石墨材料的分類及應(yīng)用

石墨材料是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，目前遇到發(fā)展的極好機(jī)遇，也面臨著許多問題和挑戰(zhàn)。當(dāng)前，石墨烯產(chǎn)業(yè)、鋰離子電池產(chǎn)業(yè)及光伏產(chǎn)業(yè)等新材料、新能源行業(yè)的快速發(fā)展，促進(jìn)了對石墨、炭素產(chǎn)品的需求。

石墨制品及材料：天然織晶鱗片石墨、高功率石墨電極、特種石墨、石墨電極、石墨陽極板、中高碳石墨、高純石墨、可膨脹石墨、改性石墨、柔性石墨、鋰離子電池球化石墨、石墨結(jié)晶器 、石墨紙?zhí)盍檄h(huán)、石墨坩鍋、石墨鹽酸合成爐、石墨換熱器、石墨發(fā)熱體、石墨軸承、石墨粉、石墨電極預(yù)焙陽極、石墨電極、電爐炭塊、高爐炭塊、鋁電解炭塊、浸漬石墨電極、超高功率石墨電極、結(jié)晶器發(fā)熱體、可阻燃石墨材料、石墨模具等。

石墨烯粉體材料：氧化還原大規(guī)模制備石墨烯粉體，液相剝離制備石墨烯納米片或石墨烯微片，石墨烯量子點(diǎn)，氧化石墨烯溶液，石墨烯溶液，活化石墨烯，多孔石墨烯，功能化石墨烯，氧化石墨烯紙，石墨烯海綿，石墨烯氣凝膠等；石墨烯薄膜：銅/鎳/鉑等表面CVD制備單層和多層石墨烯，石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)，石墨烯電化學(xué)剝離，石墨烯薄膜的摻雜，石墨烯薄膜生長CVD設(shè)備，石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移設(shè)備，石墨烯薄膜的低溫生長設(shè)備。

炭素制品及材料：石墨電極、電爐炭塊、鋁用炭塊、陽極糊、電極糊、密閉糊、炭電極、側(cè)炭塊、炭素制品、炭精棒、增炭劑、洗精煤、電煅煤、普煅煤、碳陽極、半石墨化陰極碳塊、電解用預(yù)焙陽極、高功電爐半導(dǎo)體加熱系統(tǒng)、炭纖維、炭布、炭帶、炭繩、炭氈、碳石墨金剛石燒結(jié)模具等。

石墨的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

石墨是重要的戰(zhàn)略礦物，具有金屬和非金屬兩種特性：比如石墨的金屬特性是熱電的良好導(dǎo)體，非金屬特性是耐高溫，具有高熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰性和潤滑性，其用途十分廣泛。目前，各國主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

1 耐火材料

在冶金工業(yè)中，作耐火材料，用作鋼錠保護(hù)劑。由于石墨及其制品具有耐高溫、強(qiáng)度高的性質(zhì)，在冶金工業(yè)中用來制造石墨坩堝，煉鋼爐襯里、保護(hù)渣及連鑄等。

2 冶金鑄造工業(yè)

鋼鐵和鑄造：石墨用于煉鋼工業(yè)的增碳劑。 在鑄造方面，石墨用于鑄造、翻砂、壓模材料：由于石墨的熱膨脹系數(shù)小，使用石墨作鑄模涂料，使鑄件尺寸精確，表面光潔，減少鑄件的裂紋和孔隙，成品率高。另外，石墨用于生產(chǎn)粉末冶金、超硬合金；生產(chǎn)碳素制品等。

3 化學(xué)工業(yè)

石墨具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導(dǎo)熱性好、滲透率低等特點(diǎn)，利用石墨制作石墨管道，可以保證化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行，可以滿足制造高純化 學(xué)物品的需要。

4 電氣電子工業(yè)

用于生產(chǎn)微粉石墨電極、電刷、電池、鋰電池、燃料電池的正極導(dǎo)電材料、陽極板、電棒、碳管、石墨墊圈、電話零件、整流器的正極、電磁屏蔽的導(dǎo)電塑料、換熱器元件以及電視機(jī)顯像管的涂層等。其中以石墨電極應(yīng)用最廣，用于冶煉各種合金；此外，石墨用于電解金屬鎂、鋁等的電解槽的陰極。

目前氟化石墨大量用于高能電池材料，特別 是CF0.5-0.99的氟化石墨最適合做高能電池的陽極材料，并使電池小型化。

我國已經(jīng)引進(jìn)顯像管石墨乳和柔性石墨紙生產(chǎn)線；而且近年來，在石墨深加工、微粉石墨、氟化石墨和超微細(xì)石墨的生產(chǎn)及石墨制品方面有了很大進(jìn)展。

