石墨和碳素是不 是同一種物質？

關于石墨和碳素的兩種說法，我們一直會認為是同一種物質，今天，我們來為此說明一些：

石墨和碳素材料簡介

不同高溫下與氧反應，生成二氧化碳或一氧化碳；在鹵素中只有氟能與單質碳直接反應；在加熱下，石墨粉較易被酸氧化；在高溫下，還能與許多金屬反應，生成金屬碳化物，在高溫下可以冶煉金屬。

材料特質

石墨是化學反應很靈敏的物質，在不同的環境里面他的電阻率都會變，也就是他的電阻值會變，但有一點是不會變的，石墨粉是很好的非金屬導電物質之一，只要在絕緣的物體里面保證石墨粉不間斷，像一條細線那樣也會通電的，但是，電阻值是多少，這個數值也沒一個準確的數，因為石墨粉的粗細不一樣，用在不同的材料和環境石墨粉電阻值也會不一樣。石墨由于其特殊結構，而具有如下特殊性質：
1） 耐高溫型：石墨的熔點為3850±50℃，沸點為4250℃，即使經超高溫電弧灼燒，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，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。
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） 化學穩定性：石墨在常溫下有良好的化學穩定性，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕。
5） 可塑性：石墨的韌性好，可連成很薄的薄片。
6） 抗熱震性：石墨在常溫下使用時能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產生裂紋。

應用案例

1、作耐火材料: 石墨及其制品具有耐高溫、高強度的性質，在冶金工業中主要用來制造石墨坩堝，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(一) 200~2000 ℃溫度中在很高的滑動速度下，不用潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質的設備，廣泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和軸承，它們運轉時勿需加入潤滑油。石墨乳也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時的良好的潤滑劑。

石墨的分類

高純亞微米石墨粒子有著非常廣泛的應用領域：電子信息的顯像管、顯示器制造行業的黑底導電涂料、由液晶顯示構成的裝置、傳感器及色分解器上采用的感光性黑色涂膜、平板顯示器中彩色液晶等離子三原色境界部分用于提高發射效果及采色對比度、超細鎢、鉬絲拉制等各種涂料，高級潤滑油及潤滑脂制造業、高性能蓄電池用泡沫鐵鎳制造業以及感光膠片等眾多行業廣泛應用高純亞微米石墨粒子。
高純石墨超微細粉有膠體石墨粉，主要應用于鋼筆專用、粉末冶金專用、潤滑油專用、潤滑脂專用、干電池專用、導電涂料專用、潤滑涂料專用、國防科工委、科研機構的科學研究、民用核電專用、航天航空專用及戰略性電力干擾武器、煙幕屏蔽武器的研制等，我國生產的膠體石墨粉是我國石墨行業的發展行業標兵，部分技術已達國際領先水平。
格蘭粉（密封防粘脂）性能與用途：耐高溫3000攝氏度，耐高壓40KG，用于船舶、飛機、機車、汽車、工程機械及各種大型石油、化工、電業機械的金屬結合面、法蘭聯接部位的密封與防粘。
特種石墨涂料：水基石墨涂料、導電石墨涂料、溶積石墨涂料、內外石墨涂料、拉絲石墨涂料、潤滑石墨涂料、玻纖涂料、電視機石墨涂料及特種涂料、各種非金屬材料、納米級材料生產工藝、設計方案。處理各種防腐設備，承接各種防腐設備處理。品種多樣，規格齊全，產品執行《中華人民共和國國家標準》。 專用機械設計制造各種精細化工設備、各種磨機及配方工藝。

石墨的用途

工業
石墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導熱性好，滲透率低等特點，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、過濾器、泵設備。廣泛應用于石油化工、濕法冶金、酸堿生產、合成纖維、造紙等工業部門，可節省大量的金屬材料。
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，不經加工或稍作加工就可使用，因而節省了大量金屬。生產硬質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。
石墨還能防止鍋爐結垢，有關單位試驗表明，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。
石墨可作鉛筆芯、顏料、拋光劑。石墨經過特殊加工以后，可以制作各種特殊材料用于有關工業部門。
此外，石墨還是輕工業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保材料，美國已用它做為汽車電池。隨著現代科學技術和工業的發展，石墨的應用領域還在不斷拓寬，已成為高科技領域中新型復合材料的重要原料，在國民經濟中具有重要的作用。

