石墨的用途及特性

石墨的用途 1 作耐火材料 石墨及其制品具有耐高温 高强度的性质 在冶金工业中主要 用来制造石墨坩埚 在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂 冶金炉的内衬 2 作导电材料 在电气工业上用作制造电极 电刷 碳棒 碳管 水银正流器 的正极 石墨垫圈 电话零件 电视机显像管的涂层等 3 作耐磨润滑材料 石墨在机械工业中常作为润滑剂 润滑油往往不能在高速 高温 高压的条件下使用 而石墨耐磨材料可以在 200 2000 温度中在很高 的滑动速度下 不用润滑油工作 许多输送腐蚀介质的设备 广泛采用石墨材 料制成活塞杯 密封圈和轴承 它们运转时勿需加入润滑油 石墨乳也是许多 金属加工 拔丝 拉管 时的良好的润滑剂 4 石墨具有良好的化学稳定性 经过特殊加工的石墨 具有耐腐蚀 导热性好 渗透率低等特点 就大量用于制作热交换器 反应槽 凝缩器 燃烧塔 吸收 塔 冷却器 加热器 过滤器 泵设备 广泛应用于石油化工 湿法冶金 酸 碱生产 合成纤维 造纸等工业部门 可节省大量的金属材料 5 作铸造 翻砂 压模及高温冶金材料 由于石墨的热膨胀系数小 而且能耐 急冷急热的变化 可作为玻璃器的铸模 使用石墨后黑色金属得到铸件尺寸精 确 表面光洁成品率高 不经加工或稍作加工就可使用 因而节省了大量金属 生产硬质合金等粉末冶金工艺 通常用石墨材料制成压模和烧结用的瓷舟 单 晶硅的晶体生长坩埚 区域精炼容器 支架夹具 感应加热器等都是用高纯石 墨加工而成的 此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座 高温电阻炉炉 管 棒 板 格棚等元件 6 用于原子能工业和国防工业 石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中 铀一石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆 作为动力用的原子能反应 堆中的减速材料应当具有高熔点 稳定 耐腐蚀的性能 石墨完全可以满足上 述要求 作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高 杂质含量不应超过几十个 PPM 特别是其中硼含量应少于 0 5PPM 在国防工业中还用石墨制造固体燃 料火箭的喷嘴 导弹的鼻锥 宇宙航行设备的零件 隔热材料和防射线材料 7 石墨还能防止锅炉结垢 有关单位试验表明 在水中加入一定量的石墨粉 每吨水大约用 4 5 克 能防止锅炉表面结垢 此外石墨涂在金属烟囱 屋顶 桥梁 管道上可以防腐防锈 8 石墨可作铅笔芯 颜料 抛光剂 石墨经过特殊加工以后 可以制作各种特 殊材料用于有关工业部门 9 电极 石墨何以能取代铜做为电极 石墨的用途及特性 一 石墨及石墨行业 石墨是在高温下形成 分布最广是石墨的变质矿床 系由富含有机质或碳质的 沉积岩经区域变质作用而成 石墨或石墨制品在工业上用途很广 用于制作冶炼 上的高温坩埚 机械工业的润滑剂 制作电极和铅笔芯 石墨或石墨制品广泛用 于冶金工业的高级耐火材料与涂料 军事工业火工材料安定剂 轻工业的铅笔 芯 电气工业的碳刷 电池工业的电极 化肥工业催化剂等 鳞片石墨经过深 加工 又可生产出石墨乳 石墨密封材料与复合材料 石墨制品 石墨减磨添 加剂等高新技术石墨产品 石墨或石墨制品成为各个工业部门的重要非金属矿 物原料 世界石墨或石墨制品产量的绝大部分消费都集中在日本 美国 德国和英国等 工业发达国家 这些国家每年的石墨或石墨制品消费量约占世界总消费量的 30 左 右 在过去的几年中 世界石墨或石墨制品的消费量一直保持相对稳定 石墨 或石墨制品主要消费领域为 耐火材料占总消费量的 