石墨和碳素是不 是同一种物质？

关于石墨和碳素的两种说法，我们一直会认为是同一种物质，今天，我们来为此说明一些：

石墨和碳素材料简介

不同高温下与氧反应，生成二氧化碳或一氧化碳；在卤素中只有氟能与单质碳直接反应；在加热下，石墨粉较易被酸氧化；在高温下，还能与许多金属反应，生成金属碳化物，在高温下可以冶炼金属。

材料特质

石墨是化学反应很灵敏的物质，在不同的环境里面他的电阻率都会变，也就是他的电阻值会变，但有一点是不会变的，石墨粉是很好的非金属导电物质之一，只要在绝缘的物体里面保证石墨粉不间断，像一条细线那样也会通电的，但是，电阻值是多少，这个数值也没一个准确的数，因为石墨粉的粗细不一样，用在不同的材料和环境石墨粉电阻值也会不一样。石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：
1） 耐高温型：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。
2） 导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。
3） 润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。
4） 化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。
5） 可塑性：石墨的韧性好，可连成很薄的薄片。
6） 抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

应用案例

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(一) 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。

石墨的分类

高纯亚微米石墨粒子有着非常广泛的应用领域：电子信息的显像管、显示器制造行业的黑底导电涂料、由液晶显示构成的装置、传感器及色分解器上采用的感光性黑色涂膜、平板显示器中彩色液晶等离子三原色境界部分用于提高发射效果及采色对比度、超细钨、钼丝拉制等各种涂料，高级润滑油及润滑脂制造业、高性能蓄电池用泡沫铁镍制造业以及感光胶片等众多行业广泛应用高纯亚微米石墨粒子。
高纯石墨超微细粉有胶体石墨粉，主要应用于钢笔专用、粉末冶金专用、润滑油专用、润滑脂专用、干电池专用、导电涂料专用、润滑涂料专用、国防科工委、科研机构的科学研究、民用核电专用、航天航空专用及战略性电力干扰武器、烟幕屏蔽武器的研制等，我国生产的胶体石墨粉是我国石墨行业的发展行业标兵，部分技术已达国际领先水平。
格兰粉（密封防粘脂）性能与用途：耐高温3000摄氏度，耐高压40KG，用于船舶、飞机、机车、汽车、工程机械及各种大型石油、化工、电业机械的金属结合面、法兰联接部位的密封与防粘。
特种石墨涂料：水基石墨涂料、导电石墨涂料、溶积石墨涂料、内外石墨涂料、拉丝石墨涂料、润滑石墨涂料、玻纤涂料、电视机石墨涂料及特种涂料、各种非金属材料、纳米级材料生产工艺、设计方案。处理各种防腐设备，承接各种防腐设备处理。品种多样，规格齐全，产品执行《中华人民共和国国家标准》。 专用机械设计制造各种精细化工设备、各种磨机及配方工艺。

石墨的用途

工业
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。
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。
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。
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。
此外，石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂，是制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石、钻石不可缺少的原料。它是一种很好的节能环保材料，美国已用它做为汽车电池。随着现代科学技术和工业的发展，石墨的应用领域还在不断拓宽，已成为高科技领域中新型复合材料的重要原料，在国民经济中具有重要的作用。

国防
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。

石墨导电原理

一般橡胶是绝缘的，如果需要导电那么就需要添加导电物质，石墨粉具有优越的导电性和润滑脱模性。把石墨加工成石墨粉，具有优良的润滑，导电性能，石墨粉的纯度越高，导电性能越好。很多特种橡胶制品厂需要导电橡胶，那么用石墨粉添加到橡胶里面可以导电吗？答案是可以的，但是也有一个问题，石墨粉在橡胶中的比例是多少呢？有的企业用的比例是不超过30%，这类的是在耐磨橡胶产品上面的，像汽车轮胎等等，也有特种橡胶厂的比例是100%，这样的才会导电，导电的基本原则是导电体不能中断，就像一根电线，如果中间断了那么也就不会通电了，导电橡胶里面的导电石墨粉就是导体，如果石墨粉被绝缘的橡胶隔断了，那么也就不导电了，所以石墨粉比例少了导电的效果恐怕也不好。