國防
用于原子能工業和國防工業: 石墨具有良好的中子減速劑用于原子反應堆中，鈾一石墨反應堆是應用較多的一種原子反應堆。作為動力用的原子能反應堆中的減速材料應當具有高熔點，穩定，耐腐蝕的性能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高，雜質含量不應超過幾十個PPM 。特別是其中硼含量應少于0.5PPM 。在國防工業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，隔熱材料和防射線材料。

石墨導電原理

一般橡膠是絕緣的，如果需要導電那么就需要添加導電物質，石墨粉具有優越的導電性和潤滑脫模性。把石墨加工成石墨粉，具有優良的潤滑，導電性能，石墨粉的純度越高，導電性能越好。很多特種橡膠制品廠需要導電橡膠，那么用石墨粉添加到橡膠里面可以導電嗎？答案是可以的，但是也有一個問題，石墨粉在橡膠中的比例是多少呢？有的企業用的比例是不超過30%，這類的是在耐磨橡膠產品上面的，像汽車輪胎等等，也有特種橡膠廠的比例是100%，這樣的才會導電，導電的基本原則是導電體不能中斷，就像一根電線，如果中間斷了那么也就不會通電了，導電橡膠里面的導電石墨粉就是導體，如果石墨粉被絕緣的橡膠隔斷了，那么也就不導電了，所以石墨粉比例少了導電的效果恐怕也不好。

熱傳導

石墨的熱傳導(heat conduction of graphite)
石墨體內存在溫度梯度時，熱量從高溫處向低溫處的流動。表征石墨導熱能力的參數是熱導率。熱導率入是單位時間內、單位面積上通過的熱量q(熱流密度)與溫度梯度grad T之間的比例系數。
q=–λgrad T
(1)式中負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反。式(1)常稱為熱傳導的傅里葉定律。假如垂直于x軸方向的截面積為ΔS，材料沿x軸方向溫度梯度為dT/dx，在Δτ時間內，沿x軸正方向流過ΔS截面的熱量為ΔQ，在穩定傳熱狀態下，式(1)具有如下的形式：
(2)熱導率的法定單位是W·m·K。對于不穩定傳熱過程，即物體內各處溫度隨時間而變化。與外界無熱交換，本身存在溫度梯度的物體，隨著時間的推移，溫度梯度會趨于零，即熱端溫度不斷降低和冷端溫度不斷升高，最終達到一致的平衡溫度。在這種不穩定傳熱過程中，物體內單位面積上溫度隨時問的變化率為：
(3)式中τ為時間，ρ為密度，cp為質量定壓熱容。λ/ρcp常稱為石墨的熱擴散率或導溫系數，常用單位為cm/s。
熱傳導是通過導熱載體的運動來實現的。石墨的導熱載體有電子、聲子(晶格振動波)、光子等。石墨的熱導率可表示為各種導熱載體的貢獻的迭加：
(4)式中vi、li、ci分別為導熱載體i的運動速度、平均自由程和單位體積的比熱容。石墨的各種導熱載體之間又相互作用、相互制約。例如不同頻率的聲子之間互相碰撞、產生散射，聲子與晶界、點陣缺陷和雜質之間也產生散射，影響其平均自由程。因此，石墨的熱傳導是一個極為復雜的物理過程。理論上準確預測各種石墨的熱導率數值及其隨溫度的變化，雖然有過長期的艱苦工作，但僅取得了有限的成績。粗略地說，在常溫和不太高的溫度下(小于2000K)，聲子熱導率占壓倒優勢，電子及光子的熱導可以忽略不計。在極低溫度下(小于10K)電子熱導才占有一定的分量。光子熱導要在很高的溫度下(2000K以上)才開始出現。石墨的熱導率隨其電導率的增大而升高(見威德曼·弗朗茲定律)。

