在高科技產業的發展中，由碳元素組成的石墨占有越來越重要的地位，涉及的產品種類極其豐富。在中國，石墨的消費領域第一是耐火材料（80%用于鋼鐵產業），第二是鑄造業，第三是電池產業，它也是未來增長最快的領域。

根據研究，石墨晶體為六方晶系，呈片層狀分布，碳原子以共價金屬鍵相連，配位數為3，間距0.142 nm；層間以分子鍵相連，間距為0.340 nm。面網重復為2的是2H多型石墨，屬六方晶系；當面網重復為3時，則是三方晶系的3R多型石墨。這樣的結構特征使石墨具有一系列優異的物化特性，這些優異的物化特性使得石墨在工業生產中應用廣泛。

石墨的晶體結構

不過石墨與其他原料不同的是，豐富的石墨下游產業對于石墨資源的特性要求有著極大的差異。但由于幾百種產品應用對石墨原料的性質要求差異萬千實在列舉不完，因此今天就用三個例子簡單說一說：

1、石墨化程度

要求高石墨化程度石墨的大頭是新能源材料類石墨產業鏈，可分為鋰離子電池、燃料電池、動力電池等重要原材料類。這里的高石墨化程度，主要是指人造石墨負極材料的要求。

人造石墨

目前在電池市場上，由于人造石墨在循環性能、安全性能、充放電倍率表現更為優秀，市占率在80%以上，廣泛應用于大容量的車用動力電池和中高端消費鋰電。它的生產工藝非常復雜，“石墨化”是生產制備的關鍵環節，是指非石墨質炭經高溫熱處理，轉變成具有石墨三維規則有序結構的石墨質炭，高溫需要2000℃以上。

石墨化最初起源于碳素制品行業，是生產石墨電極的必備工序。其作用是為了提高炭材料的熱、電傳導性，提高炭材料的抗熱震性和化學穩定性，使炭材料具有潤滑性和抗磨性，提高炭材料純度。正是通過石墨化高溫處理，人造石墨才能將炭結構成功轉化為石墨結構而具備了鋰電池負極的相應功能。

石墨化是高溫下碳原子重排成石墨結構的過程

這一工序要求具備豐富的生產經驗，而且成本非常高（電耗太大），在人造石墨負極制造成本中占55%，因此業界都在尋求降低成本的有效方式。目前主要有以下方式：

①從裝爐方式改進：各負極企業逐步替代選用箱式爐，箱式爐較坩堝減少了40%-50%耗電量，環保友好，但工藝較難，所以目前僅少數頭部企業具備穩定生產能力；

②從運行方式改進：連續石墨化或是革新方向，連續石墨化較間歇法優勢在于產品一致性高且大幅度降低耗電量，縮短生產周期，缺點在于石墨化程度低，目前主要應用于低端動力領域，量產技術還需突破。

2、鱗片要求

目前，高檔石墨密封類材料產業鏈會對石墨原料的鱗片程度提出要求，這些石墨密封材料多用于石油、化工、機械工業、汽車及輪船，能夠防止機器和設備中氣態或流態工作介質泄漏以及外界環境中的有害氣體和灰塵等侵入其工作內部。主要產品有可膨脹石墨、柔性石墨以及相關的系列化制品。

石墨類密封材料之所以能獲得廣泛應用，主要是因為石墨具有下列特點：

①具有良好的自潤滑性和低的摩擦系數；

②具有高的導熱系數、低的線脹系數、較高的抗熱震能力；

③具有良好的耐溫性；

④具有優良的耐腐蝕性能。

要制作可膨脹石墨、柔性石墨等深加工材料，就需要以鱗片石墨為原料。其制備原理是：以天然鱗片石墨為原料，利用石墨的層狀結構，在適當的反應條件下，使含氧酸根離子插層進入石墨層間形成具有新的層間性質且沒有破壞石墨層狀結構的石墨層間化合物（GIC）。經過高溫熱處理，石墨層間化合物內部的含氧酸根迅速汽化、分解、揮發，在石墨層與層之間產生巨大的張力，使可膨脹石墨急劇膨脹呈蠕蟲狀。這種可膨脹石墨膨化后的蠕蟲狀石墨，稱為膨脹石墨。通過輥壓、模壓等方式，使蠕蟲狀的膨脹石墨相互擠壓，鎖合，制得表面光滑的柔性石墨板材。

鱗片石墨SEM圖

通過壓制膨脹石墨制得的柔性石墨不僅沒有天然石墨硬而脆的缺陷，還保留了石墨導電性、導熱性強，耐酸堿腐蝕、防輻射性和潤滑性優良等特性，而且具備了石墨所不具備的優良特性，如優良的可壓縮回彈性、密封性、柔軟性和可塑性。因此，在工業應用中，柔性石墨既可用作密封材料，憑借其優良的密封性能獲得“密封王”的美譽，也憑借其優良的導電性能用于制備燃料電池的雙極板。

柔性石墨產品

3、純度要求

目前對石墨純度有要求的行業中，冶金、耐火類產業的用量是最大的，且需求一直很穩定，主要應用如下：

①作耐火材料：石墨及其制品具有耐高溫、高強度的性質，在冶金工業中主要用來制造石墨坩堝，在煉鋼中常用石墨作鋼錠之保護劑，冶金爐的內襯。

②作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料：由于石墨的熱膨脹系數小，而且能耐急冷急熱的變化，可作為玻璃器的鑄模，使用石墨后黑色金屬得到鑄件尺寸精確，表面光潔成品率高，不經加工或稍作加工就可使用，因而節省了大量金屬。生產硬質合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料制成壓模和燒結用的舟。單晶硅的晶體生長坩堝，區域精煉容器，支架夾具，感應加熱器等都是用高純石墨加工而成的。此外石墨還可作真空冶煉的石墨隔熱板和底座，高溫電阻爐爐管，棒、板、格棚等元件。

為什么這些行業會對石墨的純度做出要求呢？這里可以看一個石墨舟皿的例子。有業內人士曾提出，大多數石墨舟皿的工作壽命難以超過一個月，使用過程中容易發生斷裂或表面毀損狀況，嚴重影響使用廠家的生產穩定性，增加了生產成本。

其實石墨舟皿的毀損有兩個因素的作用，一是石墨材料自身的缺陷。石墨材料在400度以上溫度就容易被氧化，如果使用的石墨材料的純度不高，結構中會存在著微小空隙，這些微孔的存在有利于氧氣的吸附，從而加快氧化的速度，另外會降低材料本身的結構強度；二則是生產使用過程中的外力作用。

因此，要解決石墨舟皿易損的問題，重點就是采用高品質的石墨材料制作舟皿，品質越好，純度越高，強度越好，抗氧化能力越強，舟皿使用壽命越長。

總結

當然，行業對石墨原料的品質要求絕不止以上三點，還有導熱性、阻燃性、導電性、半導性、潤滑性、核惰性、敏感性等等。隨著科技創新的發展，滿足下游領域對高性能、專業化石墨原材料制成品需求，已經成為石墨產業發展的重點。因此為了讓石墨產業得到更高效的發展，業界應積極整理更多差異化的需求，挖掘石墨原材料潛在價值，向深加工的方向努力，做出更多專業級的產品。

資料來源：

王靖. 耐高溫柔性石墨材料的制備及機理研究[D]. 湖北:武漢理工大學,2020.

沈毅,懷俊東,彭成龍,等. 我國石墨資源特征與差異化應用進展[J]. 礦產保護與利用,2020,40(2):171-178. DOI:10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2020.02.022.

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