石墨是由哪些元素组成的,石墨烯技术有什么新突破?

样如金蹙小能轻

微润将融紫玉英

石墨一研为凤尾

寒泉半勺是龙睛

这是唐代诗人皮日休对石墨的描述。石墨在我国有悠久的应用历史。我国迄今所见最早的墨,是1975年在湖北云梦秦墓出土的墨块。据李孝美在《墨谱》中记载,最早的墨是用漆和石粉所做。陶宗仅在《辍耕录》卷二十九中说,中古时期出现了用石头磨墨。古人对利用石墨,开创了文明的新篇章。未来,它仍将是改变世界的秘密武器。

新疆黄羊山球状晶质石墨矿石 湖南鲁塘块状隐晶质石墨矿石(李超等,2015)

自然界中的碳和石墨

2013年世界石墨储量统计(颜玲亚,2014)

石墨是自然界中天然存在的最软的矿物之一,但它和最硬的金刚石有着相同的化学组成——碳元素。它们都是由地质作用形成的天然产物,只是内部结构的不同导致了他们的物理性质完全不同。随着科技的发展,石墨用途愈加广泛,也充分展示了现代科技的力量。

石墨在许多工业和技术应用领域都能大显神通。由于耐高低温和导电性,石墨可用于耐火材料、颜料等原料。随着对石墨抗腐蚀、抗辐射、自润滑等性质认识的深入,其应用领域也愈加广泛,出现了高纯石墨、核工业用石墨、石墨纤维、浸硅石墨等。

世界生产天然石墨的国家有20多个,主要是中国、印度、墨西哥、马达加斯加和巴西。中国石墨资源丰富,总保有量多年居世界之首

主要分布于黑龙江、内蒙古、山西、四川、山东、湖南和新疆等省区。

我国墨矿床根据成因分为区域变质型、接触变质型和岩浆热液型。

区域变质型主要与区域变质作用密切相关,分布在古老地台周缘的元古代地层中,以产出晶质石墨为主,是最重要的石墨矿产类型。

接触变质型主要分布在滨太平洋构造域活动大陆边缘活动带,与加里东期、燕山期岩浆活动有关,矿体分布在岩体外接触带,品位高但规模较小,以产出隐晶质石墨为主。

岩浆热液型石墨矿较少,产于碱性花岗岩中,新疆苏吉泉石墨矿床最为典型,以鳞片状结构,含鳞片状晶质石墨为主。

新疆黄羊山石墨矿——找矿突破行动成果

新疆黄羊山石墨矿床中的球状石墨

新疆昌吉州奇台县黄羊山石墨矿,是迄今为止国内规模最大的晶质石墨矿床。2015~2017年,中国地质调查局在奇台县黄羊山地区实现晶质石墨矿找矿重大突破,在Ⅰ-1找矿靶区新发现两个矿体,共估算晶质石墨矿物资源量7264万吨,达超大型矿床规模,超过目前国内所有晶质石墨矿床晶质石墨矿物资源量的总和。黄羊山石墨矿床由8个矿体组成,均赋存于不同期次的花岗岩中。石墨矿床发育典型的球状构造,矿石质量高,可选性好,具有较好的开发利用前景。

黄羊山石墨矿岩芯及微米CT扫描

在显微镜下观察,黄羊山石墨矿石成纤维状、束状,并发育磁铁矿、黄铜矿和磁黄铁矿等金属矿物。在石墨矿的岩芯中,发育球状石墨和硫化物,利用微米CT扫描技术,显示石墨与金属硫化物具有密切共生关系,有些黄铜矿和磁黄铁矿颗粒被石墨簇穿切,表明石墨的形成晚于金属硫化物。

项目野外勘查现场

地质学家研究认为,黄羊山石墨矿床形成于碱性岩浆上侵过程中同化混染有机碳质,在结晶分异过程中发生流体不混溶作用,最终形成球状石墨,属于岩浆型矿床。这是我国发现的首个超大型岩浆岩型晶质石墨矿,是自然资源部会同科技部共同实施找矿突破行动的巨大成果,开辟了岩浆岩型晶质石墨矿找矿新领域,改变了新疆石墨资源稀缺的局面和我国晶质石墨资源“东多西少”的分布格局。

地质工作者和科研人员在新疆昌吉州奇台县黄羊山石墨矿区勘查

石墨的应用

在高端装备制造领域,石墨用作原子弹反应堆中的中子减速剂和防护材料。柔性石墨用于原子能阀门密闭;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,人造卫星上的无线电链接和导电结构材料等。

在新能源制造领域,核能用高温气冷型燃料基体材料需用天然鳞片石墨,利用石墨良好的导电性制成太阳能电池、风力发电储能用电池, 此外以天然石墨为原料,生产锂离子电池、新型动力电池、超级电容,用于混合动力汽车、电动汽车、太阳能汽车等领域。

在信息技术领域,石墨锂电池用于通讯基站、笔记本电脑、手机等充电器,石墨烯超级电容为电信和数据通讯提供能量储存,石墨烯还可制成可折叠的显示屏,未来石墨烯用于计算机芯片,制造下一代超级计算机。

在新材料领域,石墨与其他元素的复合材料,应用于海洋、化工等领域的石墨烯重防腐涂料,新一代石墨烯无机粉末涂料,用于不粘锅涂料及LED灯具的石墨烯导热涂料等。

石墨电池

“黑”科技—石墨烯

石墨烯的出现,在科学界激起了巨大的波澜,吸引了世人的目光。世界各高、精、尖领域都出现石墨烯的身影。也促使天然石墨产业现代化发展日新月异,石墨也成了众多“黑”科技的原材料。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料

2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫,在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯,从而证实石墨烯可以单独存在,两人也因此获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨也一跃成为当今炙手可热的重大战略资源

石墨烯作为目前发现的最薄(0.142纳米)、最坚硬、导电导热最快的材料之一,被广泛用于现代高科技领域。一支铅笔在纸上留下的痕迹,可能都会有几倍甚至十几倍的石墨烯的厚度。

石墨烯以其独特的力学和电学特性被称为“神奇材料”,中国科学技术大学吴恒安教授团队与诺奖得主的英国曼彻斯特大学安德烈•海姆教授课题组合作,在石墨烯功能材料研究方面取得突破性进展,发现了氧化石墨烯薄膜具有精密快速筛选离子的性能。山西大学激光光谱研究所陈旭远团队,利用等离子体增强化学气相沉积工艺合成了高达80微米的超高竖直石墨烯,并应用于超级电容器中,展现出了优越的电化学性能及储能能力。

美国、中国、欧盟、日本、印度等国家将石墨作为“关键矿产”或“战略性矿产”。有研究人员预计2030年中国石墨需求将会达到138.7万吨。石墨资源的开发备受世界矿业界关注,石墨的深加工和有效利用日益成为国际新材料领域的科技前沿,石墨成为21世纪名副其实“黑”科技的源泉。

文章来源自《地球》杂志2021年第六期

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