5 原子能、宇航和國防工業(yè)

石墨具有高熔點(diǎn)、穩(wěn)定、耐腐蝕以及良好的抗α—射線和使中子減速性能，用于核工業(yè)方面的石墨材料叫核石墨。有原子反應(yīng)堆用中子減速劑、反射劑、生產(chǎn)同位素用的熱柱石墨、高溫氣冷堆用的球狀石墨、核反應(yīng)堆熱構(gòu)件密封 墊片和堆體砌塊等。

石墨用于熱中子反應(yīng)堆，也有希望用于聚變堆，在熱中子反應(yīng)堆中可作為燃料區(qū)的中子慢化劑、燃料區(qū)周圍的反射層材料，以及堆芯內(nèi)部的結(jié)構(gòu)材料。

另外，石墨還用于制造遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或者航天火箭推進(jìn)器的材料，宇宙航行設(shè)備的零件，隔熱材料和防射線材料，制造固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管喉襯等，用于生產(chǎn)航空電刷，以及航天器上的直流電機(jī)以及宇航設(shè)備零件、人造衛(wèi)星上無線電連接信號和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)材料；在國防工業(yè)方面，可用于制造新型潛艇的軸承，生產(chǎn)國防用高純石墨、石墨炸彈、隱形飛機(jī)和導(dǎo)彈的鼻錐等。特別是石墨炸彈可癱瘓變電站及其他大型電器的運(yùn)行，并有極大的氣象影響作用，可用于軍事目的。

6 機(jī)械工業(yè)

石墨廣泛用于生產(chǎn)汽車剎車襯里等部件以及機(jī)械工業(yè)耐高溫的潤滑劑；石墨在加工成膠體石墨和氟化石墨后，在機(jī)械工業(yè)中如飛機(jī)、輪船、火車、汽車等高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械中，常用作固體潤滑劑。

7 石墨產(chǎn)品及用途

（1）鎂碳磚

在冶金工業(yè)中，鱗片石墨被大量的用在生產(chǎn)石墨坩堝和鎂碳磚。

鎂碳磚對石墨的質(zhì)量指標(biāo)要求一般包括粒度（目）、固定碳、灰分、揮發(fā)份、水分。高質(zhì)量的耐火磚趨向于使用含碳量高和性能優(yōu)于土狀石墨的鱗片石墨，含碳量為90%～ 97％的中碳和高碳產(chǎn)品，粒度﹣80～+200目。發(fā)展趨勢是使用更細(xì)的粒度級別和含碳量高的鱗片石墨。提高石墨的純度，即提高了鎂碳磚中石墨的添加量，可以提高鎂碳磚的強(qiáng)度和抗氧化能力。

（2）石墨坩堝

石墨坩堝在冶金工業(yè)上的應(yīng)用有著較長的歷史，是采用天然大鱗片石墨和優(yōu)質(zhì)碳化硅為原料，以黏土或炭質(zhì)為結(jié)合劑加工而成，其中石墨在坩堝原料配方中的比例占到 40％～50％之間。

（3）高純石墨

純度上通常要達(dá)到高純度，如科技部“新材料及新材料產(chǎn)業(yè)界定標(biāo)準(zhǔn)”（討論稿）中，高純石墨材料對天然石墨材料而言，鱗片石墨為C≥99.9%。某些特殊領(lǐng)域如用于核能、半導(dǎo)體等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的，則要99.99%甚至更高。

（4）柔性石墨

柔性石墨由于具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐低溫，耐腐蝕，耐輻射，導(dǎo)電，導(dǎo)熱，安全無毒，且具有良好的柔韌性、自粘性和潤滑性，目前已廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等領(lǐng)域。

在柔性石墨密封材料上與國際水平的主要差距是高檔產(chǎn)品少，品牌效益差，不同企業(yè)產(chǎn)品良莠不齊。發(fā)達(dá)國家對不同用途的柔性石墨有不同的品牌、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如通用級、 核能級、緩蝕級、高純級等。而國產(chǎn)材料缺乏明確的質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這與市場研究不夠有關(guān)。

（5）可膨脹石墨

小顆粒的可膨脹石墨用于生產(chǎn)阻燃涂料；高起始膨脹溫度的石墨用于工程塑料和橡膠的阻燃；低起始膨脹溫度的石墨用于生產(chǎn)防火密封條；微膨脹石墨作為高能電池材料。

