石墨深加工与石墨烯生产制造项目可行性研究报告.pdf
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1、避第堇呼 北京智博睿信息咨询有限公司 联系方式:182-1110-2808石墨深加工与石墨烯生产制造项目 可行性研究报告1.1 项目背景1.1.1 石墨行业发展现状石墨是在高温下形成。分布最广是石墨的变质矿床,系由富含有 机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成;石墨在工业上用途很广,用于制作冶炼上的高温生蜗、机械工业的润滑剂、制作电极和铅笔芯;广泛用于冶金工业的高级耐火材料与涂料、军事工业火工材料安定 剂、轻工业的铅笔芯、电气工业的碳刷、电池工业的电极、化肥工业 催化剂等。鳞片石墨经过深加工,又可生产出石墨乳、石墨密封材料 与复合材料、石墨制品、石墨减磨添加剂等高新技术产品,成为各个 工业部门的
2、重要非金属矿物原料具体来说,石墨一般应用于以下领域:1、作耐火材料石墨的一个主要用途是生产耐火材料,包括耐火而专、甜锅、连续 铸造粉、铸模芯、铸模洗涤剂等。近20年来,耐火材料工业中两个 重要的变化是镁碳石专在炼钢炉内衬中被广泛应用,以及铝碳荒在连续 铸造中的应用。使石墨耐火材料与炼钢业紧密相连,全世界炼钢业约 消耗70%的耐火材料。避第堇呼 北京智博睿信息咨询有限公司 联系方式:182-1110-2808(1)镁碳砖镁碳耐火材料是60年代中期,由美国研制成功,70年代,日本 炼钢业开始把镁碳砖用于水冷却电弧炉炼钢中。目前在世界范围内镁 碳砖已大量用于炼钢,并已成为石墨的一种传统用途。80年代
3、初,镁碳砖开始用于氧气顶吹转炉的炉衬。目前英国用作氧气顶吹炼钢炉 衬的材料大部分是镁碳砖,炉衬寿命为1000次一 1500次,而日本,炉衬的寿命为2000次 2500次。(2)铝碳砖铝碳耐火材料主要用于连续铸造、扁钢坯自位输管道的保护罩,水下喷管以及油井爆破筒等。在日本用连续铸造生产的钢占总生产量 的90%以上,英国为60%。(3)生锅及有关制品用石墨制造的成型和耐火的甜锅及其有关制品,例如甜锅、曲颈 瓶、塞头和喷嘴等,具有高耐火性,低的热膨胀性,熔炼金属过程中,受到金属浸润和冲刷时亦稳定,高下良好的热震稳定性和优良的热传 导性,所以石墨增锅及其有关制品被广泛用于直接熔融金属的工艺 中。传统的
4、石墨粘土玷锅用含碳量大于85%的鳞片石墨制造,通常 石墨鳞片应大于100目(BSS筛),而目前国外在柑祸生产技术中的 重要改进是,所用石墨的类型、鳞片大小和质量有了更大的灵活性;其次是用碳化硅石墨柑祸替代了传统的粘土石墨珀锅,这是随着炼钢 2避墓需稼 北京智博睿信息咨询有限公司 联系方式:182-1110-2808工业中恒压技术的引进而产生的。采用恒压技术还可以使小鳞片石墨 得到应用,在粘土石墨增锅中,含碳量达90%的大鳞片石墨约占 45%,而在碳化硅石墨珀锅中,大鳞片成分的含量仅占30%,石墨 的含碳量降为80%。2、炼钢石墨和其他杂质材料用于炼钢工业时可作为增碳剂。渗碳使用的 碳质材料的范
5、围很广,包括人造石墨、石油焦、冶金焦炭和天然石墨。在世界范围内炼钢增碳剂用石墨仍是土状石墨的主要用途之一。3、作导电材料石墨在电气工业中广泛用来作电极、电刷、碳棒、碳管、水银整 流器的正极、石墨垫圈、电话零件、电视机显像管的涂层等等。其中 以石墨电极应用最广,在冶炼各种合金钢、铁合金时,使用石墨电极,这时强大的电流通过电极导入电炉的熔炼区,产生电弧,使电能转化 为热能,度升高到2000C左右,从而达到熔炼或反应的目的。止匕外,在电解金属镁、铝、钠时,电解槽的阳极也用石墨电极。生产金刚砂 的电阻炉也用石墨电极作炉头导电材料。电气工业中所使用的石墨,对粒度和品位要求很高。如碱性蓄电 池和一些特殊的
6、电碳制品,要求石墨粒度控制在150目325目(0.1mm 0.042mm)范围内,品位90%-99%以上,有害杂质(主 要是金属铁)要求在10%以下。4、作耐磨和润滑材料3避第堇呼 北京智博睿信息咨询有限公司 联系方式:182-1110-2808石墨在机械工业中常作润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用,而石墨耐磨材料可以在一 200-2000C度并在 很高的滑动速度下dOOm/S)不用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的 设备,广泛采用石墨材料制成活塞环、密封圈和轴承,它们运转时,勿需加入润滑油,石墨乳也是许多金属加工(拔丝、拉管)时的良好 的润滑剂。5、作耐腐蚀材料石墨具有良好的化
7、学稳定性。经过特殊加工的石墨,具有耐腐蚀、导热性好、渗透率低等特点,而广泛用于制作热交换器、反应槽、凝 缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵等设备。这些 设备用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部 门,可节省大量的金属材料。6、作铸造、翻砂、压模及高冶金材料由于石墨的膨胀系数小,而且能耐急冷急热的变化,可作为玻璃 器皿的铸模,使用石墨后,黑色金属得到的铸件尺寸精确,表面光洁,成品率高,不经加工或稍作加工就可使用,因而节省了大量金属。生 产硬质合金等粉末冶金工艺,通常用石墨材料制成压模和烧结用的舟 皿。单晶硅的晶体生长柑祸、区域精炼容器、支架、夹具、感应加热 器等,
