炭-石墨材料是一类无机非金属材料的总称，该类材料的品种繁复，理化功用天壤之别，如天然石墨具有润滑性、层状结构好等特性，是制备锂电池负极材料的重要材料，又可以用来捆绑石墨纸等工业产品。又如人工特种石墨在高温条件下具有超卓的力学功用和导电导热功用，一同耐腐蚀和抗 辐射等化学安稳性好，在根底工业、科学研发和国防建设中能发挥重要的效果。再如炭-石墨类材料的新秀——碳碳复合材料则兼备优异的力学功用和灵活的成型方法，进一步扩展了炭-石墨类材料的运用领域。 
1、提纯技术的展开前史与现状 
    前期的提纯技术首要以天然石墨矿为材料进行研讨，开发出了浮选技术进行富集优选。浮选法获得的天然石墨的纯度并不高，一般在85%-95%。选用碱酸法、氢氟酸法、氯化焙烧法等化学提纯技术可以进一步提纯到99%-99.9%，但该类化学提纯技术均存在污染环境的问题，需求配套环保设备，不然无法习气新时代强化环保出产的需求。 
     在天然石墨矿挖掘和提纯的进程中，我国的人工石墨工业开端起步并快速展开，包括石墨电极、特种石墨、人工石墨粉等。 人工石墨一般选用杂质较少的焦炭和沥青等为材料，高温石墨化热处理是人工石墨出产工艺的毕竟一步重要工序，因此产品在出产进程中就结束了高温提纯，纯度可达99.95%。协作卤素气体提纯技术，还可以将纯度进一步跋涉至99.995%。 
     进入21世纪后，跟着全球工业水平的快速跋涉，炭-石墨类材料作为根底材料开端许多运用于各作业，对纯度的要求也不断跋涉。石墨作为负极材料被许多运用于锂离子电池出产作业，纯度要求跋涉至99.98%以上；用于组成人工金刚石的天然石墨材料要求其纯度为99.999%以上，其间B含量更是要求小于0.01×10-6；用于组成第三代半导体SiC晶圆的石墨粉的纯度要求更是高达 99.9995%以上。为获得更高的纯度，根据高温真空炉的提纯技术开端许多的运用于炭-石墨类材料的提纯出产。 
      与此一同，国内外高校和作业展开了许多的新式炭-石墨类材料的开发和研讨，如炭纤维类材料、碳纳米管和石墨烯等。传统的提纯技术被不断的立异与开发，得到了各式各样的功用优、纯度高的新式炭-石墨类材料。
2、提纯技术的原理、特征及运用 
2.1浮选法 
    浮选法是一种针对天然石墨矿进行分别富集的根底技术。运用天然石墨本身超卓的漂浮特性，经过多段流程的浮选工艺规划，将天然石墨矿中的鳞片石墨或许微晶石墨与共生的高岭土、石英石和云母石等矿物质进行分别。该技术可以将20%以下的天然石墨矿大幅度富集至纯度为95%的石墨精矿。一般来说，浮选法是天然石墨矿精选提纯的开端提纯，目的是为后续的进一步提纯作业做好准备。 
2.2 碱酸法 
    碱酸法由两个化学反应进程组成：熔碱反应和浸酸反应，开端用于天然石墨的高纯化处理。熔碱反应是在高温下，选用熔融强碱与天然石墨中酸性杂质产生化学反应，首要是针对含硅的杂质（如硅酸盐、硅铝酸盐、石英等），生成可溶性盐，再经过水洗溶解去除杂质，使天然石墨的纯度得到进一步跋涉。浸酸反应则是选用强酸和天然石墨中的金属氧化物杂质产生化学反应（金属氧化物杂质不能与碱产生化学反应）， 使金属氧化物杂质转化为可溶性的盐类，经过水洗溶解后去除。经过碱酸法提纯，天然石墨可以提纯至99.9%。 
     在后期的酸法处理中，Yu-fengLi等引进微波辅佐技术，将HCl和HNO3按体积比1∶1配比，在1MPa压力下，用800W微波处理 25min，可以将95.84%的天然石墨的纯度高效快速地跋涉至99.43%。以碱酸法为根底，LucianoAndreyMontoro 等学者在120℃下用混合酸对碳纳米管纯化反应6h，然后在静态空气中升温至510℃氧化1h，将纳米管的纯度跋涉到96%-98%，结束了金属催化生成的碳纳米管的提纯处理 。 
2.3 氯化焙烧法 
     氯化焙烧法是在1000℃左右，往炭-石墨类材猜中通入氯气，运用氯气的强氧化性，将炭-石墨类材猜中的金属氧化物杂质氧化成气化温度更低的氯化物，在该温度条件下，金属的氯化物可以许多快速地气化排出，结束了对炭-石墨类材料的提纯。氯化焙烧提纯法一般作为炭-石墨类材料提纯的一种弥补工艺，可以与其他提纯工艺配套进行运用，特别是在去除金属杂质方面优势显着 。Adriano Ambrosi等在1000℃的氯气气氛中对含许多金属元素的石墨烯进行了纯化处理，使其纯度从99.1%跋涉至99.91%，然后大幅度下降了金属杂质对石墨烯电化学功用的影响。 
