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世界地球日:材料界的“百变星君”——石墨

阅读次数:193次发布人:liumingchen发布时间:2020-04-25

世界地球日——科普文章选登:材料界的“百变星君”——石墨

作者:郭理想,张然,刘磊

        地球上的碳分布非常广泛,既可以分布于地壳表层,又可以存在于地壳深部甚至是地球内部更深处的地幔中。此外,碳还是地球上生物体的基本组成元素之一。同时,其存在的状态也很多样,氧化态、还原态以及单质形式的碳均能在各种自然和人为环境中存在。截至目前,自然界中已发现的由碳单质构成的物质有三种:第一种是价值斐然、人尽皆知的钻石,第二种是与我们的日常生活密切相关的石墨,第三种是尚存争议且人们知之甚少的卡宾碳。

石墨最早由德国矿物学家A.G.Werner1749~1817)命名。自然界中产出的石墨外观呈现出钢灰色或黑色,形状主要有鳞片状和土状两类,还有部分以块状形式产出。其化学成分主要是碳,天然产出的石墨成分纯净的很少,其中常包含SiO2Al2O3FeO以及粘土、沥青等杂质。

石墨矿床的形成需要具备以下两个主要条件:大量的碳,即碳质要集中,它们是形成石墨的主要原材料;合适的热力学条件,例如相当高的温度,好比是工厂中用于生产的机器需要合适的工作参数和加工环境。

全球石墨资源分布广泛,美国地质调查局最新发布的《世界矿产品概要2019》中的数据显示,全球范围内的石墨储量主要分布在土耳其、中国、巴西、莫桑比克、坦桑尼亚、印度、越南等国。其中晶质石墨主要分布在中国、巴西、莫桑比克、乌克兰、马达加斯加等地,隐晶质石墨主要分布在土耳其、印度、墨西哥等地。

我国是传统的石墨生产和消费大国。石墨属于不可再生资源,是我国的优势矿种,我国在201612月将晶质石墨列入国家战略性矿产目录。根据自然资源部最新发布的《中国矿产资源报告2019》显示,我国晶质石墨查明资源储量为4.37亿吨,主要分布在黑龙江、山东、内蒙古、吉林和湖南5个省(区)。我国已发现的石墨矿床总体上可分为三种类型:区域变质型,如黑龙江省鸡西市柳毛石墨矿、山东省青岛市莱西南墅石墨矿、内蒙古自治区乌兰察布市兴和石墨矿等;接触变质型,如湖南省郴州市鲁塘石墨矿,吉林省吉林市磐石烟筒山石墨矿等;岩浆热液型,如新疆维吾尔自治区昌吉苏吉泉石墨矿,巴音郭楞蒙古自治州尉犁县托克布拉克石墨矿等。

石墨的用途也颇为广泛。石墨具备良好的导电、导热、润滑、耐磨,以及耐高温、抗腐蚀、防辐射等诸多优良性能,能用于制造各种产品,被广泛用于国民经济的各个行业,可谓是材料界的百变星君。在传统行业中,石墨可作为耐火砖、坩埚、增碳剂等,应用于耐火材料和钢铁工业。由于洁净钢及超低碳钢的发展,以及节能降耗的要求,开发低碳耐火材料已成为必然趋势,石墨在炼钢领域的用量正逐步降低。

在新能源领域,石墨可作为锂离子电池的负极材料。负极材料对石墨性能要求较高,通常需要将石墨球形化以后,提纯到99.9%以上。在核能领域,天然石墨也发挥着重要作用,球床式高温气冷堆的球形燃料元件中,天然石墨占据64%的比例。

石墨烯是近年来的热点新型碳材料。英国曼彻斯特大学的物理学家Andre GeimKonstantin Novoselov2004年首次发现了石墨烯,他们也因此荣获了2010年的诺贝尔物理学奖。我国目前已经实现以天然石墨为原料,通过氧化石墨-还原法制备石墨烯粉体的工业化量产过程,并在防腐涂料、导热膜等领域有较好的应用效果。未来石墨烯在新能源汽车、海洋工程、能源发展、高端装备、环境治理等领域的应用将进一步深入,有望成为各个重大领域不可或缺的应用材料。



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