26 铸造 15 润滑剂 14 制动衬片 13 铅笔 7 其他 碳刷 电池 膨胀石墨等 25 从目前形 势看 近期内石墨或石墨制品尚难有大的 新的应用领域 因此 国际市场对 石墨或石墨制品的需求不会有太大的增长 中国是世界上最大天然石墨生产国 2008 年石墨生产达到 165 万吨 中国的生 产约占世界石墨或石墨总产量的 55 除天然石墨外 世界许多国家还生产人 造石墨 2008 年的石墨产量比 2007 年的 150 多万吨 增加 12 多万吨 约增加 8 对石墨行业来讲 是一次大的发展 鳞片状石墨矿石结晶较好 晶体粒径大于 1mm 一般为 0 05 1 5mm 大的可达 5 10mm 多呈集合体 石墨矿石品位较低 一般为 3 13 5 伴生的矿物有云 母 长石 石英 透闪石 透辉石 石榴石和少量硫铁矿 方解石等 有时还 伴有金红石 钒云母等有用组分 鳞片石墨矿石按其所赋存岩石的岩性不同 分片麻岩型 片岩型 透辉岩型 变粒岩型 混合岩型 大理岩型及花岗岩型 等七种 前六种矿石类型产于区域变质成因矿床中 后一种矿石类型则产于岩 浆热液成因矿床中 2000 年以来 由于浮选矿技术及机械设备的进一步发展 鳞片石墨产量不断增长 进入 2009 年以来 国内鳞片石墨出口下降 鳞片石墨出口量的急剧下降使国内 鳞片石墨库存进一步积压 而受到经济危机的影响 国内钢材以及下游制品 耐火材料等产业均受到不同程度的影响 2009 年鳞片石墨需求因此也将下降 5 左右的需求量 在 2010 2012 年 中国鳞片石墨的库存在维持在比较高的水平 鳞片石墨供过于求的状况将维持一到三年 十五 规划中提出了石墨深加工的方向的引导下 今后五年中国重点发展的 石墨深加工产品是异型碳 氟化石墨 渗硅石墨 显像管石墨乳 锂离子电池 碳材料 燃料电池碳材料等 二 石墨新用途 随着科学技术的不断发展 人们对石墨也开发了许多新用途 柔性石墨制品 柔性石墨又称膨胀石墨 是 70 年代开发的一种新的石墨制品 1971 年美国研 究成功柔性石墨密封材料 解决了原子能阀门泄漏问题 随后德 日 法也开 始研制生产石墨密封材料 这种产品除具有天然石墨所具有的特性外 还具有 特殊的柔性和弹性 因此 是一种理想的密封材料 广泛用于石油化工 原子 能等工业领域 国际市场需求量逐年增长 制作半金属摩擦材料 自 70 年代以来 离合器和自动衬广泛使用半金属摩擦 材料 半金属摩擦材料是将石墨和金属粉 钢纤维 陶土粉用合成树脂粘结而 成 这些自动衬主要可用于高速设备 如飞机 卡车以及越野车的制动装置和 离合器片 近几年来 石棉逐渐被石墨所取代 在一些半金属衬面中 石墨的 含量已从 1 一 2 增加到 5 该领域石墨消耗量取决于汽车工业的发展状况 三 石墨材料具有特性 石墨材料主要由多晶石墨构成 属于无机非金属材料 但因它具有良好的热 电传 导性而被称为半金属 石墨具有比某些金属还要高的热 电传导性 同时具有远比 金属低的热膨胀系数 很高的熔点和化学稳定性 这就使它在工程应用中具有重 要的价值 石墨具有很好的耐腐蚀性 不与任何有机化合物起反应 石墨又是一种耐高温材料 在高温下石墨不会熔化 石墨还具有良好的抗热震性 能 石墨具有很好的自润滑性能 石墨的缺点是抗震性性能差 随着温度的升高 氧化速度加剧 四 性能参数 1 材料的平均颗粒直径 材料的平均颗粒直径直接影响到材料放电的状况 材料的平均颗粒越小 材料 的放电越均匀 放电的状况越稳定 表面质量越好 对于表面 精度要求不高的锻造 压铸模具 通常推荐使用颗粒较粗的材料 如 ISEM 3 等 对于表面 精度要求较高的电子模具 推荐使用平均粒径在 4 m 以下的材料 以确保被加工模具的精度 表面光洁度 材料的平均颗粒越 小 材料的损耗情况就越小 各离子团之间的作用力就越大 比如 通常推荐 