热传导

石墨的热传导(heat conduction of graphite)
石墨体内存在温度梯度时，热量从高温处向低温处的流动。表征石墨导热能力的参数是热导率。热导率入是单位时间内、单位面积上通过的热量q(热流密度)与温度梯度grad T之间的比例系数。
q=–λgrad T
(1)式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反。式(1)常称为热传导的傅里叶定律。假如垂直于x轴方向的截面积为ΔS，材料沿x轴方向温度梯度为dT/dx，在Δτ时间内，沿x轴正方向流过ΔS截面的热量为ΔQ，在稳定传热状态下，式(1)具有如下的形式：
(2)热导率的法定单位是W·m·K。对于不稳定传热过程，即物体内各处温度随时间而变化。与外界无热交换，本身存在温度梯度的物体，随着时间的推移，温度梯度会趋于零，即热端温度不断降低和冷端温度不断升高，最终达到一致的平衡温度。在这种不稳定传热过程中，物体内单位面积上温度随时问的变化率为：
(3)式中τ为时间，ρ为密度，cp为质量定压热容。λ/ρcp常称为石墨的热扩散率或导温系数，常用单位为cm/s。
热传导是通过导热载体的运动来实现的。石墨的导热载体有电子、声子(晶格振动波)、光子等。石墨的热导率可表示为各种导热载体的贡献的迭加：
(4)式中vi、li、ci分别为导热载体i的运动速度、平均自由程和单位体积的比热容。石墨的各种导热载体之间又相互作用、相互制约。例如不同频率的声子之间互相碰撞、产生散射，声子与晶界、点阵缺陷和杂质之间也产生散射，影响其平均自由程。因此，石墨的热传导是一个极为复杂的物理过程。理论上准确预测各种石墨的热导率数值及其随温度的变化，虽然有过长期的艰苦工作，但仅取得了有限的成绩。粗略地说，在常温和不太高的温度下(小于2000K)，声子热导率占压倒优势，电子及光子的热导可以忽略不计。在极低温度下(小于10K)电子热导才占有一定的分量。光子热导要在很高的温度下(2000K以上)才开始出现。石墨的热导率随其电导率的增大而升高(见威德曼·弗朗兹定律)。

晶体石墨

单晶
石墨单晶 纯净的天然鳞片石墨、高定向热解石墨，这些石墨晶体，缺陷较少而且尺寸较大，一般可认为是较完善的石墨单晶。对这类石墨的热导有过相当多的研究。在压应力下，经过3000K以上处理的热解石墨，其体积密度为2.25g/cm，接近单晶的理论密度2.266g/cm，其(002)衍射峰半宽角展只有0.4°(镶嵌角)，也十分接近于理论值零度。这种石墨的热导率见表1。这些数值一般认为可代表单晶石墨的相应数值。沿两个主方向的热导率：沿层面的记为λa，沿垂直于层面的则记为λc。
在常温下λa比λc大200倍左右。温度升高，这个比值有所下降，但仍然很大。所以由微晶组成的多晶石墨，其热导为微晶层面热导率λa所控制，λc几乎可不予考虑。天然鳞片石墨的λa在常温下为280～500W/(m·K)之间，比值λa/λc在3～5之间，可见其晶体的完善程度远不如高定向热解石墨。
晶体结构高度规整的热解石墨，La在2000nm以上，由低温到高温，其导热率随温度的变化呈钟罩形，见图1、图2。
在温度远低于石墨晶体层面热导的特征温度θλ下：
λa∝exp(–θλ/bT) (5)
式中b约等于2，θλ有时称做德拜温度，但与表征热容的德拜温度不同(见炭质材料和石墨材料的热容)。在温度远高于θλ时，则有
λa∝T(6)
按式(5)，在低温下，λa随温度T的增高而上升；按式(6)，在高温下，λa则随温度的增高而下降。在低温和高温之间，(5)、(6)两式都起作用，在这两种作用互相匹敌时，λa达到最大值。这就是形成钟罩形曲线的原因。
在不太低的温度下，石墨晶体的导热载体是声子，式(3)可简化为：
λ=γρcVvl (7)式中ρ为密度，cV为质量定容热容，v为声子传播速度，l 为声子两次散射或碰撞之间的平均自由程，γ为比例系数。在低温下，l的大小由晶界散射所制约，l的大小与微晶的尺寸相当。所以λa～T曲线峰值的高度和位置为石墨晶体的尺寸(微晶a向直径La)所控制。热解石墨的退火温度越高，晶体越完善，La随之增大，因而热导率λa增高，峰值增大，峰位向低温侧移动(图3)。
两种石墨晶体，晶粒a向直径分别为La.1和La.2，热导率峰位分别为Tm.1和Tm.2，这些参数之间有如下关系：
(8)提供了一种由热导率数据估算La的方法。由这种方法得到的La数值与由X光衍射法的大体相当。

