于它的晶體結構。高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨晶體結構不同，各有各的外觀(guān)、密度、熔點(diǎn)等。
性質(zhì)結構
【結構組成】石墨是碳質(zhì)元素結晶礦物，它的結晶格架為六邊形層狀結構。每一網(wǎng)層間的距離為3.40Å，同一網(wǎng)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(zhì)，它們互為同素異形體。
 石墨分子結構
在石墨晶體中，同層的碳原子以sp2雜化形成共價(jià)鍵，每一個(gè)碳原子以三個(gè)共價(jià)鍵與另外三個(gè)原子相連。六個(gè)碳原子在同一個(gè)平面上形成了正六連連形的環(huán)，伸展成片層結構，這里C-C鍵的鍵長(cháng)皆為142pm，這正好屬于原子晶體的鍵長(cháng)范圍，因此對于同一層來(lái)說(shuō)，它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個(gè)p軌道，它們相互重疊。電子比較自由，相當于金屬中的自由電子，所以石墨能導熱和導電，這正是金屬晶體特征。因此也歸類(lèi)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(lái)的，即層與層之間屬于分子晶體。但是，由于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(diǎn)也很高，化學(xué)性質(zhì)也穩定。
鑒于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。
【理化性質(zhì)】常溫下單質(zhì)碳的化學(xué)性質(zhì)比較穩定，不溶于水、稀酸、稀堿和有機溶劑；不同高溫下與氧反應燃燒，生 成二氧化碳或一氧化碳；在鹵素中只有氟能與單質(zhì)碳直接反應；在加熱下，單質(zhì)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。
石墨質(zhì)軟，黑灰色；有油膩感，可污染紙張。硬度為1～2，沿垂直方向隨雜質(zhì)的增加其硬度可增至3～5。比重為1．9～2．3。比表面積范圍集中在1-20m2/g，在隔絕氧氣條件下，其熔點(diǎn)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(méi)有的，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)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(shí)測定揮發(fā)分和灰分的含量。
石墨與金剛石、碳60、碳納米管、石墨烯等都是碳元素的單質(zhì)，它們互為同素異形體。
【特殊性質(zhì)】石墨由于其特殊結構，而具有如下特殊性質(zhì)：
1、 耐高溫性：石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃，沸點(diǎn)為4250℃，即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹系數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時(shí)，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(guò)鋼、鐵、鉛等金屬材料。導熱系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(gè)碳原子與其他碳原子只形成3個(gè)共價(jià)鍵,每個(gè)碳原子仍然保留1個(gè)自由電子來(lái)傳輸電荷。
3、潤滑性：石墨的潤滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數越小，潤滑性能越好。
4、化學(xué)穩定性：石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩定性，能耐酸、耐堿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(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會(huì )產(chǎn)生裂紋。
【礦物分類(lèi)】石墨的工藝特性主要決定于它的結晶形態(tài)。結晶形態(tài)不同的石墨礦物，具有不同的工業(yè)價(jià)值和用途。工業(yè)上，根據結晶形態(tài)不同，將天然石墨分為三類(lèi)。
1、致密結晶狀石墨
致密結晶狀石墨又叫塊狀石墨。此類(lèi)石墨結晶明顯晶體肉眼可見(jiàn)。顆粒直徑大于0.1毫米，比表面積范圍集中在0.1-1m2/g，晶體排列雜亂無(wú)章，呈致密塊狀構造。這種：石墨的特點(diǎn)是品位很高，一般含碳量為60～65%，有時(shí)達80～98%，但其可塑性和滑膩性不如鱗片石墨好。
2、鱗片石墨
石墨晶體呈鱗片狀；這是在高強度的壓力下變質(zhì)而成的，有大鱗片和細鱗片之分。此類(lèi)石墨礦石的特點(diǎn)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(jīng)過(guò)多磨多選可得高品位石墨精礦。這類(lèi)石墨的可浮性、潤滑性、可塑性均比其他類(lèi)型石墨優(yōu)越；因此它的工業(yè)價(jià)值最大。
3、隱晶質(zhì)石墨
隱晶質(zhì)石墨又稱(chēng)微晶石墨或土狀石墨，這種石墨的晶體直徑一般小于1微米，比表面積范圍集中在1-5m2/g，是微晶石墨的集合體，只有在電子顯微鏡下才能見(jiàn)到晶形。此類(lèi)石墨的特點(diǎn)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。一般應用于鑄造行業(yè)比較多。主要蘊藏在湖南郴州魯塘。隨這石墨提純技術(shù)的提高。土狀石墨應用越來(lái)越廣泛。
用途作用
1、作耐火材料：石墨及其制品具有耐高溫、高強度的性質(zhì)，在冶金工業(yè)中主要用來(lái)制造石墨坩堝，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(yè)上用作制造電極、電刷、碳棒、碳管、水銀正流器的正極，石墨墊圈、電話(huà)零件，電視機顯像管的涂層等。
3、作耐磨潤滑材料：石墨在機械工業(yè)中常作為潤滑劑。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(dòng)速度下，不用潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質(zhì)的設備，廣泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和軸承，它們運轉時(shí)勿需加入潤滑油。石墨乳也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時(shí)的良好的潤滑劑。
4、石墨具有良好的化學(xué)穩定性。經(jīng)過(guò)特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導熱性好，滲透率低等特點(diǎn)，就大量用于制作熱交換器，反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過(guò)濾器、泵設備。廣泛應用于石油化工、濕法冶金、酸堿生產(chǎn)、合成纖維、造紙等工業(yè)部門(mén)，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：由于石墨的熱膨脹系數小，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(jīng)加工或稍作加工就可使用，因而節省了大量金屬。生產(chǎn)硬質(zhì)合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料制成壓模和燒結用的瓷舟。單晶硅的晶體生長(cháng)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、用于原子能工業(yè)和國防工業(yè)：石墨具有良好的中子減速劑用于原子反應堆中，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(dòng)力用的原子能反應堆中的減速材料應當具有高熔點(diǎn)，穩定，耐腐蝕的性能，石墨完全可以滿(mǎn)足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高，雜質(zhì)含量不應超過(guò)幾十個(gè)PPM 。特別是其中硼含量應少于0.5PPM 。在國防工業(yè)中還用石墨制造固體燃料火箭的噴嘴，導彈的鼻錐，宇宙航行設備的零件，隔熱材料和防射線(xiàn)材料。
7、石墨還能防止鍋爐結垢，有關(guān)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。此外石墨涂在金屬煙囪、屋頂、橋梁、管道上可以防腐防銹。
8、石墨可作鉛筆芯、顏料、拋光劑。石墨經(jīng)過(guò)特殊加工以后，可以制作各種特殊材料用于有關(guān)工業(yè)部門(mén)。
9、電極，石墨逐漸取代銅成為EDM電極的首選材料。
10、石墨還是輕工業(yè)中玻璃和造紙的磨光劑和防銹劑，是制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石、鉆石不可缺少的原料。它是一種很好的節能環(huán)保材料，美國已用它做為汽車(chē)電池。隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，石墨的應用領(lǐng)域還在不斷拓寬，已成為高科技領(lǐng)域中新型復合材料的重要原料，在國民經(jīng)濟中具有重要的作用。
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