8、都是用高纯石墨加工而成的。此外,石墨还可以作真空冶炼的 石墨隔热板和底座,高电阻炉炉管、棒、板、格棚等元件。7、用于原子能工业和国防工业4避舅原稼 北京智博睿信息咨询有限公司 联系方式:182-1110-2808石墨具有良好的中子减速性能,最早作为减速剂用于原子反应堆 中,铀一石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆。作为动力用 的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点、稳定、耐腐蚀的性能,石墨完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的石墨纯度要求很 高,杂质含量不应超过几十个PPm(PPm为百万分之一),特别是其中 硼的含量应小于0.3PPm。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭 的喷嘴,导弹
9、的鼻锥,宇宙航行设备的零件,隔热材料和防射线材料。8、作防垢防锈材料石墨能防止锅炉结垢,有关单位试验表明,在水中加入一定量的 石墨粉(每吨水大约用49 59),能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂 在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐和防锈。中国具有丰富的天然石墨资源,特别是晶质的鳞片石墨,储量、产量以及国际贸易量均居世界首位,堪称石墨大国。世界已探明的晶 质石墨储量2.3亿吨,中国占有1.7亿吨,世界远景储量7亿吨,中国为4亿吨。晶质石墨资源在中国分布广泛,几乎各个省区均有,主要产地在黑龙江、山东、内蒙、湖北等。微晶石墨,中国主要产地 是湖南、吉林、内蒙等地。中国虽然具有丰富的石墨资源,但从产业
10、发展上并不是石墨强 国。一些高技术含量的天然石墨产品,中国还需从缺乏石墨资源的发 达国家进口。在市场上经过初步加工的天然鳞片石墨价格约在300美 元/t左右,微粉石墨根据粒度不同价格在500-2000美元/t左右,5避墓需稼 北京智博睿信息咨询有限公司 联系方式:182-1110-2808球形石墨的价格约为2030美元/公斤,氟化石墨的价格约在300 600美元/公斤。因此通过深加工可以很好地提升石墨的价值。鉴于上述背景,石墨的深加工项目很有潜力,一方面石墨的应用 前景将越来越广泛,另一方面深加工领域在国内比较少,具有较高的 利润空间。项目方应当迅速利用自己在石墨领域的优势开展石墨深加 工项目
11、,在取得自身发展的同时推动我国石墨行业的健康发展。1.1.2 石墨烯发展现状2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。2004年 英国曼彻斯特大学的安德烈.海姆教授和康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授 通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯,为此他们二人 也荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯纳米薄片是一种只有一层或几层原子厚度的纯碳原子结 构,其C-C键以sp2结合,形成一个密集的蜂窝状晶格结构。由于它 具有独特的二维碳纳米结构以及优异的物理属性,使得其在物理学、材料科学以及凝聚态物理等领域引起了人们的广泛兴趣。同时由于它 们具有无毒、化学和热学性能优异、导电率大、机械强度大的特性,
12、使得以石墨烯为基础的材料有着广泛的工业应用范围,如可用作吸附 剂、催化剂载体、热传输媒体,可制成具有精细结构的电子元件,应 用于电池/电容器,即使在生物技术方面也可得到应用。特别地,随 着碳材料性能的不断改进,使得其逐渐成为能源领域的主导,如在对 存储设备要求高的氢储存、燃料电池、太阳能电池以及锂离子电池、6联系方式:182-1110-2808避鼻莱嘉 北京智博睿信息咨询有限公司电容器等方面应用广泛。石墨烯的分子结构石墨烯是目前已知的最薄的一种材料,单层的石墨烯只有一个碳 原子的厚度,这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性。导电性极强:石墨烯中的电子没有质量,电子的运动速度超过了 在其他
13、金属单体或是半导体中的运动速度,能够达到光速的1/300,正因如此,石墨烯拥有超强的导电性。超高强度:石墨是矿物质中最软的,其莫氏硬度只有2级,但 被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后,性能则发生突变,其硬度将比 莫氏硬度10级的金刚石还高,却又拥有很好的韧性,且可以弯曲。超大比表面积:由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚,即0.335 纳米,所以石墨烯拥有超大的比表面积,理想的单层石墨烯的比表面 积能够达到2630m2/g,而普通的活性炭的比表面积为1500m2/g,超 大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。石墨烯是种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳材料,在 半导体产业、光伏产业、锂离子
14、电池、航天、军工、新一代显示器等7避第堇呼 北京智博睿信息咨询有限公司 联系方式:182-1110-2808传统领域和新兴领域都将带来革命性的技术进步。目前研究表明,石 墨烯可能广泛应用于如下领域:1、透明电极工业上已经商业化的透明薄膜材料是氧化锢锡(IT0),由于锢元 素在地球上的含量有限,价格昂贵,尤其是毒性很大,使它的应用受 到限制。作为炭质材料的新星,石锡的替代材料,石墨烯以制备工艺 简单、成本低的优点为其商业化铺平了道路。Mullen研究组通过浸 渍涂布法沉积被热退火还原的石墨烯,薄膜电阻为900Q,透光率为 70%,薄膜被做成了染料太阳能电池的正极,太阳能电池的能量转化 效率为0.
