氟化石墨的主要用途有哪些

背景及概述^【1】

1914年，RUH等通过控制爆炸和燃烧反应合成了灰色的CF0．29氟化石墨．到了20世纪40年代Ruidorff通过严密控制反应温度合成CFO．67～0．985氟化石墨，1948年美国人Potim等在420～4 500℃条件下合成了CFl．04高氟化石墨。但早期的研究停留在合成产物的射线分析上．至于其他物化性质及开发利用研究还是近期的事，特别是美国NASA报道了氟化石墨优异的润滑性能的研究成果以及氟化石墨作为高能电池性能的研究结果后，氟化石墨引起了国内外研究工作者的注意，使得以其为中心的研究十分活跃。氟化石墨是碳和氟直接反而制得的一种石墨层间化合物。它是一种新型功能材料，具有很低的表面自由能，并且其热稳定和化学稳定性好．主要用做固体润滑剂、保护剂和电极活性材料。氟化石墨是石墨的深加工产品．20世纪70年代形成生产能力，应用领域尚处开拓阶段。由于氟化石墨具有许多优异性能，因此在军事、航空、航天、冶金、机电、化工等领域应用非常广泛。

理化性质^{【1】【2】【3】}

氟化石墨是一种白色固体粉末状物质，密度为2．58×103 kg／m3，具有低表面能、高润滑性与电活性、吸收热中子断面积比其他密封材料小等性质。氟化石墨的性质随分子式中碳和氟的比值不同而不同，颜色随着氟含量的增加，由灰黑色变为雪白色。CF(1～1．25)称为高氟化度石墨，称为低氟化度石墨。氟化石墨具有优良的热稳定性，是电和热的绝缘体．不受强酸和强碱的腐蚀，润滑性能超过MoS：和鳞片石墨，试验证明，在任意温度下，其磨损寿命优于MoS。作为润滑蜡的添加剂，能显著提高部件的支承负荷和降低润滑部件的表面温度。低氟化石墨外观为灰黑色，热稳定性较差，一般不做润滑剂使用。氟化石墨具有较大的润湿接触角及较低的表面能。

合成方法^【1】

氟化石墨的合成方法大体分为高温合成法(又称气相法)、低温合成法(又称固相法)和电解合成法。低温合成法是最常见的生产工艺，具体方法如下：

1. 直接合成法

将固体碳和气体氟在一定温度范围内加热合成。这一工艺其原料只涉及固体碳和气体氟两种，外界条件只有温度。反应效果的好坏，只与反应物本身和反应条件有关，是最早的合成方法。

2.催化合成法

在石墨和氟的反应系统中，如果有微量的金属氟化物存在，可起到“催化’’作用。制得的氟化石墨中，含有微量的金属氟化物。虽然量微，却改变了氟化石墨的性质，特别是导电率提高了一个数量级。所用设备和直接合成法相同，不过对所用的原料纯度要求比较高。

3.  固体与固体合成法

前面两种方法都是固体石墨和气体氟合成，气体氟是极毒物质，腐蚀性极强，在高温下反应，生产很不安全。日本有人研究出用固体含氟聚合物和石墨混合，在惰性气体中。加热至259℃制得氟化石墨。这一合成方法，为安全生产氟化石墨提供了良好的条件，合成反应是在管式电炉中的石英管内进行的。

4.  电解法

将碳素或石墨材料在无水氢氟酸中电解，就可生成新的氟化石墨。具体地说，在阳极和阴极之间使氢氟酸循环，这样可以连续地合成氟化石墨。本方法是在循环式电解装置中完成的。电解过程的进行，是通过控制反应液的浓度、反应温度和导电剂添加量等实现的。氟化石墨的表面吉布斯自由能、层间能非常小。因而具有独特的润滑性、疏水疏油性．而且其化学、热稳定性也很优异，故可用做固体润滑剂、防水防油剂、防污剂等。另外．氟化石墨可作为电池活性物质．它能够增加电池的贮存寿命．并能用于制造高能的原电池。

氟化石墨是现今国际上高科技、高性能、高效益的新型碳石墨材料研究热点之一，其性能卓越、品质独特，是功能材料家族中的一朵奇葩。由于活泼性极高的剧毒单质气体氟是“气相法”合成氟化石墨的关键原料，加之．合成氟化石墨的技术细节国外文献披露极少．故“气相法”合成氟化石墨不但有一定的危险性，而且难度较高，迄今为止，国内有关这方面的实际研究论文报道极少。

主要用途^【1】

氟化石墨是重要的无机非金属材料。具有优良的润滑性，美国和I=t本研究表明．氟化石墨润滑性能优于通用的石墨和二硫化钼，在干燥或潮湿高温时(400～500℃)摩擦系数更小，使用寿命更长。由于氟化石墨的表面能低，它经常与润滑油、润滑脂或树脂混合使用．还可把氟化石墨粉末悬浮在润滑油中或加到汽油中去。最近几年．在飞机、轿车的发动机上有用氟化石墨做润滑剂的趋势。

氟化石墨与非水系电解质组合可制成高能量密度、高能输出功率、长储存周期、高安全性能的新型电池，该电池能量为锌、碱性电池的6～9倍。日本松下电池公司已有批量生产，用于无线电发射机、测量设备、观测气球、捕鱼浮标和照明、电子手表、计算器等方面。另外．氟化石墨纤维可制造电子测试器的散热材料；涂于有机物的表面制取吸音材料；加入碳纤维复合材料，可增强负载能力，降低材料表面温度；加进涂料可改善涂刷性能，具有极好的防水防油功能；憎水性好，用于图像记录、复制、色谱分析等。在胶合板制造过程中．用氟化石墨涂布可防止黏结剂的黏附，延长洁净处理周期。少量的氟化石墨可防止液体在多孔材料中的浸透。电镀金属时，氟化石墨共析出的电极表面不产生物质黏附，并且这种电极在电解水和非水溶剂混合液时，只对非水系进行电解。

工艺流程^【4】

参考文献

[1]边炳鑫主编；杨海涛，田谊君，张顺艳，杨益民，徐占春,石墨加工与石墨材料,中国矿业大学出版社,2014.05,第159页

[2]方昆凡主编,工程材料手册  非金属材料卷,北京出版社,2002年02月第1版,第259页

[3]汪德涛编,润滑技术手册,机械工业出版社,1999年04月第1版,第325页

[4]郑水林  袁继祖主编,非金属矿加工技术与应用手册,冶金工业出版社,2005年05月第1版,第607页