炭-石墨資料是一類無機(jī)非金屬資料的統(tǒng)稱,，該類資料的種類繁復(fù)，理化功能截然不同,，如天然石墨具有潤滑性、層狀結(jié)構(gòu)好等特性,，是制備鋰電池負(fù)極資料的重要質(zhì)料,，又能夠用來約束石墨紙等工業(yè)產(chǎn)品。又如人工特種石墨在高溫條件下具有杰出的力學(xué)功能和導(dǎo)電導(dǎo)熱功能,，一起耐腐蝕和抗輻射等化學(xué)安穩(wěn)性好,，在基礎(chǔ)工業(yè)、科學(xué)研制和國防建設(shè)中能發(fā)揮重要的效果,。再如炭-石墨資料的新秀——碳碳復(fù)合資料則兼?zhèn)鋬?yōu)異的力學(xué)功能和靈活的成型辦法,，進(jìn)一步擴(kuò)展了炭-石墨類資料的運(yùn)用范疇。 
    跟著碳納米管,、石墨烯等新式資料得到廣泛的研制和逐步運(yùn)用,，炭-石墨類資料現(xiàn)已成為現(xiàn)代高溫、高壓,、高速工業(yè)以及現(xiàn)代生物,、信息、能源范疇的基礎(chǔ)原資料,，因而,，美國及其他許多國家均現(xiàn)已將炭-石墨類資料列為國家的戰(zhàn)略資源。在炭-石墨類資料的運(yùn)用進(jìn)程中,，純度目標(biāo)成為最受關(guān)注的目標(biāo)之一,，乃至是約束其在某些工業(yè)技能上運(yùn)用的要害功能目標(biāo)，因而提純技能現(xiàn)已成為出產(chǎn)炭-石墨類資料的基礎(chǔ)技能之一,。 
    本文在查閱很多文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,，梳理了炭-石墨資料的提純技能的開展進(jìn)程，闡述了炭-石墨類資料各種提純技能的工藝原理和技能特色,，并結(jié)合中鋼集團(tuán)新式資料（浙江）有限公司的實(shí)踐出產(chǎn)情況對各種純化技能的優(yōu)缺陷進(jìn)行了評述,，一起介紹了現(xiàn)在廣泛運(yùn)用的純度表征辦法。
1,、提純技能的開展前史與現(xiàn)狀 
    前期的提純技能首要以天然石墨礦為質(zhì)料進(jìn)行研討,，開發(fā)出了浮選技能進(jìn)行富集優(yōu)選。浮選法取得的天然石墨的純度并不高,，一般在85%-95%,。選用堿酸法、氫氟酸法,、氯化焙燒法等化學(xué)提純技能能夠進(jìn)一步提純到99%-99.9%,，但該類化學(xué)提純技能均存在污染環(huán)境的問題，需求配套環(huán)保設(shè)備，否則無法習(xí)慣新時(shí)代強(qiáng)化環(huán)保出產(chǎn)的需求,。 
     在天然石墨礦開采和提純的進(jìn)程中,，我國的人工石墨工業(yè)開端起步并快速開展，包括石墨電極,、特種石墨,、人工石墨粉等。 人工石墨一般選用雜質(zhì)較少的焦炭和瀝青等為質(zhì)料,，高溫石墨化熱處理是人工石墨出產(chǎn)工藝的最后一步重要工序,，因而產(chǎn)品在出產(chǎn)進(jìn)程中就完結(jié)了高溫提純，純度可達(dá)99.95%,。合作鹵素氣體提純技能,，還能夠?qū)⒓兌冗M(jìn)一步進(jìn)步至99.995%。 
     進(jìn)入21世紀(jì)后,，跟著全球工業(yè)水平的快速進(jìn)步,，炭-石墨類資料作為基礎(chǔ)資料開端很多運(yùn)用于各職業(yè)，對純度的要求也不斷進(jìn)步,。石墨作為負(fù)極資料被很多運(yùn)用于鋰離子電池出產(chǎn)職業(yè),，純度要求進(jìn)步至99.98%以上；用于組成人工金剛石的天然石墨質(zhì)料要求其純度為99.999%以上,，其中B含量更是要求小于0.01×10-6,；用于組成第三代半導(dǎo)體SiC晶圓的石墨粉的純度要求更是高達(dá) 99.9995%以上。為取得更高的純度,，依據(jù)高溫真空爐的提純技能開端很多的運(yùn)用于炭-石墨類資料的提純出產(chǎn),。 
