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石墨的用途及特性
一. 石墨及石墨行業(yè)
石墨是在高溫下形成。分布最廣是石墨的變質(zhì)礦床，系由富含有機(jī)質(zhì)或碳質(zhì)的沉積巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用而成;石墨或石墨制品在工業(yè)上用途很廣，用于制作冶煉上的高溫坩堝、機(jī)械工業(yè)的潤(rùn)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(yè)的高級(jí)耐火材料與涂料、軍事工業(yè)火工材料安定劑、輕工業(yè)的鉛筆芯、電氣工業(yè)的碳刷、電池工業(yè)的電極、化肥工業(yè)催化劑等。鱗片石墨經(jīng)過深加工，又可生產(chǎn)出石墨乳、石墨密封材料與復(fù)合材料、石墨制品、石墨減磨添加劑等高新技術(shù)石墨產(chǎn)品，石墨或石墨制品成為各個(gè)工業(yè)部門的重要非金屬礦物原料。
世界石墨或石墨制品產(chǎn)量的絕大部分消費(fèi)都集中在日本、美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，這些國(guó)家每年的石墨或石墨制品消費(fèi)量約占世界總消費(fèi)量的30%左右。在過去的幾年中，世界石墨或石墨制品的消費(fèi)量一直保持相對(duì)穩(wěn)定。石墨或石墨制品主要消費(fèi)領(lǐng)域?yàn)椋耗突鸩牧险伎傁M(fèi)量的26%，鑄造15%，潤(rùn)滑劑14%，制動(dòng)襯片13%，鉛筆7%，其他(碳刷、電池、膨脹石墨等)25%。從目前形勢(shì)看，近期內(nèi)石墨或石墨制品尚難有大的、新的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)石墨或石墨制品的需求不會(huì)有太大的增長(zhǎng)。
中國(guó)是世界上最大天然石墨生產(chǎn)國(guó)，2008年石墨生產(chǎn)達(dá)到165萬噸。中國(guó)的生產(chǎn)約占世界石墨或石墨總產(chǎn)量的55%。除天然石墨外，世界許多國(guó)家還生產(chǎn)人造石墨。2008年的石墨產(chǎn)量比2007年的150多萬噸，增加12多萬噸，約增加8%。對(duì)石墨行業(yè)來講，是一次大的發(fā)展。
鱗片狀石墨礦石結(jié)晶較好，晶體粒徑大于1mm，一般為0.05-1.5mm，大的可達(dá)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(zhǎng)石、石英、透閃石、透輝石、石榴石和少量硫鐵礦、方解石等，有時(shí)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(chǎn)于區(qū)域變質(zhì)成因礦床中，后一種礦石類型則產(chǎn)于巖漿熱液成因礦床中。2000年以來，由于浮選礦技術(shù)及機(jī)械設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，鱗片石墨產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)。
進(jìn)入2009年以來，國(guó)內(nèi)鱗片石墨出口下降，鱗片石墨出口量的急劇下降使國(guó)內(nèi)鱗片石墨庫(kù)存進(jìn)一步積壓，而受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，國(guó)內(nèi)鋼材以及下游制品、耐火材料等產(chǎn)業(yè)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(guó)鱗片石墨的庫(kù)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(guī)劃中提出了石墨深加工的方向的引導(dǎo)下，今后五年中國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的石墨深加工產(chǎn)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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)石墨也開發(fā)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(fā)的一種新的石墨制品。1971 年美國(guó)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(chǎn)石墨密封材料。這種產(chǎn)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(yè)領(lǐng)域。國(guó)際市場(chǎng)需求量逐年增長(zhǎng)。
制作半金屬摩擦材料。自70 年代以來，離合器和自動(dòng)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(jié)而成。這些自動(dòng)襯主要可用于高速設(shè)備，如飛機(jī)、卡車以及越野車的制動(dòng)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(lǐng)域石墨消耗量取決于汽車工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r。
三、石墨材料具有特性
石墨材料主要由多晶石墨構(gòu)成,屬于無機(jī)非金屬材料,但因它具有良好的熱,電傳導(dǎo)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(dǎo)性,同時(shí)具有遠(yuǎn)比金屬低的熱膨脹系數(shù),很高的熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性,這就使它在工程應(yīng)用中具有重要的價(jià)值.石墨具有很好的耐腐蝕性,不與任何有機(jī)化合物起反應(yīng).
