石墨

石墨（Graphite）是碳的結晶同素異形體，半金屬，天然元素礦物和煤的壹種形式。石墨是標準條件下最穩定的碳形式。因此，它被用於熱化學作為定義碳化合物形成熱的標準狀態。碳的結晶同素異形體，主要用作鉛筆的形式的繪圖材料。它是壹種易碎的物質，由扁平的片狀顆粒組成，隨著藝術家的繪畫，它們被轉移到支撐物的表面（通常是紙張）上，並賦予筆觸壹種微妙的光澤。

自1897年以來已經商業生產的合成石墨由碳化矽獲得。石墨在13世紀初在巴伐利亞首先被挖掘，但是它作為藝術家的媒介的潛力仍然未被開發，直到16世紀中葉在英國坎布裏亞郡Borrowdale發現純石墨。 Borrowdale礦在十五世紀八十年代完全運轉，當時從礦裏取出天然石墨，鋸成片狀，然後成細長的方形桿形成“鉛”，然後用木頭包裝成鉛筆。石墨似乎已經在16世紀首次用於退色，取代鉛筆鉛筆可能來源於鉛筆。

石墨形成不透明的灰色至黑色晶體，呈六角形，平板狀，鱗狀或柄狀，晶體表面具有金屬光澤。然而，塊狀或顆粒狀的聚集體是沈悶的。

碳質材料碳化形成石墨化碳。起始材料是例如褐煤，硬煤，石油和瀝青，還有塑料。在石墨化過程中，通過在排除空氣的情況下加熱至約3000℃，從無定形碳轉變為多晶石墨。

天然石墨的主要類型，每種發生在不同類型的礦床中：
石墨（或片狀石墨）的結晶小片以不連續的六邊形邊緣作為孤立的，平坦的板狀顆粒出現。斷裂時，邊緣可以是不規則的或有棱角的;
無定形石墨：非常細的鱗片狀石墨有時稱為無定形;
塊狀石墨（或脈狀石墨）發生在裂隙脈或裂縫中，並且表現為纖維狀或針狀結晶聚集體的巨大片狀共生，並且可能是來源於熱液。
高度有序的熱解石墨是指在石墨片之間角度差小於1°的石墨。
名稱“石墨纖維”有時用來指碳纖維或碳纖維增強聚合物。

史前石墨的使用可以回顧歐洲悠久的傳統。從意大利北部的中石器中可以看出使用的最初跡象。原料石墨片被用作著色劑，並在墳墓中死亡。對於新石器時代，在波希米亞有許多石墨粘土和石墨陶瓷的文獻。在巴伐利亞，由於大量使用石墨，斯特勞賓格文化在青銅器時代早期尤其引人註目。

在中歐的晚期鐵器時代（Latène時期），石墨經常被用來制造器皿，特別是罐，防火。在此期間進行了壹次大規模的貿易，涵蓋了整個Latène文化的傳播。帕紹和克魯姆毛的礦床在這裏尤為重要。在中歐的凱爾特文化的羅曼·康奎斯特期間崩潰和日耳曼擴張後，需要大約800年的中世紀早期直到斯拉夫東，中歐國家石墨大規模再使用。令人驚訝的是，石墨在亞洲的寫作材料（特別是早年寫的中國）中並沒有扮演什麽角色。

屬性：
結構體：
石墨具有分層的平面結構。單層被稱為石墨烯。在每壹層中，碳原子排列在蜂窩狀晶格中，分離度為0.142nm，平面間距離為0.335nm。飛機中的原子是共價鍵合的，只有四個潛在鍵合點中的三個滿足。第四電子在平面內自由遷移，使石墨導電。但是，它不會在與飛機成直角的方向上傳導。層之間的結合是通過弱範德華鍵，這使得石墨層容易分離或滑過彼此。

兩種已知形式的石墨，α（六邊形）和β（菱形）具有非常相似的物理性質，除了石墨烯層稍微不同。阿爾法石墨可以是平坦的或彎曲的。 α形式可以通過機械處理轉化為β形式，當β形式加熱到1300℃以上時，β形式轉化為α形式。

