石墨具有優(yōu)異的導電、導熱性，具有化學和高溫穩(wěn)定性，潤滑和涂敷性能優(yōu)良，是重要的非金屬礦物資源，素有“黑金子”的美稱，是冶金、鑄造、電氣、通訊、機械、化工、核工業(yè)、航天、輕工業(yè)等行業(yè)必不可少的材料，具有重要戰(zhàn)略意義和很大經(jīng)濟價值(傳秀云， 2014)。
石墨通常被分為天然石墨和合成石墨兩類。天然石墨分為鱗片石墨和土狀石墨。工業(yè)上制備的碳石墨產(chǎn)品被稱為合成石墨。
1.世界石墨資源分布和生產(chǎn)現(xiàn)狀
1.1世界天然石墨資源主要分布
據(jù)統(tǒng)計，2013年世界石墨總儲量共有7700萬噸，主要分布在中國（71%）、印度（14%）、墨西哥（4%）、巴西（1%）、馬達加斯加（1%）、其他國家9%。世界查明石墨基礎儲量2.2億噸，中國為1.4億噸，主要分布在中國（64%）、捷克（6%）、印度（5%）、墨西哥（1%）、挪威（1%）、其他國家（20%）。石墨是我國的優(yōu)勢礦產(chǎn)資源，美國等國也探明有大量天然石墨資源。
1.2世界天然石墨生產(chǎn)布局
1998年以來，中國石墨生產(chǎn)量一直排名第一，世界石墨生產(chǎn)國的前三甲一直為中國、印度、巴西。據(jù)統(tǒng)計，2012年，世界石墨年產(chǎn)量122萬噸，中國生產(chǎn)量87萬噸，印度16萬噸、巴西11萬噸、加拿大2.5萬噸、朝鮮3萬噸、俄羅斯1.4萬噸。此外，墨西哥、烏克蘭、土耳其、斯里蘭卡等國也生產(chǎn)石墨，但產(chǎn)量不到1萬噸（見圖1）。
圖1 世界天然石墨產(chǎn)量分布圖（2011年）
1.3世界天然石墨需求狀況
世界石墨需求基本穩(wěn)定。超過70%的石墨需求由中國供應(尹麗文，2013)。其他國家雖有大量資源，但開采量有限。正如西方某知名學者所說，只要有廉價石墨供應，發(fā)達國家一般不采礦，直接購買原料使用。
2.石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
中國對世界石墨生產(chǎn)影響很大。1998年以來，中國一直是世界最大的石墨生產(chǎn)國。隨著中國石墨生產(chǎn)量的增加，世界石墨生產(chǎn)量在下降（見圖2）。
圖2 中國和世界的石墨生產(chǎn)量變化圖
根據(jù)1990年以來的數(shù)據(jù)計算，中國石墨平均年產(chǎn)量為46.8萬噸。據(jù)此計算，中國現(xiàn)有的石墨儲量大約只能維持百年。2012年，中國石墨年產(chǎn)量為87萬噸，據(jù)此速度計算，維持年限更加減少。考慮采礦損失、選礦損失，能夠維持開采時間還會更短。
石墨進出口產(chǎn)品主要有六類：（i）石墨碳精；（ii）石墨耐火陶瓷；（iii）球化石墨；（iv）天然磷片石墨；（v）細粉石墨；（vi）土狀石墨。
據(jù)統(tǒng)計，2012年有70個國家從中國進口天然鱗片石墨、56個國家從中國進口細粉石墨、25個國家土狀石墨、19個國家球化石墨、58個國家石墨耐火陶瓷、88個國家石墨碳精。從我國進口石墨的國家逐年增長（見圖3）。石墨原料（天然鱗片石墨、細粉石墨、土狀石墨）出口雖有波動，基本穩(wěn)定，穩(wěn)中有增。初加工石墨產(chǎn)品（石墨碳精、石墨耐火陶瓷）出口也穩(wěn)中有升�？上驳氖牵�2009年我國有了自己的石墨深加工產(chǎn)品——球化石墨，從2009年開始向11個國家出口，2012年已經(jīng)發(fā)展到向19個國家出口。雖然出口不多，也是個良好的開端。然而，球化石墨并不是石墨最終產(chǎn)品。發(fā)展石墨制件、特別是用戶能夠直接使用的集成石墨產(chǎn)品，顯然有更大的實用價值和經(jīng)濟優(yōu)勢。
