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南墅石墨矿与神奇的石墨烯的发现

2013-05-28 11:56:00 来源:矿秘书网采编 评论(0)
至柔则刚 —南墅石墨矿与石墨烯的发现与应用

石墨简介

石墨芯不含铅,其主要成分是石墨石墨芯不含铅,其主要成分是石墨

截止2006年底,我国已查明资源储量的非金属矿产91种,其中储量居世界前列的有20余种,而石墨以储量和产量均占世界的一半左右而高居榜首。在我国二十多个省区市,都已发现石墨矿点,并形成了山东南墅、黑龙江柳毛、内蒙古兴和三大(晶质)石墨生产基地,集中了全国晶质石墨保有储量的90%以上,隐晶质石墨则主要分布在湖南、吉林等省。

石墨是国民经济发展所需的重要非金属矿产品,是碳元素的结晶矿物之一,具有润滑性、化学稳定性、耐高温、导电、特殊的导热性和可塑性、涂敷性等优良性能,应用领域广泛。石墨在冶金工业中,可用作耐火材料。在铸造业中,可用作铸模和防锈涂料。在电气工业中,可用于生产碳素电极、电极碳棒、电池,制成的石墨乳可用作电视机显像管涂料,制成的碳素制品可用于发电机、电动机、通讯器材等。在机械工业中,可用作飞机、轮船、火车等高速运转机械的润滑剂。在化学工业中,可用于制造各种抗腐蚀器皿和设备。在核工业中,可用作原子反应堆中的中子减速剂和防护材料。在航天工业中,可做火箭发动机尾喷管喉衬,火箭、导弹的隔热、耐热材料,以及人造卫星上的无线电连接信号和导电结构材料。此外,石墨还可作为玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂,作为制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石的原料。随着现代科学技术和工业的发展,石墨的应用领域仍在不断拓宽,已成为高科技领域中新型复合材料的重要原料。

 中国石墨矿简史                

中国发现和利用石墨的历史悠久,古籍中多有记载。古代地理学名著《水经注》中写道:"洛水侧有石墨山。山石尽黑,可以书疏,故以石墨名山矣。"从考古发掘的甲骨、玉片、陶片发现,早在三千多年前的商代,就有用石墨书写的文字;直至东汉末年(220),石墨作为书墨的历史才被松烟墨取代。

山东南墅石墨山山东南墅石墨山

进入20世纪之后,采用石墨制造电池和铅笔的技术传人中国。由于铅在岩石或墙壁上书写时,会有黑色痕迹,因此在古希腊及罗马时代,人们使用铅作为绘图及写字工具。中国古时,书写于绢帛及纸上,若有错误,则以铅粉涂改,所以古文中确有"铅笔"一词,但与现代的铅笔不同。15世纪时,石墨矿被发现,当时的人并不知道石墨的成分,就称石墨为黑铅。大约在1492年,英国开始有人使用石墨制成的铅笔。这种铅笔由石墨研磨成粉与黏土混合,再灌入两片半圆型的木管内制成。一直到1779年,科学家才知道石墨是碳的一种形式。

石墨被应用于中国近代工业后,推动了石墨采掘业的发展。湖南、陕西、黑龙江、山东等省先后都有石墨矿的发现和开采。从20年代起,一些学者就曾进行过石墨矿的地质调查,如梁津对福建南屏铅矿的调查,侯德封、曾世录、南延宗、廖友仁、卢衍豪、高俊西、李均衡、王日伦等人对四川、河南、福建、陕西、甘肃等地一些矿点的调查。但是1949年以前开采的矿山都未做过正规的地质勘查工作。

1949年之后,国家对石墨矿进行了大量的地质勘查工作。早在50年代初,华东工业部就派地质队开始勘查南墅一带的石墨资源。其后,建材和地矿等系统的地质队,在60年代勘探南墅、兴和、鲁塘、磐石等1990年,中国石墨生产出现高峰,年产量67.9万吨,出口量14.1万吨。1995年再次出现新的生产高峰,年产量达216.3万吨,其中鳞片石墨产量达54.9万吨,出口量15.4万吨。目前。我国石墨矿业拥有国有骨干矿山9座,地方国有矿山15座,集体及乡镇采选厂矿187家,各种加工厂180余家,形成以黑龙江柳毛、山东南墅、内蒙古兴和为重点的晶质石墨生产基地,以及以湖南鲁塘为中心的隐晶质石墨生产基地。