      與此一起，國內(nèi)外高校和職業(yè)開展了很多的新式炭-石墨類資料的開發(fā)和研討,，如炭纖維類資料,、碳納米管和石墨烯等。傳統(tǒng)的提純技能被不斷的立異與開發(fā),，得到了各種各樣的功能優(yōu),、純度高的新式炭-石墨類資料。
2,、提純技能的原理,、特色及運(yùn)用 
2.1浮選法 
    浮選法是一種針對天然石墨礦進(jìn)行別離富集的基礎(chǔ)技能。運(yùn)用天然石墨本身杰出的漂浮特性,，通過多段流程的浮選工藝規(guī)劃,，將天然石墨礦中的鱗片石墨或許微晶石墨與共生的高嶺土、石英石和云母石等礦物質(zhì)進(jìn)行別離,。該技能能夠?qū)?0%以下的天然石墨礦大幅度富集至純度為95%的石墨精礦。一般而言，浮選法是天然石墨礦精選提純的開端提純,，意圖是為后續(xù)的進(jìn)一步提純作業(yè)做好預(yù)備,。 
2.2 堿酸法 
    堿酸法由兩個(gè)化學(xué)反響進(jìn)程組成：熔堿反響和浸酸反響，最初用于天然石墨的高純化處理,。熔堿反響是在高溫下,，選用熔融強(qiáng)堿與天然石墨中酸性雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響，首要是針對含硅的雜質(zhì)（如硅酸鹽,、硅鋁酸鹽,、石英等），生成可溶性鹽,，再通過水洗溶解去除雜質(zhì),，使天然石墨的純度得到進(jìn)一步進(jìn)步。浸酸反響則是選用強(qiáng)酸和天然石墨中的金屬氧化物雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響（金屬氧化物雜質(zhì)不能與堿發(fā)生化學(xué)反響）,， 使金屬氧化物雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性的鹽類,，通過水洗溶解后去除。通過堿酸法提純,，天然石墨能夠提純至99.9%,。 
     在后期的酸法處理中，Yu-fengLi等引進(jìn)微波輔佐技能,，將HCl和HNO3按體積比1∶1配比,，在1MPa壓力下，用800W微波處理 25min,，能夠?qū)?5.84%的天然石墨的純度高效快速地進(jìn)步至99.43%,。以堿酸法為基礎(chǔ)，LucianoAndreyMontoro 等學(xué)者在120℃下用混合酸對碳納米管純化反響6h,，然后在靜態(tài)空氣中升溫至510℃氧化1h,，將納米管的純度進(jìn)步到96%-98%，完結(jié)了金屬催化生成的碳納米管的提純處理 ,。 
2.3 氯化焙燒法 
     氯化焙燒法是在1000℃左右,，往炭-石墨類資料中通入氯氣，運(yùn)用氯氣的強(qiáng)氧化性,，將炭-石墨類資料中的金屬氧化物雜質(zhì)氧化成氣化溫度更低的氯化物,，在該溫度條件下，金屬的氯化物能夠很多快速地氣化排出,，完結(jié)了對炭-石墨類資料的提純,。氯化焙燒提純法一般作為炭-石墨類資料提純的一種補(bǔ)充工藝，能夠與其他提純工藝配套進(jìn)行運(yùn)用,，特別是在去除金屬雜質(zhì)方面優(yōu)勢顯著 ,。Adriano Ambrosi等在1000℃的氯氣氛圍中對含很多金屬元素的石墨烯進(jìn)行了純化處理，使其純度從99.1%進(jìn)步至99.91%，然后大幅度下降了金屬雜質(zhì)對石墨烯電化學(xué)功能的影響,。 
