详解炭素材料与石墨材料的区别
2020-12-18 17:42:27
由于炭素材料与石墨材料在外观、特性上有较多的相似点，现实中很多人不太了解如何去区分二者间的关系。本文就此作一下详解介绍。
碳元素存在三种最常见的同素异形体：无定形碳、石墨、金刚石。
金刚石分子结构及外观图
金刚石,它是一种由碳元素组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的物质，素有“硬度之王”和宝石之王的美称。金刚石的结晶体的角度是54度44分8秒。20世纪50年代，美国以石墨为原料，在高温高压下成功制造出人造金刚石，至今人造金刚石已经广泛用于生产和生活中。
无定型碳一般指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。除骨炭含碳在10%左右以外，其余主要成分都是单质碳。煤炭是天然存在的无定形碳，其中含有一些由碳、氢、氮等组成的化合物。所谓无定形碳，并不是指这些物质存在的形状，而是指其内部结构。实际上它们的内部结构并不是真正的无定形体，而是具有和石墨近似结构的晶体，只是由碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱且不规则，晶体形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量杂质。大部分无定形碳是石墨层型结构的分子碎片大致相互平行地，无规则地堆积在一起，可简称为乱层结构。层间或碎片之间用金刚石结构的四面体成键方式的碳原子键连起来。当这种四面体的碳原子所占的比例多时，则无定型碳会比较坚硬，如焦碳和玻璃态碳等属于这种情况。
无定形碳分子结构及外观图
工业上常用的炭素制品是指使用无定型碳原料（例如煤炭、石油焦、沥青焦等）提纯后的碳制品。随原料和加工工艺的不同，这类炭素制品中的碳元素晶体结构含的石墨晶体结构比例会有所不同。一般来说是含的石墨晶体结构成分越多，碳的纯度越高，性能和价格就越高。由于炭素材料与石墨材料本质上的区别并不大，很多炭素制品也被冠以了“石墨XX”的称谓。这也是石墨和炭素两个词汇概念产生混淆的根源。例如炼钢工业中常用的大型电极称为“石墨电极”，其实它是炭素制品，并非真正意义上的石墨制成的电极。从外观形式上说，常见炭素制品体积较大，如冶金用电极、冶炼炉的内衬砖（炭素块），炭素散热器等等。
石墨分子结构及外观图
石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨有天然石墨和人造石墨之分。天然石墨矿又分为土状石墨和鳞片石墨，其中鳞片石墨是更为优质的天然石墨。人造石墨则是指将属于无定型碳分类的炭素材料进深加工，提高了碳的纯度，进一步增加了石墨状晶体结构的比例后获得的石墨材料。石墨材料跟炭素材料一样可以制成电极、耐火材料等工业品。但是由于其具有更多的优异特性，在许多高端领域都有应用。例如耐高温润滑剂、电池材料包覆改性等等。
综上所述，从宽泛的意义上说：炭素材料其实是含有较多无定型碳结构的碳材料。石墨材料则是以石墨晶体为主的碳材料。二者都具有很多相同共性，但又有明显区别。
（ ：敬之）