中国粉体网讯  氟化石墨是碳和氟在高温下反应生成的一种先进的炭-石墨功能材料，其性能卓越、品质独特，是新型功能材料中的一朵奇葩。

一、氟化石墨的结构特点

氟化石墨是氟原子与构成网状平面的碳原子以共价键结合而形成的化合物。

氟化石墨化学结构式可用（CFx）n表示，x为不定值，其范围一般在0<x<1.25之间。氟化石墨的性质随分子式中碳和氟的比值不同而不同。

具体过程为通过打破碳层π键(sp²杂化)，并和碳原子结合形成C-F键的一种过程，是修饰和控制碳材料物理化学性质最有效的方法之一，其能够显著地改善碳材料的表面极性、电导性、吸附能力和电容性性能。

目前它具有两种稳定的化合物，一种为聚单氟碳，化学式为（CF）n；另一种是聚单氟二碳，化学式为（C₂F）n。由于氟的原子半径小，电负性又高，其化合物显示出独特性质。

单层化合物（CF）和（C2F）结构示意图

二、氟化石墨的性质

物理性质

• C/F原子比

氟化石墨性能随分子结构中的C/F原子的比值而异。C/F比值≤1称之为高氟化度氟化石墨；C/F比值>1称之为低氟化度氟化石墨。

高氟化度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MoS₂和鳞片石墨。

低氟化度石墨呈灰黑色，热稳定性较差，一般不作润滑剂。但它是制造高能无水电池阴极的理想材料。

• 热稳定性

高于500℃才有少量失重，是热稳定性较差的化合物。

• 润滑性能

是润滑脂类和固体润滑剂（二硫化钼、石墨等）中摩擦系数最低的，在27~344℃内，摩擦系数仅为0.1~0.13。

化学性质

表面能：氟化石墨的表面能极低。

几种材料的表面自由能

耐腐蚀；与氢进行还原反应生成氟化氢；在高温/加热熔融下与碱金属及碱金属卤化物反应生成氟化碱金属和无定形碳。

电化学性质

氟化石墨是电池的活性物质。用锂作阳极，氟化石墨作为阴极组成非水系电池，其能量密度约为水系锰电池的5倍，电压为2倍；储藏性能好，没有气体产生，自身放电极小；工作电压平稳，受温度影响小，在-20~70℃范围内照常使用。

三、氟化石墨的合成工艺

高温合成法

这是氟化石墨合成中最常用的方法，在一定温度下让石墨和氟气直接反应。

以氟气为原料的合成方法可以通过选择不同的反应温度来制得相应的氟化石墨;但由于原料中含有有毒性气体，使得反应过程可能出现爆炸或气体泄露现象，有较大的安全隐患，并且反应过程伴随有不少的副产物产生，导致产率比较低。近年来，有研究者针对氟气存在的危害性问题，采用含氟物质作为氟的原料，以优化合成环境、降低安全隐患。

低温合成法

低温合成法又称间接反应法，是指在250～500℃温度条件下，石墨先与五卤化物反应生成石墨层间化合物，然后在常温下与氟气发生反应生成氟化石墨的过程。

此方法具有反应温度相对较低、控制范围大等优点，大幅度降低了爆炸的可能性;且副产品较少，氟化石墨产率较高，回收的原料还可以循环使用;但由于反应过程使用氟气，因此需要注意密封、安全等方面的问题，且对生产设备要求较高。

催化合成法

催化合成法是指当存在金属氟化物(如LiF)时，石墨与氟气的反应可在低于300℃的温度条件下顺利进行。其中，金属氟化物主要起到催化作用，并且金属氟化物的存在可以提高氟化石墨的某些性能，如电导率。

电解合成法

在电池两极中间，因为电场的影响，石墨和氢氟酸被电解，发生电化学反应能够生成氟化石墨，通过反应液浓度、反应温度和电解质量能够控制电解过程的进行。

四、氟化石墨的应用

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。

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。

用作固体润滑剂

氟化石墨具有石墨、MoS2无可比拟的高润滑性和耐化学安定性。它可作为固体润滑剂或经过改性作为润滑添加剂，广泛应用于高温、高速、高负荷等苛刻条件下，并耐酸碱的腐蚀，而应用于节能减磨润滑领域。

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。

在核反应堆中的应用

氟化石墨在核反应堆中主要用作减速剂，反射材料和涂敷材料。其优点是气体投射率小，防污性能好，热中子吸收断面小，反应堆内热中子损失小，反应的热效率高。

（中国粉体网编辑整理/黑金）