（6）膠體石墨

廣泛用于導(dǎo)電、電磁屏蔽、抗靜電、鍛造、鑄造、拉絲、潤滑、仿佛、密封、絲網(wǎng)印刷線路、彩色顯示器制造等領(lǐng)域。

（7）鋰離子電池負(fù)極材料

鋰離子電池的負(fù)極材料目前成熟應(yīng)用的主要是碳石墨材料，其他負(fù)極材料基本還處于實(shí)驗(yàn)室階段，近期不可能大規(guī)模使用。

天然鱗片石墨要作為鋰離子電池的負(fù)極材料，要經(jīng)過顆粒球化及表面包覆處理。球化技術(shù)主要是利用專門的粉碎整形設(shè)備，使不規(guī)則的石墨微粒通過氣流沖擊下的相互碰撞，發(fā)生卷曲和包裹作用，使顆粒成為球形或近似球形，即通常所稱的球形石墨。球形石墨具有較小的比表面積及堆積時(shí)容易達(dá)到取向均勻，從而提高材料性能。表面包覆 技術(shù)主要針對天然石墨顆粒表面活性點(diǎn)較多，易與電解液發(fā)生副反應(yīng)的缺點(diǎn)，在石墨微粒表面覆蓋很薄的一層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的無定形碳，從而達(dá)到提高穩(wěn)定性的目的。

（8）各向同性石墨材料

各向同性石墨材料（核石墨）產(chǎn)品是指以天然石墨和石油焦為主要原料的等靜壓成型的細(xì)結(jié)構(gòu)和超細(xì)結(jié)構(gòu)石墨，產(chǎn)品為塊體狀的人工石墨制品。其產(chǎn)品主要為：高溫氣冷堆用石墨反射塊、高溫氣冷堆球狀反應(yīng)堆用石墨球、核級石墨墊片、高溫氣冷堆用電極石墨粉。

（9）高導(dǎo)熱石墨材料

高功率密度電子器件和高端電子工業(yè)器件等逐漸小型化、結(jié)構(gòu)緊湊化、高功率密度化引發(fā)了散熱問題對器件的工作穩(wěn)定性和可靠性提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，從而對其運(yùn)行過程中 產(chǎn)生的熱量強(qiáng)化導(dǎo)出與放散提出了更高的要求。目前一般的散熱材料所使用的散熱片基材幾乎都是鋁合金，由于其自身導(dǎo)熱系數(shù)（237W/m·K）的局限性，已很難滿足要求，且該類材料質(zhì)量較重、熱膨脹系數(shù)也較大，從而大大地限制其作為電子器件封裝散熱材料的廣泛使用。鑒于此，研究和開發(fā)導(dǎo)熱率高、輕質(zhì)和良好的熱穩(wěn)定性的新型材料 對于實(shí)現(xiàn)部件的小型化、裝置輕量化和運(yùn)行高效化具有重 要的意義。

高導(dǎo)熱石墨材料的研發(fā)成功為高功率電子器件散熱問題的解決提供了最有效的途徑。由于該類材料質(zhì)量輕（僅為傳統(tǒng)金屬導(dǎo)熱材料的1/2~1/5），導(dǎo)熱率高，耐腐蝕，熱膨脹 系數(shù)小，在前述需散熱的器件上取代傳統(tǒng)金屬材料，不僅有利于電子器件的小型化、微型化和高功率密度化，而且可以有效地減輕器件的重量，增加有效載荷；同時(shí)用于我國的高端電子器件設(shè)備，亦可高效散熱、使用安全、壽命長（主要是其抗腐蝕和氧化能力強(qiáng)）。

（10）鑄造工業(yè)用石墨

用石墨作鑄模涂料，增加鑄件的光滑度，減少鑄件的裂紋和孔隙。對石墨原料的要求一般粒度74μm，含碳量為70%～80％。

（11）電氣工業(yè)用石墨

利用石墨制作電極、電刷、碳棒、碳管、陽極板、石墨墊圈、鋰離子動(dòng)力電池等。對石墨原料的要求為粒度43μm，含碳94%～97％。

（12）氟化石墨

氟化石墨是（C2F）n、（CF）n的 10μm-12μm 超細(xì)粉體材料，主要生產(chǎn)和消費(fèi)國是發(fā)達(dá)國家，如：日本、美國、俄羅斯、法國、德國。主要用途：固體潤滑劑、氟化玻璃脫模劑、高能電池材料、氟石墨纖維材料、計(jì)算機(jī)與集成電路存儲器材料。