在精密压铸模具 锻造模具方面 ISEM 7 已足以满足要求 但客户对于精度要 求特别高时 推荐使用 TTK 50 或 ISO 63 材料 以确保更小的材料损耗 从而 保证模具的精度和表面粗糙度 同时 颗粒越大 放电的速度就越快 粗加工的损耗越小 主要是放电过程的 电流强度不同 导致放电的能量大小不一 但放电后的表面光洁度也随着颗粒 的变化而变化 2 材料的抗折强度 材料的抗折强度是材料强度的直接体现 显示材料内部结构的紧密程度 强度 高的材料 其放电的耐损耗性能相对较好 对于精度要求高的电极 尽量选择 强度较好的材料 比如 TTK 4 可以满足一般电子接插件模具的要求 但有些 有特殊精度要求的电子接插件模具 可以选用同等粒径 但强度略高的材料 TTK 5 材料 3 材料的肖氏硬度 在对石墨的潜意识认识中 石墨一般会被认为是一种比较软的材料 但实际的 测试数据及应用情况显示 石墨的硬度要比金属材料高 在特种石墨行业中 通用的硬度检验标准是肖氏硬度测量法 其测试原理与金属的测试原理不同 由于石墨的层状结构 使其在切削过程中有非常优越的切削性能 切削力仅为 铜材料的 1 3 左右 机械加工后的表面易于处理 但由于其较高的硬度 在切 削时 对于刀具的损耗会略大于切削金属的刀具 与此同时 硬度高的材料在 放电损耗方面的控制比较优秀 在我司的 EDM 用材料体系中 对于应用较多的 同等粒径的材料均有两款材料可供选择 一种硬度略高 一种硬度略低 以满 足各种不同要求的客户的需求 如 平均粒径为 5 m 的材料 有 ISO 63 和 TTK 50 平均粒径为 4 m 的材料 有 TTK 4 和 TTK 5 平均粒径为 2 m 的材 料 有 TTK 8 和 TTK 9 主要是考虑到各种类型的客户对于放电和机械加工的 偏重方向 4 材料的固有电阻率 根据我司对于材料的特性统计 如果材料的平均颗粒相同 电阻率大的放电速 度会比电阻率小的慢 对于同等平均粒径的材料 电阻率小的材料 其强度和 硬度也会相应略低于电阻率高的材料 即 放电的速度 损耗会有所不同 故 此 根据实际应用的需要选择材料非常重要 由于粉末冶金的特殊性 对于每 一个批号材料的各参数都有其材料的代表值有一定的波动范围 但同一档次的 石墨材料 其放电效果非常接近 由于各种参数造成的应用效果的差异非常小 电极材料的选择直接关系到放电的效果 在很大程度上材料的选取是否恰当 决定了放电速度 加工精度以及表面粗糙度的最终情况 五 工艺技术特征 1 耐高温 石墨是目前已知的最耐高温的材料之一 在 2000 C 之上时 一般材料早已化为 气体 或呈熔融状态 就是一些难容的金属在 2500 C 左右也会失去强度 如 钨是已知的金属中熔点最高的 达 3600 C 但在此温度下石墨是不会融化的 它的熔点为 3850 C 50 C 沸点答 4250 C 把各种耐温的材料置于 7000 C 超高温电弧下 10s 石墨损失最小 按重量计算 石墨算是 0 8 尼龙纤维增 强酚醛塑料损失 1 2 碳化硅损失 1 7 高铝钢玉损失 8 2 最耐高温的金 属氧化物 氧化锆损失 12 9 由此可见 石墨的奶高温性能是很突出的 一般材料在高温下强度逐渐降低 而石墨在加热到 2000 C 其强度反而较常 温时提高一倍 但石墨的耐氧化性能差 随着温度的提高 氧化速度逐渐增加 2 特殊的抗热震性能 石墨具有良好的抗热震性能 当温度急剧变化时 热膨胀系数小 因而具有良 好的热稳定性 在温度急冷急热的变化中 不会产生裂纹 3 导热性和导电性 石墨具有良好的导热导电性 虽然石墨的导电性不能与铜 铝等技术相匹敌 但与一般的材料比 其导热导电性是相当高的 如比不锈钢高 4 倍 比碳素钢 高 2 倍 比一般的非金属高 100 倍 石墨的导热性 不仅超过钢 铁 铝等金属材料 而且随