15、26%。2009年,该研究组采用乙快做还原气和碳源,采用 高温还原方法制备了高电导率(1425S/cm)的石墨烯,为石墨烯作为 导电玻璃的替代材料提供了可能。2、传感器电化学生物传感器技术结合了信息技术和生物技术,涉及化学、生物学、物理学和电子学等交叉学科。石墨烯出现以后,研究者发现 石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转移,这使它成为电化学生物传感器的理想材料。Chen等采用低温热退火 的方法制备的石墨烯作为传感器的电极材料,在室温下可以检测到低 浓度NO2,作者认为如果进一步提高石墨烯的质量,则会提高传感器 对气体检测的灵敏度。石墨烯在传感器方面表现出不同于其它材料的 潜
16、能,使越来越多的医学家关注它,目前石墨烯还被用于医学上检测8避墓需稼 北京智博睿信息咨询有限公司 联系方式:182-1110-2808多巴胺、葡萄糖等。3、超级电容器超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系,它具有功率密度 大,容量大,使用寿命长,经济环保等优点,被广泛应用于各种电源 供应场所。石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率,不像多孑L碳材 料电极要依赖孔的分布,这使它成为最有潜力的电极材料。Chen等 以石墨烯为电极材料制备的超级电容器功率密度为10kW/kg,能量 密度为28.5Wh/kg,最大比电容为205F/g,而且经过1200次循环 充放电测试后还保留90%的比电容,拥有较长的循
17、环寿命。石墨烯 在超级电容器方面的潜在应用受到更多的研究者关注。4、能源存储众所周知,材料吸附氢气量和其比表面积成正比,石墨烯拥有质 量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点,使其成为储氢材料的最佳 候选者。希腊大学Froudakis等设计了新型3D碳材料,孔径尺寸可 调,他们将其称为石墨烯柱。当这种新型碳材料掺杂了锂原子时,石 墨烯柱的储氢量可达到6.l%(wt)。Ataca等用钙原子(Ca)掺杂石墨 烯,利用第一性原理和从头算起的方法得到石墨烯被Ca原子掺杂后 储氢量约为8.4%(wt);他们还发现氢分子的键能适合在室温下吸/放氢,Ca会留在石墨烯表面,有利于循环使用。Alaa的研究结果 又一
18、次推动石墨烯储氢向前迈进一步。5、复合材料9避墓需稼 北京智博睿信息咨询有限公司 联系方式:182-1110-2808石墨烯独特的物理、化学和机械性能为复合材料的开发提供了原 动力,可望开辟诸多新颖的应用领域,诸如新型导电高分子材料、多 功能聚合物复合材料和高强度多孔陶瓷材料等。Fan等利用石墨烯的 高比表面积和高的电子迁移率,制备了以石墨烯为支撑材料的聚苯胺 石墨烯复合物,该复合物拥有高的比电容(1046F/g)远远大于纯聚苯 胺的比电客115F/go石墨烯的加入提高了复合材料的多功能性和复 合材料的加工性能等,为复合材料提供了更广阔的应用领域。石墨烯目前仍然处于研究阶段,全球范围内都没有实
19、施大规模量 产的先例,这主要是由于制备石墨烯的技术工艺不成熟,还没有达到 一致性的品质,而且成品面积都非常小,不能适应工业化应用。目前 石墨烯主要的制造方法包括四种,分别是:微机械剥离法、外延生长 法、氧化石墨还原法和气象沉积法。尽管石墨烯未全面实现产业化,但高达2000元/克的产品价格和广阔的市场前景更是让各方对石墨 烯研究一直没有停止过。各国目前都在积极进行石墨烯的研究和专利布局,如陶氏化学、通用、三星电子株式会社、施乐公司等等国际大牌厂商都在积极推进 石墨烯产业的研究,从2004年至今,国际上关于石墨烯的专利申请 已经达到了 1400余项,主要在石墨烯的制备、能源领域的应用、显 示技术方
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