氟化石墨

氟化石墨简介

氟化石墨是碳和氟直接反应而制得的一种石墨层间化合物。其化学结构式可用（CFx）n来表示。其中X为不定值，大小为0＜X＜1.25。氟化石墨的性质随分子式中碳和氟的比值不同而不同。CF（1-1.25）称为高氟化度石墨，CF（0.5-0.99）被称之为低氟化度石墨，石墨颜色随着氟含量的增加，由灰黑色变为雪白色，氟化程度越高氟化石墨的润滑性能就越好。

氟化石墨具有表面能与层间能极低、电活性极高、润滑性极好等一系列独特的物理化学性能，是新型功能材料家族中的一朵奇葩，也是目前国际上高科技、高性能、高效益的新型炭/石墨材料研究的热点之一。

我国天然石墨占世界天然石墨市场的40%，但基本为天然石墨初级原料产品，具有高技术、高性能、高附加值的天然石墨深加工产品出口量很少。相反，每年需花费大量外汇从国外进口天然石墨高级制品，以满足国内行业建设的需要。

理化性能

氟化石墨层间能非常小，故作为一种特殊的石墨层间化合物，其具有优良的物理化学性质，主要体现在表面能性质，润滑性能，电化学性能，化学性能和绝缘性能等方面。

表面能性质

氟化石墨表面能极低，水-聚四氟乙烯接触角约为100度，而水-氟化石墨的接触角约为145度。对于酸、碱水溶液，具有长时间的憎水性，即使处理100小时后，接触角对于水为103度，对于0.1HNCl及0.1NaOH为110度，极难润湿。

氟化石墨与几种材料的固体表面能比较

润滑性能

石墨和二硫化钼（MoS2）是二种比较常见，性能优越的重要的固体润滑剂，但他们均存在一定的不足。在氟化石墨出现之前，固体润滑剂主要是石墨和二硫化钼。石墨在有空气或水蒸气存在时，具有良好的润滑性能，而在真空或还原性气氛下，润滑性能大为降低。二硫化钼在空气等氧化性气氛下，与氧反应生成三氧化钼，使原来的二维层状结构转化为三维结构，因而润滑性急剧下降。而在二硫化钼对铜及合金有一定腐蚀作用，不适合铜管输送；不适合铜合金制造的金属部件。氟化石墨的摩擦系数比石墨和二硫化钼低，且不受环境气氛影响，氟化石墨作为一种新型固体润滑剂，其润滑性能优于石墨和二硫化钼，特别是在苛刻气氛、高速、高压、高温条件下，效果更佳，且不对金属和其它材料产生腐蚀作用，国内外相关专家称之为划时代的新型固体润滑剂。                     

氟化石墨之所以具有如此优异的润滑性主要是因为氟原子进入石墨层间并与π电子形成了共价键，致使石墨层间的键能显著减小，接近2Kcal/mol，远比原料石墨的层间能9Kcal/mol低，这是它具有优良润滑性能的根本原因，另外，由于石墨六角网状平面层上、下表面密布结合着氟原子，其层与层之间的氟原子相互之间又有斥力，它们可以抵消来自外部的压力，故氟化石墨能充分表现出优良的润滑性能。

不同温度条件下几种润滑材料的摩擦系数

几种固体润滑剂的摩擦实验数据

干摩擦条件下几种固体润滑材料的摩擦系数

电化学性能

氟化石墨代替氟做正极活性物质，与金属锂及溶有LiBF4或LiClO4的有机溶剂组合，可以形成高输出功率、高能、高密度的电池。从电池序列来看，F2和Li组合的电池是比较理想的，但F2氧化性强，使用起来困难大。基于氟化石墨能使活泼的氟保存于固体中这一想法，渡边等人将氟化石墨用作电池活性物质材料。在以氟化石墨作阴极，锂为阳极所组成的非水系电池中，氟保存于固体石墨内，使石墨变成了活性材料，为电池的能量密度和电池稳定创造了有利条件。氟化石墨电池在电位的平稳性和能量密度等方面均具有很大的优越性。