热导椭球
晶体两个主方向的热导率为λa和λc，沿任一方向Ф的热导率为λФ，Ф为这一方向与晶轴c的交角，有
λФ=λasinФ+λccosФ (9)
式(9)pT形象地用以长径为旋转轴的一个旋转椭球来表示(图4)。椭球的半长径为λc，半短径为λa。这一椭球称为石墨的热导椭球。在任一方向的热导率λФ，可由椭球在该方向上的半径γФ来表示：
λФ=1/γФ(10)
在该方向上的半径越短，热导率越大。
多晶石墨
多晶石墨的热导率为众多因素所左右：骨料与黏结剂的种类和配比、成型条件、热处理温度等制造工艺有显著的影响；微晶的尺寸与分布、孔隙的数量和形状等结构因素，其影响尤为突出。不同石墨品种之间，热导率千差万别，即使同一种石墨，不同批次之间也有相当大的差异。影响因素虽多，但控制热导率的基本规律不变。在以声子热导为主的温度区界内，仍为式(7)所表明的规律所控制。
多晶石墨由众多的微晶组成。多晶石墨的热导通过微晶的层面传递(a向热导)，因为微晶的λa比λc约大两个数量级，c向热导可忽略而不计，如图6所示。在中等温度下，微晶的λa主要为两种散射过程所控制：1.晶界散射所控制的热导λB，微晶尺寸La越大，λB越大。2.声子间互相碰撞引起的散射所控制的热导λu，温度越高，这种散射越强烈，λu随温度的增高而减小。λa、λB、λu之间有如下关系：
1/λa=1/λB+1/λu
(15)在任一方向(x方向)的热导率λx取决于多晶石墨中微晶的取向和分布。由于热量传递的路径蜿蜒曲折，微晶之间还可能存在非晶态及不完善的晶态炭素物质，过渡性炭素物质，λx与λa之间的关系中应列入一个校正系数αx，即：
(16)由理论分析，λu随温度的变化数据列在表3中。再把不同温度下热导率的实测数据与理论式(16)比较，即可得到λB和αx。对一种挤压成型的核石墨PGA和模压成型的ZTA石墨，其热导率的实测值与计算值的对比表示在图7上。
表3 λu随温度的变化