石墨又是一種耐高溫材料,在高溫下石墨不會(huì)熔化,石墨還具有良好的抗熱震性能.石墨具有很好的自潤(rùn)滑性能.
石墨的缺點(diǎn)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(shù)
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(wěn)定，表面質(zhì)量越好。
對(duì)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(duì)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(tuán)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(duì)于精度要求特別高時(shí)，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(shí)，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(qiáng)度不同，導(dǎo)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(qiáng)度
材料的抗折強(qiáng)度是材料強(qiáng)度的直接體現(xiàn)，顯示材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度。強(qiáng)度高的材料，其放電的耐損耗性能相對(duì)較好，對(duì)于精度要求高的電極，盡量選擇強(qiáng)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(qiáng)度略高的材料TTK-5材料。
3.材料的肖氏硬度
在對(duì)石墨的潛意識(shí)認(rèn)識(shí)中，石墨一般會(huì)被認(rèn)為是一種比較軟的材料。但實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)及應(yīng)用情況顯示，石墨的硬度要比金屬材料高。在特種石墨行業(yè)中，通用的硬度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是肖氏硬度測(cè)量法，其測(cè)試原理與金屬的測(cè)試原理不同。由于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，使其在切削過程中有非常優(yōu)越的切削性能，切削力僅為銅材料的1/3左右，機(jī)械加工后的表面易于處理。 但由于其較高的硬度，在切削時(shí)，對(duì)于刀具的損耗會(huì)略大于切削金屬的刀具。與此同時(shí)，硬度高的材料在放電損耗方面的控制比較優(yōu)秀。在我司的EDM用材料體系中，對(duì)于應(yīng)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(duì)于放電和機(jī)械加工的偏重方向。
4.材料的固有電阻率

根據(jù)我司對(duì)于材料的特性統(tǒng)計(jì)，如果材料的平均顆粒相同，電阻率大的放電速度會(huì)比電阻率小的慢。對(duì)于同等平均粒徑的材料，電阻率小的材料，其強(qiáng)度和硬度也會(huì)相應(yīng)略低于電阻率高的材料。即，放電的速度、損耗會(huì)有所不同。故此，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要選擇材料非常重要。 由于粉末冶金的特殊性，對(duì)于每一個(gè)批號(hào)材料的各參數(shù)都有其材料的代表值有一定的波動(dòng)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(shù)造成的應(yīng)用效果的差異非常小。 電極材料的選擇直接關(guān)系到放電的效果，在很大程度上材料的選取是否恰當(dāng)，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(shù)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(shí)，一般材料早已化為氣體，或呈熔融狀態(tài)，就是一些難容的金屬在2500 ºC左右也會(huì)失去強(qiáng)度。如鎢是已知的金屬中熔點(diǎn)最高的，達(dá)3600 ºC，但在此溫度下石墨是不會(huì)融化的，它的熔點(diǎn)為3850 ºC±50 ºC，沸點(diǎn)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(jì)算，石墨算是0.8%，尼龍纖維增強(qiáng)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(qiáng)度逐漸降低，而石墨在加熱到2000 ºC，其強(qiáng)度反而較常溫時(shí)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(dāng)溫度急劇變化時(shí)，熱膨脹系數(shù)小，因而具有良好的熱穩(wěn)定性，在溫度急冷急熱的變化中，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。
3. 導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性
石墨具有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，雖然石墨的導(dǎo)電性不能與銅、鋁等技術(shù)相匹敵，但與一般的材料比，其導(dǎo)熱導(dǎo)電性是相當(dāng)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(dǎo)熱性，不僅超過鋼、鐵、鋁等金屬材料，而且隨溫度升高，導(dǎo)熱系數(shù)降低，這和一般金屬材料不同，一般技術(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)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(tài)。因此在超高溫條件下，石墨具有隔熱性。
4. 潤(rùn)滑性
石墨的潤(rùn)滑性能類似于二硫化鉬，摩擦系數(shù)小于0.1。其潤(rùn)滑性能隨鱗片大小而變，鱗片愈大，摩擦系數(shù)愈小，潤(rùn)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(qiáng)石墨硬度很大，以致用金剛石刀具都難以加工。
6. 化學(xué)穩(wěn)定性
常溫下石墨具有良好的文化穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑的腐蝕，但高溫時(shí)易氧化

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