五十多年来,地质工作者们不仅查明扩大了老矿山的矿产储量,而且还新发现了大批矿产地,探明了大量可供工业利用的储量和丰富的后备资源,较全面地掌握了中国石墨矿产资源的特征和分布规律。中国石墨矿业历经近百年沧桑,新中国成立后虽然历经曲折,但总体发展显著,业已形成为采矿、选矿、加工、质量提纯和石墨制品等系列配套的综合性产业。产品形成20多个品种、272个牌号,产品质量、粒度分级及粉碎加工方法均达到世界先进水平。同时,由于不断开拓深加工产品,产品结构也发生较大改善,已能生产代表当代国际先进水平的彩电管石墨乳,GRT节能减磨添加剂、可膨胀石墨、石墨板材、石墨密封件和石墨耐火材料等六大类近一千种深加工产品,使石墨成为中国非金属优势矿产之一。

 山东莱西南墅石墨矿的发现经过                

鳞片石墨复合板材合鳞片石墨复合板材合

南墅石墨矿位于莱西市南墅镇西北约3公里,东南至蓝烟铁路莱西站24.5公里,矿区到莱西站有窄轨铁路专线相连,区内公路纵横交错,交通方便。矿区范围南北长7.5公里,东西宽6公里,是我国晶质石墨矿的重要产地之一。

矿区位于胶北占隆起区西南部南墅断块刘家庄背斜核部,矿床属于下元古代中——深变质岩系中的晶质石墨矿床,含矿岩系为下元古界粉子山群的大理岩夹石榴斜长片麻岩段和斜长角闪岩及透辉岩段。南墅石墨矿分岳石和刘家庄两个矿区,矿体产出具有固定层位,呈似层状或透镜状产出。

南墅石墨矿的勘查与开采较早。早在1926年河北省人张景山曾到南墅进行石墨矿产调查,准备在刘家庄采矿,因与山东人丁世生发生矿权之争而中止。1936年,张会若在《矿冶》发表《山东矿产分布及储量》一文,其中介绍了南墅石墨矿。1943年,日本人曾在南墅设采场及选厂采选石墨,1945年日本投降时停产。

新中国成立后,为发展国民经济,1949年12月,华东工业部矿产勘测处技术员沙光文、王承棋、谢继哲等人,应山东省政府有关部门的邀请,来矿区勘查石墨矿。勘探历时半月,测勘范围北至东馆、石庙,南到白石山,西至下店、荫山,东抵院上、徐家庄,面积约45平方公里.1950年3月,编写提交了《山东莱阳县南墅石墨矿简报》,对该区石墨矿作了初步评价。该报告认为,区内石墨矿分布甚广,矿石质量上佳,实为我国罕见之石墨产地。全区分9个矿段,推算深度为65米,估算储量为3291万吨,纯石墨以10%-20%计算。固定碳储量635万吨。

50年代后期,矿山生产逐步走上正规,迫切要求详细查明石墨矿产资源,以作为生产建设的地质依据。1957年2月冶金部地质局华北分局五O一队,对正在开采的岳石矿区开展了系统而全面的地质勘探工作,在2平方公里范围内测制1:2000地形地质图,矿体露头部分分别以25米、50米及100米间距布设探槽36条,投人工作量2936立方米,深部以50 x 50米、100 x 100米及200 x 200米网度进行钻探控制,共投入钻探工作量2898米(22个孔)。1958年5月,柏承政等编写提交了《山东省莱西县南墅石墨矿岳石矿区详细勘探总结报告》,载明石墨矿的工业储量为1905万吨,远景储量461万吨,平均固定碳含量5.41%. 1959年12月,该勘探报告通过了山东省储委的审查批准,为此后的矿山生产建设提供了设计依据。

1962年3月,山东省储委重新复审岳石矿区勘探报告时,认为矿床勘探程度和地质研究程度不够,全部高级储量降为原Cl级储量,报告定为阶段性勘探报告,并要求重新补勘。同年,由建筑材料工业部非金属地质公司一O三队根据省储委复审意见,对岳石矿区进行补充勘探,投入探榴和剥土工程41条5799立方米,钻探29个孔,计3567米。1964年12月,由樊颂华等编写提交了《山东省莱西县南墅石墨矿岳石矿区补充勘探报告》,累计探明石墨矿物储量301.5万吨,其中工业储量225万吨。1965年5月,该勘探报告通过了山东省储委的审查批准。