温度∕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

热导率随温度而变化的情况，对几种模压石墨，分别表示在图8、图9上，λ–T曲线都呈钟罩形。 

 热导率理论

石墨晶体热导率的理论，十分繁杂，依靠计算机的帮助取得了不少进展，但还有不少问题有待进一步的探讨。兹仅以无缺陷理想石墨晶体的层面热导率λa为例，把晶格振动波加以量子化，形象地把振动波称为声子，振动波是向量，可称为波矢。波矢的能量和状态是晶体倒易点阵的函数。整个晶体的倒易点阵可用一个小区域来代表；这一区域叫做布里渊区。只要把声子在这一区域内的能量和状态搞清楚，声子在整个晶体内的情况也就了如指掌了。
石墨晶体的布里渊区是一个六角棱柱体(图5)。如果只讨论石墨晶体层面的热导率，作为一种简化模型，只讨论声子在图5的正六角形面上的运动情况就够了。这种二维情况使问题大为简化，处理较为方便。用n代表波数，在[nx，ny]平面上，六角形截面的面积，可用一个半径为nm的圆面来代表，由图5得出：
(11)
式(11)中a是石墨一个晶格参数，a=0.246×10cm。nm就是声子振动的最大波数，即声子在单位长度上的振动次数。声子运动速度v与波数n的乘积是声子的频率，声子的能量与频率成正比。声子的最大角频率wm=2πvnm，而2πnm称为最大角波数，常记为qm。qm=1.55X10cm。
把声子的运动情况加以分类，每一类称为一个声子分支，每一分支给予一个代号。在布里渊区的正六角形层面上有好几个声子分支，主要的有3个：纵向分支，最大频率为37THz，速度为vL=2.36×10cm/s；2.TA，横向分支，最大频率为25THz，速度为vT=1.59X10cm/s；3.低TA分支，又称为弯曲振动分支，最大频率为14THz，速度为vb=0.53×10cm/s。此外还有折叠LA分支、横向光学分支TO等，这些非主要分支的频率都低于4THz，而且与其他分支发生强烈的相互作用，因此小于4THz，即角频率小于wc=2.5×10S的这些分支，在热量传输中不起什么作用，可以忽略不计。wc称为声子角频率下限。低TA分支的速度与LA、TA相比低很多，也可不予考虑。在这种大为简化的情况下，只考虑LA、TA这两个分支，并且只考虑热导，不涉及热容。这就是所谓二维声子气模型。由此可定义一个德拜速度vD：
(12)由以上列举的数据得到：德拜速度vD=1.86×10cm/s，声子最大角频率wm=vDDqm=2.88x10s。
在热导载体为声子所垄断，即在常温和不太高的温度下，理想石墨晶体的层面热导率为λ，则
(13)式中ρ为理想石墨晶体的密度2.266g/cm，γ为格林爱森系数(见石墨的热容)，可取γ=2，由此得到
=5.73/T×10 (14)
此式简捷明了，又显然为式(6)的T关系提供了理论依据。由此式算得的热导率与高度完善的高定向热解石墨实测数值的对比见表2。
实测值与理论值大体相适应，由十分简化的理论模型得到的结果竟然与实际符合得如此之好。两者之比平均为0.94，这表明即使如此的石墨晶体，其完善程度与理想晶体相比仍有不足之处。