2.4 氫氟酸法 
    氫氟酸是強(qiáng)酸,，簡直能夠與炭-石墨類資料中的任何雜質(zhì)反響，因而能夠運(yùn)用氫氟酸對炭-石墨類資料進(jìn)行提純,。在氫氟酸法提純工藝進(jìn)程中,，將炭-石墨類資料與氫氟酸充沛混合，使氫氟酸與炭-石墨類資料中的雜質(zhì)充沛反響,，生成水溶性的物質(zhì)或可揮發(fā)物,，然后通過水洗去除水溶性雜質(zhì)，再脫水烘干去除可揮發(fā)物,，最終取得提純的炭-石墨類資料?，F(xiàn)在，氫氟酸法通過進(jìn)一步工藝優(yōu)化,，已取得更高純度的炭-石墨類資料：一方面,，選用氫氟酸與其他強(qiáng)酸配成混合酸；另一方面,，選用更高的溫度去烘焙氫氟酸處理后的炭-石墨類資料,。選用工藝改善的氫氟酸法能夠取得99.98%的高純天然石墨。長沙理工大學(xué),、國防科技大學(xué)等高校聯(lián)合選用氫氟酸法對用作吸波資料的微晶石墨提純處理,，純度可達(dá)99.9%。 
2.5 高溫提純法 
    炭-石墨類資料的熔點(diǎn)在3000℃以上,，是自然界中熔點(diǎn)極高的物質(zhì)之一,，均遠(yuǎn)高于炭-石墨類資料內(nèi)雜質(zhì)的沸點(diǎn)。依據(jù)這項(xiàng)一起的物理功能,，高溫提純法將炭-石墨類資料升溫至2700℃乃至更高溫度,，超過大多數(shù)雜質(zhì)的沸點(diǎn)，使雜質(zhì)以氣態(tài)的形式從炭-石墨類資料中排出,，然后完結(jié)提純,。 
    高溫提純法首要用于對本身具有較高純度的（99.5%）的炭-石墨類資料的進(jìn)一步提純，通過高溫提純法能夠?qū)⒓兌忍峒兊?9.9%-99.99%,。由于高溫條件對炭-石墨類資料一起具有石墨化效果,，因而，高溫提純能夠與炭-石墨類資料的石墨化處理合并進(jìn)行,。但對不希望進(jìn)行石墨化處理的炭-石墨類資料并不適用,。 
    進(jìn)入21世紀(jì)后，炭-石墨類資料的產(chǎn)量不斷添加,，與此一起國內(nèi)的高溫配備技能也不斷進(jìn)步,，高溫提純技能與配備現(xiàn)已接近或到達(dá)世界一流水平,。艾奇遜石墨化爐選用電流加熱，能夠升溫至3000℃,，其特色是裝爐量大,，一般可達(dá)50-100t，適宜大規(guī)模的高溫提純出產(chǎn),，但一起由于裝爐體積大，難以確保溫度均勻性,，進(jìn)而也無法確保純度的均勻性,。
    與艾奇遜石墨化爐作業(yè)原理相似的內(nèi)串式石墨化爐則用電流直接對產(chǎn)品加熱，熱均勻性好,，但對產(chǎn)品的前處理有要求,，因而其適用性不如艾奇遜石墨化爐廣泛。對比以上2種高溫爐,，高溫真空爐能夠取得安穩(wěn)的溫度均勻性,，因而能夠確保純度的均勻性。 別的,，高溫真空爐是在真空條件下進(jìn)行高溫提純,，有助于氣態(tài)雜質(zhì)的進(jìn)一步充沛排出，因而高溫真空爐具有均勻性和純度高的長處,。但高溫真空爐的裝爐空間有限,，裝爐量一般在1t以下，批量出產(chǎn)需求配置很多的高溫真空爐來完結(jié),。
2.6 鹵素氣體提純法 