圖3中國出口石墨的國家數(shù)量變化圖
中國雖然是石墨資源大國，但仍然無法完全滿足我國自身對原料石墨的需求。然而，從發(fā)達國家（例如法國、日本、英國等）進口天然鱗片石墨，價格卻遠高于自己的出口價格。石墨加工產(chǎn)品的進口價格大多高于出口價格。
3.石墨的制備和應用
3.1合成石墨的制備和應用
合成石墨因為純度高、性能穩(wěn)定，被廣泛用作高溫熱結構材料等，在航空航天等領域應用廣泛（見圖4）。據(jù)統(tǒng)計，合成石墨主要用于石墨電極（61%）、纖維編織物（6%）、未加工的石墨制件（5%）。28%的合成石墨用于電極、坩堝、石墨容器、電動機碳電刷、石墨加工部件、石墨器件、潤滑材料、耐火材料、煉鋼增碳劑、冶金添加劑等。合成石墨還可以用來制作剎車制動襯墊、碳支架、人工心臟瓣膜等。
圖4合成石墨的應用及其在各領域的使用分布圖
我國有多個碳素企業(yè)生產(chǎn)合成碳石墨材料，但是，產(chǎn)品種類、質量與國外企業(yè)尚有距離。缺乏高性能的合成石墨產(chǎn)品、例如高性能炭纖維、核石墨等。現(xiàn)在，高性能碳石墨材料大多由日本東洋炭素、德國SGL等企業(yè)壟斷。
3.2天然石墨的制備和應用
據(jù)統(tǒng)計，大部分天然石墨被用來制作碳質耐火材料（見圖5），其次，被用來制作剎車制動襯墊、潤滑材料、鑄造和鑄造飾面材料、碳支架碳刷、彈藥包裝、粉末冶金、橡膠等領域。
圖5天然石墨的主要應用領域（2012年）
天然石墨還可以用于汽油防爆添加劑、電池、坩堝、鉆井泥漿、電子/電器設備，工業(yè)金剛石、磁帶、機械制造、噴嘴、油漆和拋光劑、鉛筆、蒸餾器、套筒、小型包裝、焊接、煉鋼增碳劑、活塞等領域。
德國(Graphit Kropfmühl, AG)、瑞士特密高（Timcal）等國際大型碳石墨企業(yè)將天然石墨與合成石墨結合在一起，來制造碳石墨制件，其產(chǎn)品在國際上很有市場。現(xiàn)在，這些企業(yè)也已經(jīng)開始在中國謀求發(fā)展，利用中國的資源直接生產(chǎn)碳石墨制件。我國不少質量好的天然石墨（例如山西大同大鱗片石墨、內蒙興和石墨80%以上的股權）已經(jīng)由瑞士特密高購買。
4.石墨產(chǎn)業(yè)前沿方向和發(fā)展前景
石墨產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。一方面，傳統(tǒng)的電池、耐火材料、機械制造、印刷墨粉、鉛筆制作等行業(yè)有長期的需求，新興的新能源汽車、風力發(fā)電、環(huán)境治理等行業(yè)的應用潛力巨大，另一方面，石墨產(chǎn)業(yè)又依賴于高性能石墨材料制品的發(fā)展。目前，我國的天然石墨行業(yè)主要進行采礦、選礦，主要靠廉價勞動力獲得收益。根據(jù)石墨的性能特點，石墨產(chǎn)業(yè)在下列方面具有長遠的發(fā)展?jié)摿Α?/SPAN>
4.1傳統(tǒng)的優(yōu)質碳質耐火材料