高热导石墨

热导率与密度

早在19世纪中叶，著名物理学家、电磁波理论的创始人J.C.麦克斯韦(Maxwell)。在其名著《电磁波理论》(1873)中就指出：对含有孔隙的材料，设孔隙是以等径小球的形状均匀分散在材料中，材料的传导率(电导或热导)，从理论上可由下式计算：
(17)
式中P为孔隙率，λ0为无孔(P=0)时的热导率。此式具有历史意义。对于石墨，孔隙并非呈球状，更非等径，此式当然不适用。但它表明孔隙率越大(即密度越小)，热导率越小。这一定性结论却正确无误。一种挤压成型的、经过不同浸渍处理的核石墨，在常温下，其热导率λ∥随孔隙率的变化符合如下关系：
λ∥=λ0exp(–bP) (18)
式中λ0=1280W/(m·K)，为无孔隙时的极限热导率，常数b=7.00。
同一类型的石墨，热导率随其密度的增大而上升，图11表示HDFG同性石墨的λ与密度的关系。
热处理温度 多晶石墨大多是由焙烧毛坯经高温热处理制成，热处理温度越高，微晶的发育越完善，La增大，热导率也随之增大。用煅后石油针状焦及中温煤沥青，经挤压成型做成的焙烧小棒，经不同热处理(HTT)后，其La的数值见表4。其轴向热导率λ∥随温度变化的情况见图12。热导率的倒数1/λ称为热阻。在不同热处理温度下，这种石墨的轴向热阻1/λ//与其l/La的关系见图13。也是用石油焦和中温煤沥青做成的另一种挤压石墨，图14显示出其λ∥依赖于La的情况。对于一种模压石墨，其λ⊥与HTT之间的关系见图15。
热扩散系数α 又称为导温系数，α=λ/ρcp。(见式(3))。它表征材料在加热或冷却过程中，各部分温度趋向于一致的能力；是在不稳定传热过程中，说明温度变化速度的一个特性参数。材料的导温系数越高，材料内部温度的传播速度越大，材料内的温差就越小。一种高密度，ρ=1.81g/cm³、各向同性细颗粒石墨EK–98，其α随温度的变化情况见图16上。
热散逸系数ε 表征石墨材料热性能的一个综合参数，与热导率密切相关，其定义为：
ε=(λcpρ)(19)
在法定单位制中，ε的单位是WS·m·K，它表征材料表面散热或吸热能力的大小。EK–98石墨的热散逸系数随温度变化情况示于图17。
热导异向度 石墨材料的各向异性在热导上表现为沿平行对称轴方向的热导率λ∥与沿垂直方向的热导率λ⊥的差异上。一般，对挤压石墨λ∥>λ⊥，把λ∥/λ⊥这一比值称为热导异向度；对模压石墨，λ⊥>λ∥，则把比值λ⊥/λ∥称为热导异向度；即异向度最小为1(同向性)。设沿石墨对称轴oz的取向参数为Roz，平行与垂直方向的校正参数为γ∥和γ⊥(见石墨的各向异性)则有：
由于微晶的λc/λa<<1，上两式可约化为
对很多石墨γ∥≈γ⊥，由(21)得到：
这就是著名的由热导率数据推算取向参数的表达式。例如，对核石墨PGA，由常规的X光衍射法测得的R为0.78，由热导率数据得到的则为0.77，两者符合甚好。

发展前景

预计未来十年间，只要整个市场足以支撑，矿业开采和扩充成功的话，石墨粉的产能将继续呈增长态势。新增的石墨产能，将弥补当前由于工程失误导致采矿终致而损失的10万吨鳞片石墨的产能。据业内人士分析，全球石墨产品研发将在十大领域展开。同时，在原国家建材局制定的作为世界最大的石墨生产国，中国的产量占世界总产量的40%~50%。世界的第二生产国印度，在过去的十多年间，石墨产量占到了15%左右。其他生产国有巴西（7%），墨西哥（6%），朝鲜（占6%）。上述五国的石墨产量总和占到了世界总产量的75%以上。
　　如果今后世界石墨市场环境继续朝着有利的方向发展，石墨产量还会增加，尤其是巴西、加拿大、中、印度和墨西哥。总量有望增加120000吨。“十五”规划中提出了石墨深加工的方向的引导下，今后五年我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。
　　此外，我国石墨深加工产品的生产目 前尚有较大空白，开发工作大有作为。比如，世界上有1000个核电站，我国目 前只有三个，而国家规划将建23个，其所用的核纯石墨基本上全部依赖进口。
目 前，随着经济发展的全球化，全球石墨业产品研发将在十大领域展开：
　　1、高性能密封件及制品，世界有100亿美元的交易额，最高档的核反用石墨产品120万美元/吨。该产品中有四个关键技术，插入技术、膨化硫技术、复合增强技术，成型技术。
　　2、高性能导电材料，一是做成层间化合物；二是高性能稳定性；三是工艺修复性。
　　3、电池材料。
　　4、环保材料。
　　5、生物材料。
　　6、隔音隔热材料。
　　7、防护安全材料。
　　8、屏蔽材料。
　　9、工艺美术材料。
　　10、催化剂。