    炭-石墨類資料運(yùn)用在高端工業(yè)范疇時(shí),，對其純度目標(biāo)提出了更高的需求，如半導(dǎo)體職業(yè),，要求純度到達(dá)99.999%以上,。僅通過高溫提純現(xiàn)已無法到達(dá)純度要求，現(xiàn)在職業(yè)中一般運(yùn)用鹵素氣體提純法,，在高溫提純工藝中參加鹵素氣體（首要是氯 氣和鹵代烴）,，運(yùn)用鹵素氣體的強(qiáng)氧化性，與資料中的金屬氧化物雜質(zhì)反響生成氯化物或氟化物等鹵化物,，由于金屬鹵化物的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于熱處理溫度,，在高溫條件下，金屬鹵化物很多氣化排出,，進(jìn)而完結(jié)對炭-石墨類資料的進(jìn)一步提純,，通過鹵素氣體提純后，炭-石墨類資料的純度能夠到達(dá)99.999%以上,。鹵素氣體提純法的別的一個(gè)優(yōu)勢是能夠針對性地下降炭-石墨類資料中某些有害雜質(zhì)元素的含量,。 
    鹵素氣體提純法的另一個(gè)重要用處是能夠用來對炭纖維類資料進(jìn)行提純,。純炭纖維類資料首要包括軟氈、硬氈和碳碳復(fù)合資料,。因?yàn)樘坷w維的來源不同,，制備工藝不同，一般的炭纖維類資料的純度差異較大,，一般低于99.5%,，不能滿意高端工業(yè)的運(yùn)用需求，如半導(dǎo)體職業(yè)中,，需求炭纖維類資料的純度到達(dá)99.995%以上,。針對純炭纖維類資料，主流提純技能首要是高溫提純法和鹵素氣體提純法,。 
    高溫提純法為防止溫度過高（＞2700 ℃）對炭纖維類資料結(jié)構(gòu)造成損壞,，一般在2400℃下對其進(jìn)行提純，很難到達(dá)99.995%的超高純度,。在實(shí)踐出產(chǎn)中,，為了確保炭纖維類資料優(yōu)異的理化功能程度的保存，可通過下降高溫提純法的處理溫度,，一起引進(jìn)鹵素氣體提純法對炭纖維類資料進(jìn)行提純,，在兩種辦法的一起處理下，炭纖維類資料的純度能夠提至99.995%以上,。 
3,、炭-石墨類資料純度的表征辦法
    炭-石墨類資料純度的表征辦法首要有：灰分法；電感耦合等離子體法（ICP）,；輝光放電質(zhì)譜法（GDMS）和二次離子質(zhì)譜法（SIMS）,。 
3.1 灰分法 
    灰分法中先稱量必定質(zhì)量的炭-石墨類資料（mC，放入900℃的馬弗爐中,，再通入空氣或氧氣,，將炭-石墨類資料中的碳量完全燒蝕，然后稱量剩余的灰量（mA）并核算灰分 wA,，
    公式如式（1）：wA＝ mA /mC ×100％ （1） 
    灰分法所需設(shè)備要求簡略,，檢測操作快捷，是出產(chǎn)企業(yè)首要的純度表征辦法,。跟著高精密度天平的呈現(xiàn),，灰分法的精度不斷進(jìn)步，如運(yùn)用十萬分之一天平,，灰分法的檢測限可達(dá)0.0001%（10×10-6,。灰分法的首要缺陷：
     1）無法精確表征各個(gè)雜質(zhì)元素的含量,；
     2）資料燒蝕進(jìn)程中伴隨非金屬雜質(zhì)的燒失,，因而灰分法中資料的灰分檢測值較真實(shí)值偏低,；
     3）當(dāng)灰分含量在 50×10-6 以內(nèi)時(shí)，環(huán)境要素對檢測系統(tǒng)的影響開端明顯添加,。 
3.2 電感耦合等離子體法 
    電感耦合等離子體法,，職業(yè)內(nèi)簡稱ICP，其作業(yè)原理是：在灰分法的基礎(chǔ)上,，選用強(qiáng)酸溶解燒失剩余灰分,，運(yùn)用等離子體對溶液組分進(jìn)行激發(fā)，通過質(zhì)譜剖析儀或許光譜剖析儀對激發(fā)元素進(jìn)行定量檢測,，檢測可達(dá)10-9數(shù)量級,。該辦法的首要缺陷：
     1）燒制灰分和溶解灰分的進(jìn)程操作較冗雜，對檢驗(yàn)人員的綜合才能要求較高,；