石墨的聲學和熱學性質是高度各向異性的，因為聲子沿緊密結合的平面快速傳播，但是從壹個平面到另壹個平面傳播較慢。石墨的高熱穩定性以及導電性和導熱性使其在高溫材料加工應用中被廣泛用作電極和耐火材料。然而，在含氧氣氛中，石墨容易在700℃以上的溫度下氧化成二氧化碳。

石墨是壹種電導體，因此可用於弧光燈電極等應用。由於碳層內的大量電子離域（稱為芳香性現象），它可以導電。這些價電子是自由移動的，所以能夠導電。但是，電力主要是在層面內進行的。粉狀石墨的導電特性使其可用作碳麥克風中的壓力傳感器。

石墨和石墨粉在工業應用中具有自潤滑性和幹潤滑性。人們普遍認為，石墨的潤滑特性完全是由於結構中片之間松散的層間藕合。然而，已經表明，在真空環境中（例如在太空中使用的技術中），由於缺氧條件，石墨作為潤滑劑降解。這種觀察導致了這樣的假設：潤滑是由於層之間的流體（例如空氣和水）的存在而自然地從環境吸收的。這壹假設已被駁斥，研究表明，空氣和水不被吸收。最近的研究表明，稱為超潤滑的效果也可以解釋石墨的潤滑性能。石墨的使用受到某些不銹鋼易於點蝕腐蝕的傾向的限制，並促進了不同金屬（由於其導電性）之間的電偶腐蝕。鋁在潮濕環境中也具有腐蝕性。為此，美國空軍禁止將其用作鋁制飛機的潤滑劑，並阻止其在含鋁自動武器中的使用。即使石墨鉛筆標記在鋁部件可能會促進腐蝕。另壹種高溫潤滑劑六方氮化硼具有與石墨相同的分子結構。由於其性質相似，有時也稱為白色石墨。

當大量的晶體缺陷將這些平面結合在壹起時，石墨失去其潤滑性能並成為所謂的熱解石墨。它也是高度各向異性的，並且是反磁性的，因此它會漂浮在強磁體上方的半空中。如果是在1000-1300°C的流化床中制成的，那麽它是各向同性的亂層，用於血液接觸裝置，如機械心臟瓣膜，被稱為熱解碳，並且不是反磁性的。熱解石墨和熱解碳往往是混淆，但是是非常不同的材料。

天然和結晶石墨由於它們的剪切面，脆性和不壹致的機械性能，通常不以純形式用作結構材料。

應用：
天然石墨主要用於耐火材料，電池，煉鋼，膨脹石墨，剎車片，鑄造面板和潤滑油。石墨烯天然存在於石墨中，具有獨特的物理性質，是已知最強的物質。但是，從石墨中分離的過程需要更多的技術發展。

耐火材料：
石墨作為耐火材料的使用始於1900年前，石墨坩堝用來盛放熔融金屬;這現在是耐火材料的壹小部分。在二十世紀八十年代中期，碳鎂磚變得重要起來，稍後氧化鋁石墨成形。截至2017年，重要的順序是：氧化鋁 - 石墨形狀，碳 - 菱鎂礦磚，單片（噴射和搗打料混合物），然後坩堝。

坩堝開始使用非常大的片狀石墨，而碳鎂磚不需要太大的片狀石墨;對於這些和其他現在，在所需的片狀物尺寸上具有更大的靈活性，並且非晶態石墨不再限於低端耐火材料。氧化鋁 - 石墨形狀被用作諸如噴嘴和槽的連續鑄造件，以將鋼水從鋼包輸送到鑄模，以及碳質菱鎂磚線鋼轉爐和電弧爐以承受極端溫度。石墨塊也用於石墨的高導熱性至關重要的高爐爐襯部分。高純度單體經常被用作連續爐襯而不是碳鎂磚。

