行業中石墨用途及特性

石墨的用途及特性
一. 石墨及石墨行業
石墨是在高溫下形成。分布最廣是石墨的變質礦床，系由富含有機質或碳質的沉積巖經區域變質作用而成;石墨或石墨制品在工業上用途很廣，用于制作冶煉上的高溫坩堝、機械工業的潤滑劑、制作電極和鉛筆芯;石墨或石墨制品廣泛用于冶金工業的高級耐火材料與涂料、軍事工業火工材料安定劑、輕工業的鉛筆芯、電氣工業的碳刷、電池工業的電極、化肥工業催化劑等。鱗片石墨經過深加工，又可生產出石墨乳、石墨密封材料與復合材料、石墨制品、石墨減磨添加劑等高新技術石墨產品，石墨或石墨制品成為各個工業部門的重要非金屬礦物原料。
世界石墨或石墨制品產量的絕大部分消費都集中在日本、美國、德國和英國等工業發達國家，這些國家每年的石墨或石墨制品消費量約占世界總消費量的30%左右。在過去的幾年中，世界石墨或石墨制品的消費量一直保持相對穩定。石墨或石墨制品主要消費領域為：耐火材料占總消費量的26%，鑄造15%，潤滑劑14%，制動襯片13%，鉛筆7%，其他(碳刷、電池、膨脹石墨等)25%。從目前形勢看，近期內石墨或石墨制品尚難有大的、新的應用領域，因此，國際市場對石墨或石墨制品的需求不會有太大的增長。
中國是世界上最大天然石墨生產國，2008年石墨生產達到165萬噸。中國的生產約占世界石墨或石墨總產量的55%。除天然石墨外，世界許多國家還生產人造石墨。2008年的石墨產量比2007年的150多萬噸，增加12多萬噸，約增加8%。對石墨行業來講，是一次大的發展。
鱗片狀石墨礦石結晶較好，晶體粒徑大于1mm，一般為0.05-1.5mm，大的可達5-10mm，多呈集合體。石墨礦石品位較低，一般為3-13.5%。伴生的礦物有云母、長石、石英、透閃石、透輝石、石榴石和少量硫鐵礦、方解石等，有時還伴有金紅石，釩云母等有用組分。鱗片石墨礦石按其所賦存巖石的巖性不同，分片麻巖型、片巖型、透輝巖型、變粒巖型、混合巖型、大理巖型及花崗巖型等七種，前六種礦石類型產于區域變質成因礦床中，后一種礦石類型則產于巖漿熱液成因礦床中。2000年以來，由于浮選礦技術及機械設備的進一步發展，鱗片石墨產量不斷增長。
進入2009年以來，國內鱗片石墨出口下降，鱗片石墨出口量的急劇下降使國內鱗片石墨庫存進一步積壓，而受到經濟危機的影響，國內鋼材以及下游制品、耐火材料等產業均受到不同程度的影響，2009年鱗片石墨需求因此也將下降5%左右的需求量。在2010-2012年，中國鱗片石墨的庫存在維持在比較高的水平，鱗片石墨供過于求的狀況將維持一到三年。
“十五”規劃中提出了石墨深加工的方向的引導下，今后五年中國重點發展的石墨深加工產品是異型碳、氟化石墨、滲硅石墨、顯像管石墨乳、鋰離子電池、碳材料、燃料電池碳材料等。
二、石墨新用途
隨著科學技術的不斷發展，人們對石墨也開發了許多新用途。柔性石墨制品。
柔性石墨又稱膨脹石墨，是70 年代開發的一種新的石墨制品。1971 年美國研究成功柔性石墨密封材料，解決了原子能閥門泄漏問題，隨后德、日、法也開始研制生產石墨密封材料。這種產品除具有天然石墨所具有的特性外，還具有特殊的柔性和彈性。因此，是一種理想的密封材料。廣泛用于石油化工、原子能等工業領域。國際市場需求量逐年增長。
制作半金屬摩擦材料。自70 年代以來，離合器和自動襯廣泛使用半金屬摩擦材料。半金屬摩擦材料是將石墨和金屬粉、鋼纖維、陶土粉用合成樹脂粘結而成。這些自動襯主要可用于高速設備，如飛機、卡車以及越野車的制動裝置和離合器片。近幾年來，石棉逐漸被石墨所取代，在一些半金屬襯面中，石墨的含量已從1 %一2%增加到5%。該領域石墨消耗量取決于汽車工業的發展狀況。
三、石墨材料具有特性
石墨材料主要由多晶石墨構成,屬于無機非金屬材料,但因它具有良好的熱,電傳導性而被稱為半金屬.石墨具有比某些金屬還要高的熱,電傳導性,同時具有遠比金屬低的熱膨脹系數,很高的熔點和化學穩定性,這就使它在工程應用中具有重要的價值.石墨具有很好的耐腐蝕性,不與任何有機化合物起反應.
石墨又是一種耐高溫材料,在高溫下石墨不會熔化,石墨還具有良好的抗熱震性能.石墨具有很好的自潤滑性能.
石墨的缺點是抗震性性能差,隨著溫度的升高,氧化速度加劇.
