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石墨有哪些性能?
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石墨性能

地球上没有任何元素能象碳那样。由单一元素组成,形成外观多变,性能各异,应用广泛的制品。它之所以能够如此,与其原子键合方式、分子结构类型及其集合形态的多样性密切相关。碳元素基态电子层结构为1S22S22P2。根据原子结构理论,碳原子的外层电子可通过sp3·sp2·sp三种杂化方式形成δ键和π键。当碳原子外层电子以sp3杂化时,就构成了具有立体结构的金刚石;当以sp2杂化时,就构成了平面结构的石墨,当以sp杂比时,就生成线状结构的炭——卡宾。1985年科学家们又发现了一种笼形结构的碳,即由60个碳原子组成的高质量数碳族分子——固体CB60,即足球烯。
  
石墨晶体具有六角平面网状结构,可分为天然石墨和人造石墨两种。前者多呈鳞状,由石墨矿中提选出来。六角平面内三个sp2杂化轨道互成120°角排列。与相邻碳原子生成共价键。剩余的一个2P电子在垂直于六角平面的方向上排列,网面上下方的π电子相互重合,形成范德华键。石墨晶体的层间叠合方式通常为ABAB型或ABCABC型。如图1所示。天然石墨多为第一种方式;人造石墨多为第二种方式。单晶石墨的理想晶体结构有六方晶系和三方(菱面体)晶系两种。对于六方晶系的晶胞,其晶格常数a0=2.461埃、C0=6.708埃。晶胞内有4个碳原子,由此可计算出理想石墨的密度为2.266。人们从结晶程度非常高的天然鳞片石墨中可筛选出单晶石墨,但尺寸很小。
    
石墨的独特构造使其具有特殊的性能,应用十分广泛,在工业上主要应用以下几种性能:
1)润滑性。由于石墨材料层间结合力很小,当其与金属摩擦时,在金属表面极易形成石墨薄膜,可以起到减摩作用。对于表面抛光的钢,高强石墨在常温、大气中的动摩擦系数约为0.35。因此,石墨常被作为润滑剂、制造石墨轴承、模锻石墨乳等。
2)热膨胀性小。一般在20℃200℃之间,挤压成型的石墨制品,沿挤压方向的热膨胀系数为(12×10-6/℃,垂直于挤压方向为(23×10-6/℃。膨胀石墨板的热膨胀系数较大,如沿面方向为5×10-6/℃,沿厚度方向为100×10-6/℃。石墨制品具有较高的抗热震性,如电炉炼钢用的石墨电极要承受急冷、急热作用,等等。
3)良好的导热、导电性。一般沿晶体层面方向的传导性比垂直于层面方向的大得多。但石墨的导热率和电阻均受温度影响,如电阻系数在700 K900K以下为负值,900K以上为正值,导热率在某一温度达到最大值,其余均会下降。正由于其各向异性的良导热、导电性,才使石墨大量用作耐火材料、隔热材料和石墨电极。
4)广泛温区内的可使用性。石墨的熔点为38.50℃,沸点达4250℃,因此它在空气中可用到-200~450℃,在真空或还原性气氛中可用到-2003000℃。石墨的强度和硬度随温度的升高不是降低而是升高。石墨在室温下基本属于脆性材料,在1700℃以上开始产生蠕变,且蠕变量很小,因此在现代科技和工业中,它常被用在极高温条件下。
5)化学性能稳定且无毒性。石墨对人体无毒。它在400℃时开始发生氧化,700℃以上可与水蒸汽反应。900℃以上可与CO2反应,1000℃以上才与氢反应。除王水、铬酸、浓硫酸及硝酸外,可抵抗各种酸、碱和有机溶剂的侵蚀。在高温下,石墨可与许多金属或非金属或它们的氧化物发生反应。由于石墨的耐辐照性和热中子截面小,使它成为核反应堆中唯一可供选择的慢化材料。
6)其他特性。石墨具有可涂敷性、质轻、可塑性大、易加工成形等特点,它还是一种重要碳源,可提供各种材料中所需的纯度较高的碳。


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