美國和歐洲耐火材料行業在2000 - 2003年出現了危機，鋼材市場冷淡，每噸鋼鐵耐火材料消費下降，企業並購和許多工廠關閉。 RHI AG收購了Harbison-Walker耐火材料後，許多工廠關閉，壹些工廠的設備被拍賣。由於許多損失的能力是用於碳鎂磚，耐火材料區域內的石墨消耗向著氧化鋁 - 石墨形狀和單體而遠離磚。碳鎂磚的主要來源是從中國進口。幾乎所有上述耐火材料都用於制造鋼鐵，占耐火材料消耗量的75％其余的則被各種行業如水泥所使用。

根據美國地質調查局的數據，2010年美國耐火材料天然石墨消費量為12,500噸。

電池：
石墨在電池中的使用在過去的30年裏壹直在增加。天然和合成石墨被用來構建所有主要電池技術的陽極。鋰離子電池的使用量大約是碳酸鋰的兩倍。

20世紀80年代末和90年代初期，對電池（主要是鎳氫電池和鋰離子電池）的需求導致了石墨需求的增長。便攜式電子產品（如便攜式CD播放器和電動工具）推動了這壹增長。筆記本電腦，手機，平板電腦和智能手機產品增加了對電池的需求。預計電動車電池將增加石墨需求。舉例來說，全電日產Leaf中的鋰離子電池含有近40千克的石墨。

煉鋼：
盡管天然石墨可以用來潤滑用於擠出熱鋼的模具，但是這種用途中的天然石墨大多在鋼水中進行碳化。提供碳養殖者是非常有競爭力的，因此受到人造石墨粉，石油焦和其他形式的碳等替代品的削價定價。增加壹個碳提升器來增加鋼的碳含量到指定的水平。根據美國地調局美國石墨消費量統計數據估算，2005年這種方式使用了10500噸。

剎車片：
天然無定形和細鱗片石墨用於較重（非汽車）車輛的制動襯片或制動蹄片，並且變得重要且需要替代石棉。這種用途在很長時間以來壹直很重要，但是非石棉有機（NAO）組合物開始降低石墨的市場份額。剎車片行業的壹些關閉工廠倒閉並沒有好處，也沒有壹個冷漠的汽車市場。根據美國地質調查局的數據，2005年美國天然石墨制動片的消耗量為6510噸。

鑄造塗料和潤滑劑：
面向鑄模的鑄造廠是壹種無定形或細片狀石墨的水基塗料。在模具內部塗上壹層，讓其幹燥後留下壹層細小的石墨塗層，這樣可以方便在熱金屬冷卻後鑄造物體的分離。石墨潤滑劑是在極高或極低溫度下使用的專用產品，如鍛模潤滑劑，防粘劑，礦山機械齒輪潤滑劑和潤滑鎖具。具有低砂粒石墨，甚至更好的無砂粒石墨（超高純度）是非常理想的。它可以作為幹粉，在水或油中，或作為膠體石墨（在液體中的永久懸浮液）使用。根據USGS石墨消費量統計數據估算，2005年這種方式使用了2200噸。

鉛筆：
德國礦物學家亞伯拉罕·戈特洛布·維爾納（Abraham Gottlob Werner）於1789年給出了在紙和其他物體上留下痕跡的能力。它源於graphein，意思是寫在古希臘文中。

從十六世紀開始，所有的鉛筆都是用英國天然石墨鉛制成的，但是現代的鉛筆鉛最常見的是粉狀石墨和粘土的混合物;它是由尼古拉 - 雅克·孔戴（Nicolas-JacquesConté）於1795年發明的。它與金屬鉛化學上無關，而金屬鉛的外觀相似，因此名稱延續。石墨是天然石墨用於繪畫的另壹個較早的術語，通常是沒有木質外殼的礦物塊。 “石墨繪畫”壹詞通常限於17世紀和18世紀的作品，主要是肖像。