氟化石墨锂电池的放电反应式： Li+（CF）n                nLiF+nC

阳极反应： nLi           nLi++ne^-

阴极反应：（CF）n+ne^-          nC+nF^-

绝缘性

由于石墨层间导电π电子与氟形成了共价键，故氟化石墨导电性极差，电阻极大，其电阻率高达2×10³Ω.cm，优质氟化石墨电阻率大于3×10³Ω.cm，近似于绝缘体，这也是其一大特征。

其它性质

氟化石墨的密度根据碳源种类不同，合成条件的不同而不同，但均大于石墨的密度值2.25g/cm³(除少部分氟化碳之外），一般在2.3~2.6g/cm³之间，部分质量特别好的氟化石墨的密度值可达到2.6g/cm³以上。

应用

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 ,故可用作固体润滑剂、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。

在电池、核反应堆、润滑、除油、防污、防水等方面获得了越来越多的应用。

（1）      用作防水憎油材料   氟化石墨是一种最憎水的材料之一，这是因为它的强共价性和 C —F 健的低极化性所致。氟化石墨低表面能使它用于防水抗油材料上 ,以减少或控制各种液体对固体表面的浸湿。

（2）      用作脱模剂氟化石墨的低表面能使它可用于各种材料的模压 ,还可作为模铸、胶合板成形、粉末成型、烧结精压、塑料等的金属模的脱模剂使用 ,另外 ,可作为研磨剂 , 用于光学中的研磨。

（3）      用作固体润滑剂或润滑酯添加剂氟化石墨具有石墨、二硫化钼无可比拟的高润滑性，其原因是，氟化石墨的表面能敌，层间键能小，而且具有良好的热稳定性和化学稳定性。并且二硫化钼对铜及合金有一定腐蚀作用，不适合铜管输送；不适合铜合金制造的金属部件。所以氟化石墨几乎在所有气氛中都能保持良好的润滑性能，故作为固体润滑剂，特别适用于高温、高压、高负荷和腐蚀性介质等苛刻条件下使用。

（4）      用作电池正极或正极添加剂   氟化石墨代替氟作为正极活性物质,与金属锂及溶有LiBF4 或LiClO4 的有机溶剂组合制作锂电池的电极,能使输出电压比普通电池提高 2 倍,且使用温度范围广 ,储存周期长,形成高输出功率、高能、高密度电池。另外,氟化石墨也可以作为电池正极添加剂, 加入到碱性锌锰电池中 ,可使锌锰电池适合在大功率下放电 ;另外加入 5%的氟化石墨在小功率放电时实际放电容量是理论容量的127%。

（5）      在核反应堆中的应用作为核反应堆的重要材料，氟化石墨主要用作减速剂、反射材料和涂覆材料。其使用特点是：气体透射率小，防污染性能良好热中子吸收断面小，反应堆内子种子损失少，因而反应的热效率也随之提高了。

其它用途

由于氟化石墨优良的物理化学性质，其应用领域很广阔。近年来氟化石墨作为汽车和飞机引擎的润滑剂的重要性和优越性一直不断提高，日本中央硝子公司已开始将氟化石墨微粉添加到润滑剂或添加到汽油和柴油中，可起到减摩润滑和节能的作用。再如：氟化石墨亦可作为某些化工产品合成的新型高效催化剂以及电镀工艺的选择电镀剂等。

1. 工程塑料添加剂

2. 弹性密封添加剂

3. 抗氧化催化剂载体

4. 色谱柱填料

5. 雨刷橡胶表面耐磨涂层

6. 粉末冶金脱模剂

7. 固体润滑涂料添加剂

8. 涂于有机物的表面制得吸音材料，用于内燃机及其它尾气排放之处，减少噪音污染等。还可用于图象记录和复制；色谱分析材料等。