晶體石墨

單晶
石墨單晶 純凈的天然鱗片石墨、高定向熱解石墨，這些石墨晶體，缺陷較少而且尺寸較大，一般可認為是較完善的石墨單晶。對這類石墨的熱導有過相當多的研究。在壓應力下，經過3000K以上處理的熱解石墨，其體積密度為2.25g/cm，接近單晶的理論密度2.266g/cm，其(002)衍射峰半寬角展只有0.4°(鑲嵌角)，也十分接近于理論值零度。這種石墨的熱導率見表1。這些數值一般認為可代表單晶石墨的相應數值。沿兩個主方向的熱導率：沿層面的記為λa，沿垂直于層面的則記為λc。
在常溫下λa比λc大200倍左右。溫度升高，這個比值有所下降，但仍然很大。所以由微晶組成的多晶石墨，其熱導為微晶層面熱導率λa所控制，λc幾乎可不予考慮。天然鱗片石墨的λa在常溫下為280～500W/(m·K)之間，比值λa/λc在3～5之間，可見其晶體的完善程度遠不如高定向熱解石墨。
晶體結構高度規整的熱解石墨，La在2000nm以上，由低溫到高溫，其導熱率隨溫度的變化呈鐘罩形，見圖1、圖2。
在溫度遠低于石墨晶體層面熱導的特征溫度θλ下：
λa∝exp(–θλ/bT) (5)
式中b約等于2，θλ有時稱做德拜溫度，但與表征熱容的德拜溫度不同(見炭質材料和石墨材料的熱容)。在溫度遠高于θλ時，則有
λa∝T(6)
按式(5)，在低溫下，λa隨溫度T的增高而上升；按式(6)，在高溫下，λa則隨溫度的增高而下降。在低溫和高溫之間，(5)、(6)兩式都起作用，在這兩種作用互相匹敵時，λa達到最大值。這就是形成鐘罩形曲線的原因。
在不太低的溫度下，石墨晶體的導熱載體是聲子，式(3)可簡化為：
λ=γρcVvl (7)式中ρ為密度，cV為質量定容熱容，v為聲子傳播速度，l 為聲子兩次散射或碰撞之間的平均自由程，γ為比例系數。在低溫下，l的大小由晶界散射所制約，l的大小與微晶的尺寸相當。所以λa～T曲線峰值的高度和位置為石墨晶體的尺寸(微晶a向直徑La)所控制。熱解石墨的退火溫度越高，晶體越完善，La隨之增大，因而熱導率λa增高，峰值增大，峰位向低溫側移動(圖3)。
兩種石墨晶體，晶粒a向直徑分別為La.1和La.2，熱導率峰位分別為Tm.1和Tm.2，這些參數之間有如下關系：
(8)提供了一種由熱導率數據估算La的方法。由這種方法得到的La數值與由X光衍射法的大體相當。

熱導橢球
晶體兩個主方向的熱導率為λa和λc，沿任一方向Ф的熱導率為λФ，Ф為這一方向與晶軸c的交角，有
λФ=λasinФ+λccosФ (9)
式(9)pT形象地用以長徑為旋轉軸的一個旋轉橢球來表示(圖4)。橢球的半長徑為λc，半短徑為λa。這一橢球稱為石墨的熱導橢球。在任一方向的熱導率λФ，可由橢球在該方向上的半徑γФ來表示：
λФ=1/γФ(10)
在該方向上的半徑越短，熱導率越大。
多晶石墨
多晶石墨的熱導率為眾多因素所左右：骨料與黏結劑的種類和配比、成型條件、熱處理溫度等制造工藝有顯著的影響；微晶的尺寸與分布、孔隙的數量和形狀等結構因素，其影響尤為突出。不同石墨品種之間，熱導率千差萬別，即使同一種石墨，不同批次之間也有相當大的差異。影響因素雖多，但控制熱導率的基本規律不變。在以聲子熱導為主的溫度區界內，仍為式(7)所表明的規律所控制。
多晶石墨由眾多的微晶組成。多晶石墨的熱導通過微晶的層面傳遞(a向熱導)，因為微晶的λa比λc約大兩個數量級，c向熱導可忽略而不計，如圖6所示。在中等溫度下，微晶的λa主要為兩種散射過程所控制：1.晶界散射所控制的熱導λB，微晶尺寸La越大，λB越大。2.聲子間互相碰撞引起的散射所控制的熱導λu，溫度越高，這種散射越強烈，λu隨溫度的增高而減小。λa、λB、λu之間有如下關系：
1/λa=1/λB+1/λu
(15)在任一方向(x方向)的熱導率λx取決于多晶石墨中微晶的取向和分布。由于熱量傳遞的路徑蜿蜒曲折，微晶之間還可能存在非晶態及不完善的晶態炭素物質，過渡性炭素物質，λx與λa之間的關系中應列入一個校正系數αx，即：
(16)由理論分析，λu隨溫度的變化數據列在表3中。再把不同溫度下熱導率的實測數據與理論式(16)比較，即可得到λB和αx。對一種擠壓成型的核石墨PGA和模壓成型的ZTA石墨，其熱導率的實測值與計算值的對比表示在圖7上。
表3 λu隨溫度的變化

溫度∕K	100	150	200	250	300	350	400	500	600	700	800	900	1000
λu∕W· (cm·K)	391	204	53.6	26.7	20.1	14.9	12.1	9.29	8.00	6.87	6.20	5.61	5.15