今天，鉛筆仍然是壹個小而重要的天然石墨市場。 2011年生產的110萬噸中，約有7％用於制造鉛筆。低質量的非晶石墨主要來自中國。

膨脹石墨：
膨脹石墨是通過將天然鱗片石墨浸入鉻酸浴中，然後將濃硫酸浸入，使晶格面分開，從而使石墨膨脹。膨脹石墨可用於制造石墨箔或直接用作“熱頂”復合物，以將鋼水或紅熱鋼錠中的熔融金屬隔離並減少熱損失，或作為安裝在防火門周圍或金屬板領上的止火器周圍的塑料管（發生火災時，石墨膨脹和起火以防止火焰的滲透和擴散），或制造高性能的高性能墊片材料。在制成石墨箔之後，將箔片加工並組裝到燃料電池中的雙極板中。鋁箔被制成用於筆記本電腦的散熱片，使它們在保持冷卻的同時減輕重量，並被制成可用於閥門填料或制成墊圈的箔層壓板。老式包裝現在是這種分組中的次要成員：用於要求耐熱性的用途的油或油脂中的細片狀石墨。 GAN對目前美國天然石墨消費量的估計為7500噸。

插層石墨：
石墨與某些金屬和小分子形成插層化合物。在這些化合物中，主體分子或原子被“夾在”石墨層之間，導致壹種具有可變化學計量的化合物。插層化合物的壹個突出例子是鉀石墨，由式KC8表示。石墨插層化合物是超導體。最高轉變溫度（截至2009年6月）Tc = 11.5 K是在CaC6中實現的，並且在施加的壓力下（在8 GPa時為15.1 K）進壹步增加。

合成石墨：
發明合成石墨的方法：
1893年，Le Carbone的Charles Street發現了壹種制造人造石墨的工藝。另壹個制造人造石墨的工藝是Edward Goodrich Acheson（1856-1931）偶然發明的。在1890年代中期，艾奇遜發現過熱碳化矽生產幾乎純石墨。在研究高溫對碳化矽的影響時，他發現矽在約4,150℃（7500°F）蒸發，碳留在石墨碳中。這種石墨是他的另壹個重要發現，作為壹種潤滑劑，它變得非常有價值和有用。

1896年，艾奇遜因其合成石墨方法獲得專利，並於1897年開始商業化生產。艾奇遜石墨有限公司成立於1899年。

科學研究：
高定向熱解石墨（HOPG）是最高質量的石墨合成形式。它被用於科學研究，特別是作為掃描探針顯微鏡的掃描儀校準的長度標準。

電極：
石墨電極在絕大多數鋼鐵電爐的電弧爐中傳送熔化廢鐵和鋼的電力，有時還帶有直接還原鐵（DRI）。與煤焦油瀝青混合後，由石油焦制成。然後將它們擠出成型，烘烤以使粘合劑（瀝青）碳化，最後通過將其加熱至接近3000℃的碳原子排列成石墨的溫度來進行石墨化。它們的尺寸可以長到11英尺長，直徑30英寸。全球鋼鐵使用電弧爐的比例越來越高，電弧爐本身的效率越來越高，每噸電極的鋼材就越多。根據USGS數據估算，2005年石墨電極消耗量為19.7萬噸。

電解鋁冶煉也使用石墨碳電極。在小得多的規模上，人造石墨電極被用於放電加工（EDM），通常用於制造塑料的註塑模具。

粉末和廢料：
這種粉末是通過加熱高於石墨化溫度的石油焦炭制成的，有時只是稍作修改。石墨廢料來自不可用的電極材料碎片（在制造階段或使用後）和車床車削，通常在粉碎和上漿之後。大多數合成石墨粉在鋼中進行碳養（與天然石墨競爭），有些用於電池和剎車片。據USGS統計，2001年美國合成石墨粉和廢鋼產量為9.5萬噸（最新數據）。

中子主持人：
主要文章：核石墨
Gilsocarbon等特種合成石墨也可用作核反應堆內的基體和中子慢化劑。其低中子截面也推薦用於擬議的聚變反應堆。必須註意的是，反應堆級石墨不含中子吸收材料，例如硼，廣泛用作商業石墨沈積系統中的種子電極 - 這導致了德國人第二次世界大戰石墨基核反應堆的失敗。由於他們不能孤立的困難，他們不得不使用更昂貴的重水版主。用於核反應堆的石墨通常被稱為核石墨。