四、性能參數
1.材料的平均顆粒直徑
材料的平均顆粒直徑直接影響到材料放電的狀況。材料的平均顆粒越小，材料的放電越均勻，放電的狀況越穩定，表面質量越好。
對于表面、精度要求不高的鍛造、壓鑄模具，通常推薦使用顆粒較粗的材料，如ISEM-3等；對于表面、精度要求較高的電子模具，推薦使用平均粒徑在4μm以下的材料，以確保被加工模具的精度、表面光潔度。材料的平均顆粒越小，材料的損耗情況就越小，各離子團之間的作用力就越大。比如：通常推薦在精密壓鑄模具、鍛造模具方面，ISEM-7已足以滿足要求；但客戶對于精度要求特別高時，推薦使用TTK-50或ISO-63材料，以確保更小的材料損耗，從而保證模具的精度和表面粗糙度。
同時，顆粒越大，放電的速度就越快，粗加工的損耗越小。主要是放電過程的電流強度不同，導致放電的能量大小不一。但放電后的表面光潔度也隨著顆粒的變化而變化。
2.材料的抗折強度
材料的抗折強度是材料強度的直接體現，顯示材料內部結構的緊密程度。強度高的材料，其放電的耐損耗性能相對較好，對于精度要求高的電極，盡量選擇強度較好的材料。比如：TTK-4可以滿足一般電子接插件模具的要求，但有些有特殊精度要求的電子接插件模具，可以選用同等粒徑，但強度略高的材料TTK-5材料。
3.材料的肖氏硬度
在對石墨的潛意識認識中，石墨一般會被認為是一種比較軟的材料。但實際的測試數據及應用情況顯示，石墨的硬度要比金屬材料高。在特種石墨行業中，通用的硬度檢驗標準是肖氏硬度測量法，其測試原理與金屬的測試原理不同。由于石墨的層狀結構，使其在切削過程中有非常優越的切削性能，切削力僅為銅材料的1/3左右，機械加工后的表面易于處理。 但由于其較高的硬度，在切削時，對于刀具的損耗會略大于切削金屬的刀具。與此同時，硬度高的材料在放電損耗方面的控制比較優秀。在我司的EDM用材料體系中，對于應用較多的同等粒徑的材料均有兩款材料可供選擇，一種硬度略高，一種硬度略低，以滿足各種不同要求的客戶的需求。如：平均粒徑為5μm的材料，有ISO-63和TTK-50；平均粒徑為4μm的材料，有TTK-4和TTK-5；平均粒徑為2μm的材料，有TTK-8和TTK-9。主要是考慮到各種類型的客戶對于放電和機械加工的偏重方向。
4.材料的固有電阻率
根據我司對于材料的特性統計，如果材料的平均顆粒相同，電阻率大的放電速度會比電阻率小的慢。對于同等平均粒徑的材料，電阻率小的材料，其強度和硬度也會相應略低于電阻率高的材料。即，放電的速度、損耗會有所不同。故此，根據實際應用的需要選擇材料非常重要。 由于粉末冶金的特殊性，對于每一個批號材料的各參數都有其材料的代表值有一定的波動范圍。但同一檔次的石墨材料，其放電效果非常接近，由于各種參數造成的應用效果的差異非常小。 電極材料的選擇直接關系到放電的效果，在很大程度上材料的選取是否恰當，決定了放電速度、加工精度以及表面粗糙度的最終情況。
五、工藝技術特征：
1. 耐高溫
石墨是目前已知的最耐高溫的材料之一。在2000oC之上時，一般材料早已化為氣體，或呈熔融狀態，就是一些難容的金屬在2500 oC左右也會失去強度。如鎢是已知的金屬中熔點最高的，達3600 oC，但在此溫度下石墨是不會融化的，它的熔點為3850 oC±50 oC，沸點答4250 oC把各種耐溫的材料置于7000 oC超高溫電弧下10s，石墨損失最小，按重量計算，石墨算是0.8%，尼龍纖維增強酚醛塑料損失1.2%，碳化硅損失1.7%，高鋁鋼玉損失8.2%，最耐高溫的金屬氧化物-----氧化鋯損失12.9。 由此可見，石墨的奶高溫性能是很突出的。
一般材料在高溫下強度逐漸降低，而石墨在加熱到2000 oC，其強度反而較常溫時提高一倍。但石墨的耐氧化性能差，隨著溫度的提高，氧化速度逐漸增加。
2. 特殊的抗熱震性能
石墨具有良好的抗熱震性能，當溫度急劇變化時，熱膨脹系數小，因而具有良好的熱穩定性，在溫度急冷急熱的變化中，不會產生裂紋。
3. 導熱性和導電性
石墨具有良好的導熱導電性，雖然石墨的導電性不能與銅、鋁等技術相匹敵，但與一般的材料比，其導熱導電性是相當高的，如比不銹鋼高4倍，比碳素鋼高2倍，比一般的非金屬高100倍。
石墨的導熱性，不僅超過鋼、鐵、鋁等金屬材料，而且隨溫度升高，導熱系數降低，這和一般金屬材料不同，一般技術的導熱系數隨著溫度的升高而增大。在極高的溫度下，石墨甚至趨于絕熱狀態。因此在超高溫條件下，石墨具有隔熱性。
4. 潤滑性
石墨的潤滑性能類似于二硫化鉬，摩擦系數小于0.1。其潤滑性能隨鱗片大小而變，鱗片愈大，摩擦系數愈小，潤滑性能愈好。
5. 可塑性
石墨具有可塑性，可展成透氣透光薄片，但高強石墨硬度很大，以致用金剛石刀具都難以加工。
6. 化學穩定性
常溫下石墨具有良好的文化穩定性，能耐酸、耐堿、耐有機溶劑的腐蝕，但高溫時易氧化

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