熱導率隨溫度而變化的情況，對幾種模壓石墨，分別表示在圖8、圖9上，λ–T曲線都呈鐘罩形。 

 熱導率理論

石墨晶體熱導率的理論，十分繁雜，依靠計算機的幫助取得了不少進展，但還有不少問題有待進一步的探討。茲僅以無缺陷理想石墨晶體的層面熱導率λa為例，把晶格振動波加以量子化，形象地把振動波稱為聲子，振動波是向量，可稱為波矢。波矢的能量和狀態是晶體倒易點陣的函數。整個晶體的倒易點陣可用一個小區域來代表；這一區域叫做布里淵區。只要把聲子在這一區域內的能量和狀態搞清楚，聲子在整個晶體內的情況也就了如指掌了。
石墨晶體的布里淵區是一個六角棱柱體(圖5)。如果只討論石墨晶體層面的熱導率，作為一種簡化模型，只討論聲子在圖5的正六角形面上的運動情況就夠了。這種二維情況使問題大為簡化，處理較為方便。用n代表波數，在[nx，ny]平面上，六角形截面的面積，可用一個半徑為nm的圓面來代表，由圖5得出：
(11)
式(11)中a是石墨一個晶格參數，a=0.246×10cm。nm就是聲子振動的最大波數，即聲子在單位長度上的振動次數。聲子運動速度v與波數n的乘積是聲子的頻率，聲子的能量與頻率成正比。聲子的最大角頻率wm=2πvnm，而2πnm稱為最大角波數，常記為qm。qm=1.55X10cm。
把聲子的運動情況加以分類，每一類稱為一個聲子分支，每一分支給予一個代號。在布里淵區的正六角形層面上有好幾個聲子分支，主要的有3個：縱向分支，最大頻率為37THz，速度為vL=2.36×10cm/s；2.TA，橫向分支，最大頻率為25THz，速度為vT=1.59X10cm/s；3.低TA分支，又稱為彎曲振動分支，最大頻率為14THz，速度為vb=0.53×10cm/s。此外還有折疊LA分支、橫向光學分支TO等，這些非主要分支的頻率都低于4THz，而且與其他分支發生強烈的相互作用，因此小于4THz，即角頻率小于wc=2.5×10S的這些分支，在熱量傳輸中不起什么作用，可以忽略不計。wc稱為聲子角頻率下限。低TA分支的速度與LA、TA相比低很多，也可不予考慮。在這種大為簡化的情況下，只考慮LA、TA這兩個分支，并且只考慮熱導，不涉及熱容。這就是所謂二維聲子氣模型。由此可定義一個德拜速度vD：
(12)由以上列舉的數據得到：德拜速度vD=1.86×10cm/s，聲子最大角頻率wm=vDDqm=2.88x10s。
在熱導載體為聲子所壟斷，即在常溫和不太高的溫度下，理想石墨晶體的層面熱導率為λ，則
(13)式中ρ為理想石墨晶體的密度2.266g/cm，γ為格林愛森系數(見石墨的熱容)，可取γ=2，由此得到
=5.73/T×10 (14)
此式簡捷明了，又顯然為式(6)的T關系提供了理論依據。由此式算得的熱導率與高度完善的高定向熱解石墨實測數值的對比見表2。
實測值與理論值大體相適應，由十分簡化的理論模型得到的結果竟然與實際符合得如此之好。兩者之比平均為0.94，這表明即使如此的石墨晶體，其完善程度與理想晶體相比仍有不足之處。

