膨胀石墨简介

（中国粉体技术网/三水）膨胀石墨是由天然鳞片石墨制得的一种疏松多孔的蠕虫状物质（见图1）,因此又叫作石墨蠕虫。早在十九世纪六十年代初，B.C.Brodic 在研究石墨性质时发现，把天然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂作用，在受热时石墨的体积会发生一定的膨胀。天然鳞片石墨是具有层状结构的晶体,每一层的碳原子以强有力的共价健组合成网状平面大分子,而层与层之间以很弱的范德华力结合,在强氧化剂的作用下,网状平面大分子变成带有正电荷的平面大分子,致使具有极性的H₂SO₄分子和硫酸氢根等负离子插入石墨层中形成可膨胀石墨,又叫石墨层间化合物(graphite intercalation compounds, GICs)。

图1  膨胀石墨的微观形貌

        1、膨胀石墨的结构
        从外观看来，膨胀石墨是一种疏松多孔而富于柔软性的物质。其比重特别小，有较大的比表面积，一般可达 50-200m²/g，孔径基本以中、大孔为主。
        从宏观结构上看,一个石墨蠕虫由多个“微胞”连接在一起组成。从微观结构上看,微胞内又有许多细小孔隙,形成了膨胀石墨丰富的孔隙结构。天然鳞片石墨内原有许多片层有序区,高温气化过程中,片层间的连接处首先被层间化合物(主要为C_n(HSO₄)_n和吸存水)的分解气流胀开,形成了膨胀石墨沿c轴的尺寸在几十至几百微米的第一级孔隙,即微胞之间较大的裂缝(图2a)。而片层有序区内部,若干亚片层之间受热不均匀变形形成几十微米的第二级孔(图2b),原来的一个片层有序区就对应着此时的一个微胞。亚片层内部的孔隙结构,呈多边型,取向无规,网络状互相连通,构成了膨胀石墨的尺寸在几至几十微米第三级孔结构(图2c)。在三级孔的孔壁上用SEM进行高倍放大,观察不到明显孔隙结构,表明三级孔壁上没有发达孔隙结构。但用N₂法可以测得有少量的纳米级微孔,将其归纳为第四级孔。

图2  膨胀石墨的微观孔结构

        2、膨胀石墨的性能
        （1）软、轻质、多孔、吸附性能好。由于膨胀石墨孔隙发达而且多以中大孔为主,所以易吸附大分子物质,尤其是非极性大分子；
        （2）耐高低温。膨胀石墨的耐温范围非常宽，能承受-200℃的超低温到3600℃的高温。做为密封材料，在非氧化介质或惰性气体中，在200-2500℃范围内使用时，高温不软化，低温不变脆，尤其不因压力和高温交变或受到震动，而出现密封失效。
        （3）耐氧化、耐腐蚀。在小于450℃空气中不氧化；除王水、浓硝酸、发烟硫酸和高温下的重铬酸钾、高锰酸盐等少数几个强氧化剂外,几乎能抗所有的化学介质的腐蚀，对绝大多数无机酸、碱和盐类都适用。
        （4）耐辐射。能承受中子射线、b射线、γ射线等放射性射线的长期照射而不分解、不变形、不老化；
        （5）各向异性：膨胀石墨在传热、导电和热膨胀等方面有优异的各向异性，平面层方向的热传导率比厚度方向大28倍，导电率大500倍。
        （6）表面活性：由于表面自由能迅速增加，表面活性增强，因而具有强的吸附性和自粘性，即使在不加任何粘合剂的情况下也可直接压制成各种制品。
        （7）自润滑性好：在外力的作用下，容易沿平面层方向产生相对滑移，形成自润滑性并有低的摩擦系数。
        （8）膨胀石墨还具有不渗透性,可挠性、回弹性优良等性质。