其他用途：
石墨（碳）纖維和碳納米管也用於碳纖維增強塑料，以及耐熱復合材料如增強碳 - 碳（RCC）。碳纖維石墨復合材料制成的商業結構包括釣魚竿，高爾夫球桿軸，自行車車架，跑車車身面板，波音787夢幻客機的機身和遊泳池球桿等，並已成功應用於鋼筋混凝土中，碳纖維的力學性能石墨增強塑料復合材料和灰鑄鐵受石墨在這些材料中的作用的強烈影響。在這種情況下，術語“（100％）石墨”通常被粗略地用於指碳增強物和樹脂的純混合物，而術語“復合物”用於具有附加成分的復合材料。

現代無煙粉末塗有石墨以防止靜電累積。

石墨已被用於至少三種雷達吸收材料。在Sumpf和Schornsteinfeger用橡皮艇與U型潛水艇上的橡膠混合，以減少雷達的橫截面。早期的F-117 Nighthawk（1983）也用於瓷磚。

石墨開采和回收：
石墨是由露天采礦和地下采礦方法開采的。石墨通常需要選礦。這可以通過手工采摘矸石（巖石）和手工篩選產品或通過壓碎巖石並漂浮石墨來進行。通過浮選的選礦遇到了石墨非常軟的困難，並且“標記”（塗覆）了脈石顆粒。這使得“標記的”脈石顆粒隨著石墨浮起，產生不純的濃縮物。有兩種獲得商業濃縮物或產品的方法：重復研磨和漂浮（最多七次）以純化濃縮物，或通過用氫氟酸（用於矽酸鹽脈石）或鹽酸（用於溶解）脈石酸浸（溶解）碳酸鹽矸石）。

在研磨中，進入的石墨產品和濃縮物可以在分類（篩分尺寸或篩選）之前被研磨，其中仔細保存較粗的片狀粒度（小於8目，8-20目，20-50目），然後碳含量是確定的。壹些標準混合物可以從不同的部分制備，每個部分具有壹定的片狀大小分布和碳含量。自定義混合也可以為個別客戶誰想要壹定​​的片狀大小分布和碳含量。如果薄片尺寸不重要，濃縮物可以更自由地研磨。典型的最終產品包括用作石油鉆井泥漿和鑄造模具塗層的精細粉末，鋼鐵工業的增碳劑（合成石墨粉末和粉狀石油焦炭也可用作增碳劑）。石墨廠的環境影響包括空氣汙染，包括工人的細微顆粒暴露，以及粉末溢出造成的土壤汙染，導致土壤重金屬汙染。

回收石墨最常見的方式是在人造石墨電極被制造出來並且碎片被切斷或者車屑被丟棄，或者電極（或者其他）被壹直使用到電極保持器中時發生。壹個新的電極取代了舊的電極，但仍然保留了壹個相當大的舊電極。這是粉碎和大小，所產生的石墨粉大多用於提高鋼水的碳含量。含石墨的耐火材料有時也被再循環，但通常不是因為它們的石墨：最大量的物品，例如含有15-25％石墨的碳 - 菱鎂磚，通常含有太少的石墨。然而，壹些回收的碳鎂磚被用作爐修材料的基礎，並且在爐渣調節器中也使用粉碎的碳鎂磚。雖然坩堝的石墨含量很高，但坩堝的使用量和回收量都很小。

與天然鱗片石墨非常相似的高質量鱗片石墨產品可以由煉鋼基地制成。基什（Kish）是壹個大量的近熔融廢物，從鐵水餵入堿性氧氣爐中，由石墨（從過飽和鐵中沈澱出來），富含石灰的爐渣和壹些鐵的混合物組成。鐵在現場回收，留下石墨和爐渣的混合物。最好的回收工藝使用水力分級（利用水流來分離礦物，通過比重：石墨輕，最後沈降），以獲得70％的石墨粗精礦。用鹽酸浸出該濃縮物得到95目的石墨產品，其片狀大小從10目下降。