中國粉體網訊 氟化石墨是碳和氟在高溫下反應生成的一種先進的炭-石墨功能材料，其性能卓越、品質獨特，是新型功能材料中的一朵奇葩。
一、氟化石墨的結構特點
氟化石墨是氟原子與構成網狀平面的碳原子以共價鍵結合而形成的化合物。
氟化石墨化學結構式可用（CFx）n表示，x為不定值，其范圍一般在0<x<1.25之間。氟化石墨的性質隨分子式中碳和氟的比值不同而不同。
具體過程為通過打破碳層π鍵(sp2雜化)，并和碳原子結合形成C-F鍵的一種過程，是修飾和控制碳材料物理化學性質最有效的方法之一，其能夠顯著地改善碳材料的表面極性、電導性、吸附能力和電容性性能。
目前它具有兩種穩定的化合物，一種為聚單氟碳，化學式為（CF）n；另一種是聚單氟二碳，化學式為（C2F）n。由于氟的原子半徑小，電負性又高，其化合物顯示出獨特性質。
單層化合物（CF）和（C2F）結構示意圖
二、氟化石墨的性質
物理性質
C/F原子比
氟化石墨性能隨分子結構中的C/F原子的比值而異。C/F比值≤1稱之為高氟化度氟化石墨；C/F比值>1稱之為低氟化度氟化石墨。
高氟化度石墨具有優良的熱穩定性，是電和熱的絕緣體，不受強酸和強堿的腐蝕，潤滑性能超過MoS2和鱗片石墨。
低氟化度石墨呈灰黑色，熱穩定性較差，一般不作潤滑劑。但它是制造高能無水電池陰極的理想材料。
熱穩定性
高于500℃才有少量失重，是熱穩定性較差的化合物。
潤滑性能
是潤滑脂類和固體潤滑劑（二硫化鉬、石墨等）中摩擦系數最低的，在27~344℃內，摩擦系數僅為0.1~0.13。
化學性質
表面能：氟化石墨的表面能極低。
幾種材料的表面自由能
耐腐蝕；與氫進行還原反應生成氟化氫；在高溫/加熱熔融下與堿金屬及堿金屬鹵化物反應生成氟化堿金屬和無定形碳。
電化學性質
氟化石墨是電池的活性物質。用鋰作陽極，氟化石墨作為陰極組成非水系電池，其能量密度約為水系錳電池的5倍，電壓為2倍；儲藏性能好，沒有氣體產生，自身放電極小；工作電壓平穩，受溫度影響小，在-20~70℃范圍內照常使用。
三、氟化石墨的合成工藝
高溫合成法
這是氟化石墨合成中最常用的方法，在一定溫度下讓石墨和氟氣直接反應。
以氟氣為原料的合成方法可以通過選擇不同的反應溫度來制得相應的氟化石墨;但由于原料中含有有毒性氣體，使得反應過程可能出現爆炸或氣體泄露現象，有較大的安全隱患，并且反應過程伴隨有不少的副產物產生，導致產率比較低。近年來，有研究者針對氟氣存在的危害性問題，采用含氟物質作為氟的原料，以優化合成環境、降低安全隱患。
低溫合成法
低溫合成法又稱間接反應法，是指在250～500℃溫度條件下，石墨先與五鹵化物反應生成石墨層間化合物，然后在常溫下與氟氣發生反應生成氟化石墨的過程。
此方法具有反應溫度相對較低、控制范圍大等優點，大幅度降低了爆炸的可能性;且副產品較少，氟化石墨產率較高，回收的原料還可以循環使用;但由于反應過程使用氟氣，因此需要注意密封、安全等方面的問題，且對生產設備要求較高。
催化合成法
催化合成法是指當存在金屬氟化物(如LiF)時，石墨與氟氣的反應可在低于300℃的溫度條件下順利進行。其中，金屬氟化物主要起到催化作用，并且金屬氟化物的存在可以提高氟化石墨的某些性能，如電導率。
電解合成法
在電池兩極中間，因為電場的影響，石墨和氫氟酸被電解，發生電化學反應能夠生成氟化石墨，通過反應液濃度、反應溫度和電解質量能夠控制電解過程的進行。
四、氟化石墨的應用
用作防水憎油材料
氟化石墨是一種最憎水的材料之一，這是因為它的強共價性和C—F健的低極化性所致。氟化石墨低表面能使它用于防水抗油材料上，以減少或控制各種液體對固體表面的浸濕。
用作脫模劑
氟化石墨的低表面能使它可用于各種材料的模壓，還可作為模鑄、膠合板成形、粉末成型、燒結精壓、塑料等的金屬模的脫模劑使用，另外，可作為研磨劑，用于光學中的研磨。
用作固體潤滑劑
氟化石墨具有石墨、MoS2無可比擬的高潤滑性和耐化學安定性。它可作為固體潤滑劑或經過改性作為潤滑添加劑，廣泛應用于高溫、高速、高負荷等苛刻條件下，并耐酸堿的腐蝕，而應用于節能減磨潤滑領域。
用作電池正極或正極添加劑
氟化石墨代替氟作為正極活性物質，與金屬鋰及溶有LiBF4或LiClO4的有機溶劑組合制作鋰電池的電極，能使輸出電壓比普通電池提高2倍，且使用溫度范圍廣，儲存周期長，形成高輸出功率、高能、高密度電池。
在核反應堆中的應用
氟化石墨在核反應堆中主要用作減速劑，反射材料和涂敷材料。其優點是氣體投射率小，防污性能好，熱中子吸收斷面小，反應堆內熱中子損失小，反應的熱效率高。
（中國粉體網編輯整理/黑金）