2.4 氢氟酸法 
    氢氟酸是强酸，几乎可以与炭-石墨类材猜中的任何杂质反应，因此可以运用氢氟酸对炭-石墨类材料进行提纯。在氢氟酸法提纯工艺进程中，将炭-石墨类材料与氢氟酸充沛混合，使氢氟酸与炭-石墨类材猜中的杂质充沛反应，生成水溶性的物质或可挥发物，然后经过水洗去除水溶性杂质，再脱水烘干去除可挥发物，毕竟获得提纯的炭-石墨类材料。现在，氢氟酸法经过进一步工艺优化，已获得更高纯度的炭-石墨类材料：一方面，选用氢氟酸与其他强酸配成混合酸；另一方面，选用更高的温度去烘焙氢氟酸处理后的炭-石墨类材料。选用工艺改进的氢氟酸法可以获得99.98%的高纯天然石墨。长沙理工大学、国防科技大学等高校联合选用氢氟酸法对用作吸波材料的微晶石墨提纯处理，纯度可达99.9%。 
2.5 高温提纯法 
    炭-石墨类材料的熔点在3000℃以上，是自然界中熔点极高的物质之一，均远高于炭-石墨类材料内杂质的沸点。根据这项一同的物理功用，高温提纯法将炭-石墨类材料升温至2700℃乃至更高温度，跨越大多数杂质的沸点，使杂质以气态的方式从炭-石墨类材猜中排出，然后结束提纯。 
    高温提纯法首要用于对本身具有较高纯度的（99.5%）的炭-石墨类材料的进一步提纯，经过高温提纯法可以将纯度提纯到99.9%-99.99%。因为高温条件对炭-石墨类材料一同具有石墨化效果，因此，高温提纯可以与炭-石墨类材料的石墨化处理合并进行。但对不希望进行石墨化处理的炭-石墨类材料并不适用。 
    进入21世纪后，炭-石墨类材料的产值不断添加，与此一同国内的高温装备技术也不断跋涉，高温提纯技术与装备现已挨近或抵达国际一流水平。艾奇逊石墨化炉选用电流加热，可以升温至3000℃，其特征是装炉量大，一般可达50-100t，适宜大规模的高温提纯出产，但一同因为装炉体积大，难以保证温度均匀性，从而也无法保证纯度的均匀性。
    与艾奇逊石墨化炉作业原理相似的内串式石墨化炉则用电流直接对产品加热，热均匀性好，但对产品的前处理有要求，因此其适用性不如艾奇逊石墨化炉广泛。比照以上2种高温炉，高温真空炉可以获得安稳的温度均匀性，因此可以保证纯度的均匀性。 其他，高温真空炉是在真空条件下进行高温提纯，有助于气态杂质的进一步充沛排出，因此高温真空炉具有均匀性和纯度高的利益。但高温真空炉的装炉空间有限，装炉量一般在1t以下，批量出产需求装备许多的高温真空炉来结束。
2.6 卤素气体提纯法 
    炭-石墨类材料运用在高端工业领域时，对其纯度方针提出了更高的需求，如半导体作业，要求纯度抵达99.999%以上。仅经过高温提纯现已无法抵达纯度要求，现在作业中一般运用卤素气体提纯法，在高温提纯工艺中参加卤素气体（首要是氯 气和卤代烃），运用卤素气体的强氧化性，与材猜中的金属氧化物杂质反应生成氯化物或氟化物等卤化物，因为金属卤化物的沸点远低于热处理温度，在高温条件下，金属卤化物许多气化排出，从而结束对炭-石墨类材料的进一步提纯，经过卤素气体提纯后，炭-石墨类材料的纯度可以抵达99.999%以上。卤素气体提纯法的其他一个优势是可以针对性地下降炭-石墨类材猜中某些有害杂质元素的含量。 
    卤素气体提纯法的另一个重要用处是可以用来对炭纤维类材料进行提纯。纯炭纤维类材料首要包括软毡、硬毡和碳碳复合材料。因为炭纤维的来历不同，制备工艺不同，一般的炭纤维类材料的纯度差异较大，一般低于99.5%，不能满足高端工业的运用需求，如半导体作业中，需求炭纤维类材料的纯度抵达99.995%以上。针对纯炭纤维类材料，干流提纯技术首要是高温提纯法和卤素气体提纯法。 
    高温提纯法为防止温度过高（＞2700 ℃）对炭纤维类材料结构构成损坏，一般在2400℃下对其进行提纯，很难抵达99.995%的超高纯度。在实践出产中，为了保证炭纤维类材料优异的理化功用程度的保存，可经过下降高温提纯法的处理温度，一同引进卤素气体提纯法对炭纤维类材料进行提纯，在两种方法的一同处理下，炭纤维类材料的纯度可以提至99.995%以上。 