     2）對容易燒失的組分（如 S、P 等）或許強(qiáng)酸溶解不充沛的組分（如 Si 等）,，檢測值較真實(shí)值存在較大的誤差,；
     3）檢測設(shè) 備的價(jià)格不菲，檢測維護(hù)要求高,，因而相關(guān)檢測費(fèi)用較高,。 
3.3 輝光放電質(zhì)譜法 
    輝光放電質(zhì)譜法（GDMS）選用輝光放電源作為離子源炮擊樣品，通過質(zhì)譜儀剖析發(fā)生的二次離子,，得到樣品元素組成信息,。輝光放電質(zhì)譜法根本不需求雜亂的制樣操作，能夠直接檢測炭-石墨類資料純度,，檢測可達(dá)10-9數(shù)量級,。該辦法的首要缺陷：
     1）GDMS對樣品只能進(jìn)行點(diǎn)檢測，不能表征資料全體的純度,；
     2）檢測設(shè)備貴重,，設(shè)備操作的專業(yè)化程度高，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高,，因而專業(yè)的檢測方少,、檢測費(fèi)用貴重。 
3.4 二次離子質(zhì)譜法（SIMS） 
    二次離子質(zhì)譜法（SIMS）選用幾千電子伏特能量的一次離子炮擊樣品外表,，發(fā)生二次離子,，通過對二次離子的質(zhì)譜剖析，得到樣品外表或許內(nèi)部淺層的元素組成,。SIMS的靈敏度十分高,，能夠安穩(wěn)的檢測到10-9數(shù)量級。其首要缺陷：檢測設(shè)備貴重,，設(shè)備操作的專業(yè)化程度高,，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高,。 
    在實(shí)踐出產(chǎn)或研制作業(yè)中，需求依據(jù)資料的純度特色和檢測要求,，選擇一種或多種適宜的純度檢測辦法對資料純度進(jìn)行表征,，以獲取資料的純度信息。 
4 結(jié)論 
   現(xiàn)在,，國內(nèi)炭-石墨類資料的提純技能已根本定型,，首要的技能原理現(xiàn)已得到較為深入全面的研討，形成了依據(jù)不同資料和用處,，定制不同純度目標(biāo)的提純技能,。 
     1）浮選法是針對天然石墨礦的一種特有的富集精選的辦法，其進(jìn)程伴跟著鱗片石墨的碎化,，也伴跟著很多含石墨廢水的發(fā)生,，因而，怎么平衡純度與石墨鱗片尺寸,，怎么習(xí)慣出產(chǎn)環(huán)保要求,，仍是該辦法亟待解決的問題。 
     2）堿酸法,、氫氟酸法,、氯氣焙燒法能夠?qū)μ?石墨類資料中的雜質(zhì)元素進(jìn)行高效的提純，但提純進(jìn)程會發(fā)生很多的廢水廢氣,，給環(huán)境帶來較重的擔(dān)負(fù),，需求建設(shè)與之配套的環(huán)保設(shè)施才能推行運(yùn)用。 
     3）高溫提純法是炭-石墨類資料重要的提純辦法,，特別是對大批量的炭-石墨類資料的純化出產(chǎn),，高溫提純法是一種適宜的提純辦法。 
     4）鹵素氣體提純法合作高溫提純法能夠?qū)⑻渴愘Y料的純度進(jìn)步到99.999%以上,，簡直能夠滿意所有高端職業(yè)的需求,。一起，鹵素氣體提純法還適宜于提純炭纖維類資料,，通過提純后,，進(jìn)一步擴(kuò)大了炭纖維類資料的運(yùn)用范疇。 
     5）炭-石墨類資料的純度表征辦法有灰分法,、ICP法,、GDMS法和 SIMS法等多種辦法，出產(chǎn)研制進(jìn)程中,，依據(jù)實(shí)踐作業(yè)的需求,，能夠針對性地選用一種或幾種適宜的辦法進(jìn)行表征，以獲取對炭-石墨類資料的純度信息,。