因為優(yōu)異的機械性能、化學穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性，碳石墨材料是不可替代的耐火材料、高溫結構材料，也是核能、太陽能結構材料等。石墨可以制成石墨制件，例如石墨坩堝；也可以作為添加劑，用來制作各種碳質耐火材料。與MgO混合，可以制成耐火性能很高的鎂碳磚。采用石墨、工業(yè)碳素等為主要原料，經(jīng)成型、高溫石墨化處理，可以制成石墨碳磚。
4.2傳統(tǒng)的金剛石制造行業(yè)
金剛石是電的絕緣體、熱的良導體，是機械、光學、電子工業(yè)的必需品。天然鱗片石墨是合成金剛石的最重要碳源，其質量對合成金剛石的品質有很大影響。高純高石墨化度的天然石墨用作碳源，有利于金剛石合成，成核率高、顆粒大(Chuan Xiuyun, 2012;傳秀云，2012)。
4.3傳統(tǒng)的核材料
核能是解決能源緊缺問題的有效手段。但是，核反應堆的工作條件苛刻、腐蝕性強、反應溫度高，對材料要求很高。碳石墨材料具有熱膨脹系數(shù)低、抗熱沖擊性好、中子活化性能低等優(yōu)異的性能，是核反應堆不可缺少的慢化、反射和結構材料(傳秀云等，2009)。
4.4傳統(tǒng)的印刷墨粉材料
石墨碳原子層面內與層間鍵合力的巨大差異，使石墨具有優(yōu)異的潤滑性能，成為良好的固體潤滑材料。其濃郁的黑顏色使其成為良好的碳素繪畫顏料；對天然石墨進行深加工，可以充分發(fā)揮石墨良好的導電性、吸附性能，制備優(yōu)質的印刷、打印墨粉。
4.5固體潤滑材料
石墨層間微弱的分子鍵使石墨本身成為很好的固體潤滑材料。例如，將鉛筆中的鉛粉加到鎖眼中，鎖子很容易打開。將氟插入石墨層間，制備的氟化石墨，是最好的固體潤滑劑和防水劑，在機械制造、國防工業(yè)有著重要的應用。
4.6固體密封材料
利用硫酸等插層可制備膨脹石墨、生產(chǎn)柔性石墨紙。這種石墨紙能夠充分發(fā)揮石墨的化學穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性，在高溫、腐蝕性強的環(huán)境中、仍然能夠起到很好的密封作用。裁剪成密封墊片等，是非常好的固體密封材料。用在防火門窗中，能起到很好的密封防火作用。
4.7新興的環(huán)保材料
碳石墨材料在石油廢水處理、污染水質處理、大氣污染治理和電磁污染防治中有很大應用潛力。對天然石墨進行特殊熱處理形成膨脹石墨后，有大量孔隙存在，密度很低。用作吸附材料，其吸附浮油的性能超出活性炭，可在很短時間內吸附水面浮油，治理石油廢水。這種石墨能夠重復使用，成本低、具有很好的應用前景。將碳石墨材料與樹脂和水泥復合，所得材料能夠用作防靜電材料、電磁屏蔽材料等。
4.8新興的熱交換材料
石墨具有優(yōu)異的導熱性能，可以制成導熱材料。在手機中使用石墨紙，能夠改善手機的散熱性能。蘋果手機因此獨樹一幟。石墨紙在電子產(chǎn)品中有很大發(fā)展空間。優(yōu)異的導電、導熱性能共同作用，使石墨可以用作電發(fā)熱材料。在地采暖、電發(fā)熱器件、散熱器等熱交換材料領域有廣闊的應用前景。
4.9石墨儲能材料
特殊的結構特點使石墨能夠成為性能優(yōu)異的儲能材料。在風能、太陽能、核能、電能等新能源領域有很大應用潛力。僅僅在電動汽車中，石墨就可以做成電池材料、超級電容器、燃料電池、電刷等（傳秀云，2013）。
4.10導電材料
特殊的結構特征使石墨表現(xiàn)出良好的導電性能，使石墨能夠被用作電極、特別是大型工業(yè)電極材料、一次電池的正極電池材料，例如鋰氟電池正極材料、高能堿性電池正極導電材料、燃料電池中的雙極板材料等。