3、炭-石墨类材料纯度的表征方法
    炭-石墨类材料纯度的表征方法首要有：灰分法；电感耦合等离子体法（ICP）；辉光放电质谱法（GDMS）和二次离子质谱法（SIMS）。 
3.1 灰分法 
    灰分法中先称量必定质量的炭-石墨类材料（mC，放入900℃的马弗炉中，再通入空气或氧气，将炭-石墨类材猜中的碳量彻底烧蚀，然后称量剩余的灰量（mA）并核算灰分 wA，
    公式如式（1）：wA＝ mA /mC ×100％ （1） 
    灰分法所需设备要求简略，检测操作快捷，是出产企业首要的纯度表征方法。跟着高精密度天平的出现，灰分法的精度不断跋涉，如运用十万分之一天平，灰分法的检测限可达0.0001%（10×10-6。灰分法的首要缺陷：
     1）无法精确表征各个杂质元素的含量；
     2）材料烧蚀进程中随同非金属杂质的烧失，因此灰分法中材料的灰分检测值较实在值偏低；
     3）当灰分含量在 50×10-6 以内时，环境要素对检测体系的影响开端显着添加。 
3.2 电感耦合等离子体法 
    电感耦合等离子体法，作业内简称ICP，其作业原理是：在灰分法的根底上，选用强酸溶解烧失剩余灰分，运用等离子体对溶液组分进行激起，经过质谱分析仪或许光谱分析仪对激起元素进行定量检测，检测可达10-9数量级。该方法的首要缺陷：
     1）烧制灰分和溶解灰分的进程操作较冗杂，对检验人员的综合才调要求较高；
     2）对简单烧失的组分（如 S、P 等）或许强酸溶解不充沛的组分（如 Si 等），检测值较实在值存在较大的误差；
     3）检测设 备的价格不菲，检测维护要求高，因此相关检测费用较高。 
3.3 辉光放电质谱法 
    辉光放电质谱法（GDMS）选用辉光放电源作为离子源轰击样品，经过质谱仪分析产生的二次离子，得到样品元素组成信息。辉光放电质谱法根柢不需求杂乱的制样操作，可以直接检测炭-石墨类材料纯度，检测可达10-9数量级。该方法的首要缺陷：
     1）GDMS对样品只能进行点检测，不能表征材料全体的纯度；
     2）检测设备贵重，设备操作的专业化程度高，设备维护费用高，因此专业的检测方少、检测费用贵重。 
3.4 二次离子质谱法（SIMS） 
    二次离子质谱法（SIMS）选用几千电子伏特能量的一次离子轰击样品表面，产生二次离子，经过对二次离子的质谱分析，得到样品表面或许内部浅层的元素组成。SIMS的灵敏度十分高，可以安稳的检测到10-9数量级。其首要缺陷：检测设备贵重，设备操作的专业化程度高，设备维护费用高。 
    在实践出产或研发作业中，需求根据材料的纯度特征和检测要求，选择一种或多种适宜的纯度检测方法对材料纯度进行表征，以获取材料的纯度信息。 
4 定论 
   现在，国内炭-石墨类材料的提纯技术已根柢定型，首要的技术原理现已得到较为深化全面的研讨，构成了根据不同材料和用处，定制不同纯度方针的提纯技术。 
     1）浮选法是针对天然石墨矿的一种特有的富集精选的方法，其进程伴跟着鳞片石墨的碎化，也伴跟着许多含石墨废水的产生，因此，怎样平衡纯度与石墨鳞片规范，怎样习气出产环保要求，仍是该方法亟待解决的问题。 
     2）碱酸法、氢氟酸法、氯气焙烧法可以对炭-石墨类材猜中的杂质元素进行高效的提纯，但提纯进程会产生许多的废水废气，给环境带来较重的背负，需求建设与之配套的环保设备才调推广运用。 
     3）高温提纯法是炭-石墨类材料重要的提纯方法，特别是对大批量的炭-石墨类材料的纯化出产，高温提纯法是一种适宜的提纯方法。 
     4）卤素气体提纯法协作高温提纯法可以将炭石墨类材料的纯度跋涉到99.999%以上，几乎可以满足一切高端作业的需求。一同，卤素气体提纯法还适宜于提纯炭纤维类材料，经过提纯后，进一步扩展了炭纤维类材料的运用领域。 
     5）炭-石墨类材料的纯度表征方法有灰分法、ICP法、GDMS法和 SIMS法等多种方法，出产研发进程中，根据实践作业的需求，可以针对性地选用一种或几种适宜的方法进行表征，以获取对炭-石墨类材料的纯度信息。