高熱導石墨

熱導率與密度

早在19世紀中葉，著名物理學家、電磁波理論的創始人J.C.麥克斯韋(Maxwell)。在其名著《電磁波理論》(1873)中就指出：對含有孔隙的材料，設孔隙是以等徑小球的形狀均勻分散在材料中，材料的傳導率(電導或熱導)，從理論上可由下式計算：
(17)
式中P為孔隙率，λ0為無孔(P=0)時的熱導率。此式具有歷史意義。對于石墨，孔隙并非呈球狀，更非等徑，此式當然不適用。但它表明孔隙率越大(即密度越小)，熱導率越小。這一定性結論卻正確無誤。一種擠壓成型的、經過不同浸漬處理的核石墨，在常溫下，其熱導率λ∥隨孔隙率的變化符合如下關系：
λ∥=λ0exp(–bP) (18)
式中λ0=1280W/(m·K)，為無孔隙時的極限熱導率，常數b=7.00。
同一類型的石墨，熱導率隨其密度的增大而上升，圖11表示HDFG同性石墨的λ與密度的關系。
熱處理溫度 多晶石墨大多是由焙燒毛坯經高溫熱處理制成，熱處理溫度越高，微晶的發育越完善，La增大，熱導率也隨之增大。用煅后石油針狀焦及中溫煤瀝青，經擠壓成型做成的焙燒小棒，經不同熱處理(HTT)后，其La的數值見表4。其軸向熱導率λ∥隨溫度變化的情況見圖12。熱導率的倒數1/λ稱為熱阻。在不同熱處理溫度下，這種石墨的軸向熱阻1/λ//與其l/La的關系見圖13。也是用石油焦和中溫煤瀝青做成的另一種擠壓石墨，圖14顯示出其λ∥依賴于La的情況。對于一種模壓石墨，其λ⊥與HTT之間的關系見圖15。
熱擴散系數α 又稱為導溫系數，α=λ/ρcp。(見式(3))。它表征材料在加熱或冷卻過程中，各部分溫度趨向于一致的能力；是在不穩定傳熱過程中，說明溫度變化速度的一個特性參數。材料的導溫系數越高，材料內部溫度的傳播速度越大，材料內的溫差就越小。一種高密度，ρ=1.81g/cm3、各向同性細顆粒石墨EK–98，其α隨溫度的變化情況見圖16上。
熱散逸系數ε 表征石墨材料熱性能的一個綜合參數，與熱導率密切相關，其定義為：
ε=(λcpρ)(19)
在法定單位制中，ε的單位是WS·m·K，它表征材料表面散熱或吸熱能力的大小。EK–98石墨的熱散逸系數隨溫度變化情況示于圖17。
熱導異向度 石墨材料的各向異性在熱導上表現為沿平行對稱軸方向的熱導率λ∥與沿垂直方向的熱導率λ⊥的差異上。一般，對擠壓石墨λ∥>λ⊥，把λ∥/λ⊥這一比值稱為熱導異向度；對模壓石墨，λ⊥>λ∥，則把比值λ⊥/λ∥稱為熱導異向度；即異向度最小為1(同向性)。設沿石墨對稱軸oz的取向參數為Roz，平行與垂直方向的校正參數為γ∥和γ⊥(見石墨的各向異性)則有：
由于微晶的λc/λa<<1，上兩式可約化為
對很多石墨γ∥≈γ⊥，由(21)得到：
這就是著名的由熱導率數據推算取向參數的表達式。例如，對核石墨PGA，由常規的X光衍射法測得的R為0.78，由熱導率數據得到的則為0.77，兩者符合甚好。

發展前景

預計未來十年間，只要整個市場足以支撐，礦業開采和擴充成功的話，石墨粉的產能將繼續呈增長態勢。新增的石墨產能，將彌補當前由于工程失誤導致采礦終致而損失的10萬噸鱗片石墨的產能。據業內人士分析，全球石墨產品研發將在十大領域展開。同時，在原國家建材局制定的作為世界最大的石墨生產國，中國的產量占世界總產量的40%~50%。世界的第二生產國印度，在過去的十多年間，石墨產量占到了15%左右。其他生產國有巴西（7%），墨西哥（6%），朝鮮（占6%）。上述五國的石墨產量總和占到了世界總產量的75%以上。
　　如果今后世界石墨市場環境繼續朝著有利的方向發展，石墨產量還會增加，尤其是巴西、加拿大、中、印度和墨西哥。總量有望增加120000噸。“十五”規劃中提出了石墨深加工的方向的引導下，今后五年我國重點發展的石墨深加工產品是異型碳、氟化石墨、滲硅石墨、顯像管石墨乳、鋰離子電池、碳材料、燃料電池碳材料等。
　　此外，我國石墨深加工產品的生產目 前尚有較大空白，開發工作大有作為。比如，世界上有1000個核電站，我國目 前只有三個，而國家規劃將建23個，其所用的核純石墨基本上全部依賴進口。
目 前，隨著經濟發展的全球化，全球石墨業產品研發將在十大領域展開：
　　1、高性能密封件及制品，世界有100億美元的交易額，最高檔的核反用石墨產品120萬美元/噸。該產品中有四個關鍵技術，插入技術、膨化硫技術、復合增強技術，成型技術。
　　2、高性能導電材料，一是做成層間化合物；二是高性能穩定性；三是工藝修復性。
　　3、電池材料。
　　4、環保材料。
　　5、生物材料。
　　6、隔音隔熱材料。
　　7、防護安全材料。
　　8、屏蔽材料。
　　9、工藝美術材料。
　　10、催化劑。