1958年,五0一队在结束岳石矿区勘探后,随即转入刘家庄矿区普查,在矿区东西长2500米、南北宽500米范围内,地表沿矿体走向以100米间距布设探槽36条3853立方米,深部以400 x 100米网度进行钻探控制,共投入钻探工作量844米(5个孔)。1959年1月提交了《山东省莱西县南墅石墨矿刘家庄矿区普查勘探总结报告》,探明石墨矿石远景储量1583万吨,平均碳含量4.24%。从地勘部门提交第一份地质报告之后的三十年中,南墅石墨矿本身也作了大量勘探工作,如在露天采场平台以25米间距布设槽探工程,搞清了开拓范围内矿体形态、产状、厚度及质量变化情况,进行储量升级。截至1991年底,南墅石墨矿岳石矿区和刘家庄矿区累计探明石墨矿工业储量271.9万吨,远景储蟹121.5万吨。

南墅石墨矿属优质鳞片石墨矿床,所产鳞片状晶质石墨具有耐高温、导电、导热及良好的润滑性能,化学性能非常稳定,并有反射原子射线的特性,可广泛应用于军工、冶金、机械、化工、轻工、原子能工业等。

   石墨烯的发现、性能和用途               

石墨的孪生兄弟——钻石

提起钻石,人们就会联想到它那璀璨夺目、光芒四射的形象。钻石是金刚石经过琢磨之后的称谓。天然的金刚石是稀有资源,所以价格昂贵,大多数人只能对它望而却步。尽管如此,人们对钻石还是十分艳羡。正因为可做"钻石"用的天然金刚石十分罕见,人们才想到用人造金刚石来代替它,这样自然而然地就想到了金刚石的孪生兄弟—石墨。

金刚石和石墨的化学成分都是碳(C),称"同素异形体’。它们具有相同的"质",但"形"或"性"却有天壤之别—金刚石是目前世界上最硬的物质,而石墨却是最软的物质之一。虽然石墨和金刚石的硬度差别如此之大,但人们还是希望能用人工合成的方法来获取金刚石,因为自然界中石墨(碳的)藏量十分丰富。但是,要使石墨中的碳变成金刚石那样排列的碳实非易事。石墨在5-6万大气压((5-6) x 103MPa〕及摄氏1000-2000度高温下,再用金属铁、钻、镍等做催化剂,可使石墨转变成金刚石。目前世界上已有十几个国家(包括我国)能够合成人造金刚石。但这种金刚石因为颗粒很细,主要用途是做磨料,用于切削物质,以及制造地质钻探和石油钻机使用的钻头。当前,在世界金刚石的消费构成中,80%的人造金刚石用于工业生产,其产量已经远远超过天然金刚石的产量。最初合成的金刚石颗粒呈黑色,0.5毫米大小,重约0.1克拉(用于宝石的金刚石一般最小不能小于0.1克拉)。现在,我国研制的大颗粒金刚石达3毫米以上,美国、日本等已制成6.1克拉多的金刚石。之所以说金刚石已从石墨中"飞"出,是因为宝石级的人造金刚石在不久的将来,就可供应市场。

石墨烯的出现

石墨烯出现在实验室中是在2004年,由英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特·诺沃塞洛夫(两人因此获得2010年诺贝尔物理学奖)发现,他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。实际上,石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料即碳的二维结构。人们常见的石墨,由一层层蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而成。石墨的层问作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片,当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。研究人员发现,在石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算,这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的《厚度约100纳米)石墨烯,那么需要施加差不多两万牛顿的压力才能将其扯断。换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。所以说,迄今为止,石墨烯是世界上已经发现的最薄和最坚硬的物质。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现,石墨烯具有非同寻常的导电性能,具有超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性.它的出现,有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,而传统的半导体和导体,例如铜和硅远不如石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞,传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量,目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70-80%的电能;而石墨烯则不同,它的电子能量不会被损耗。

石墨烯石墨烯

石墨烯是一种可能颠覆人类生活的产品,应用领域广泛。美国普林斯顿大学的研究人员指出,若是采用石墨烯(graphene)电极,锂电池的充电时间将能从2小时缩短到只要10分钟。现在,科学家制备石墨烯的新方法层出不穷,石墨烯广泛应用于工业化生产的日子指日可待。但由于将这种产品生产出来并不容易,因此其市场价格奇高:一克石墨烯可卖到5000元,是黄金价格的十几倍。号称国内首家从事石墨烯生产的厦门凯纳石墨技术有限公司,年产量仅为20-30克。

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(1)张湛《中国非金属矿行业概况和发展前景》中国非金属矿资讯网2009年2月.
(2)本书编委会编《中国矿床发现史·山东卷》地质出版社1996年10月版.
《中国矿藏大发现》鲁成伟 韩震媛/文

 

责任编辑:[金筱维]

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