4.11二次鋰離子電池材料
因為石墨中碳原子之間的共價鍵與分子鍵的巨大差異，使得其幾乎所有的原子分子都能夠突破束縛插入碳原子層面間，形成石墨層間化合物（傳秀云，1996；傳秀云等，1997；傳秀云，199；傳秀云等，1999）。對天然石墨進行結構組裝，將氫插入石墨層間，氫的插入有可能使石墨成為儲氫材料。以氟化石墨為正極的鋰氟電池，能量密度高、自放電小、壽命長，是遠程、無人監(jiān)測、封閉環(huán)境、偵查裝置的能源保障，適合于長期工作的儀表電源。鋰離子可通過在石墨層間的插入和脫插實現(xiàn)充放電，使得石墨成為性能良好的二次電池材料，可用來制作鋰離子電池（傳秀云，2013）。
4.12球化石墨超級電容器材料
在石墨結構層中的鋰離子納米組裝可形成優(yōu)異的二次鋰離子電池。然而，將石墨球形化，制成球形石墨，存儲電子的空間就不僅僅是碳原子層間，還有廣闊的孔隙，因此，球形石墨可以成為優(yōu)異的超級電容器材料，在電動汽車等領域有很大應用潛力。
4.13石墨烯材料及新型超級電容器材料
將石墨中的多層碳原子層拆開，能夠制備強度最高、最薄的新型二維碳材料——石墨烯（Geim A K等,2007；Ferrari A C等,2006；傳秀云，2012；Xiu-Yun Chuan,2013）。特殊的結構性能使其有可能成為高性能納米電子器件、場發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲材料等。如果成本能夠降下來，還有可能制成優(yōu)異的超級電容器材料，在新能源和電動汽車領域有很大的發(fā)展?jié)摿�。石墨是生產(chǎn)電動汽車鋰電池負極材料的主要材料，新能源電動汽車的發(fā)展創(chuàng)造了碳石墨材料的重要機遇。
5.結論
石墨是傳統(tǒng)工業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)所必需的礦物原料。我國是世界石墨資源大國，但是天然石墨資源不可再生。原礦石低水平的消耗不僅讓企業(yè)經(jīng)濟利益受損，而且也會使子孫后代的切身利益受損。我國石墨資源得利用還處于初級提純、初加工階段，對石墨保護性開采、深度開發(fā)利用至關重要。
根據(jù)需求、用途來確定石墨產(chǎn)品的分級（例如粒度、純度等）。核石墨需要高純石墨、鉛筆生產(chǎn)則需要低純度石墨等。石墨紙生產(chǎn)需要大鱗片石墨，而細鱗片石墨在電池生產(chǎn)中就足夠了。鋼鐵冶煉中土狀石墨有足夠的碳含量即能達到要求。根據(jù)用途決定生產(chǎn)產(chǎn)品的質量特點，不僅節(jié)約成本，而且節(jié)省資源。
對石墨結構性能的深入研究，可更好地提高石墨產(chǎn)業(yè)的技術水平。打破傳統(tǒng)石墨行業(yè)與炭素行業(yè)的壁壘，發(fā)展石墨制件、特別是用戶能夠直接使用的集成石墨產(chǎn)品，例如商用的電動汽車電池，而非生產(chǎn)電池的原料石墨，顯然有更大的實用價值和經(jīng)濟優(yōu)勢。隨著科學技術和工業(yè)的發(fā)展，石墨的應用領域將不斷拓寬，會成為高科技領域中新型功能材料、結構材料，在國民經(jīng)濟中會發(fā)揮更重要的作用。
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