（本文發(fā)表于2024年第3期）

第一作者簡介

張欣，助理工程師，從事地質(zhì)礦產(chǎn)勘查和研究工作。

石墨，這種平凡的黑色物質(zhì)，其功能與應(yīng)用方式隨著人類社會(huì)發(fā)展而不斷演變，從書寫工具，到工業(yè)制造的重要原料，再到電子與能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，石墨見證了人類文明進(jìn)步和科技創(chuàng)新，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景與應(yīng)用潛力，是當(dāng)今世界高新技術(shù)發(fā)展不可或缺的非金屬材料，也是重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源。

作為名副其實(shí)的“工業(yè)黑金”，石墨是如何形成的，又為何具有如此之多的功能與應(yīng)用呢？

01

溯源解密 探究成因

天然石墨是由碳元素組成的非金屬礦物，是地質(zhì)歷史時(shí)期中經(jīng)歷沉積和變質(zhì)共同作用的產(chǎn)物。其形成過程主要經(jīng)歷兩個(gè)階段，分別是碳質(zhì)沉積富集階段和變質(zhì)成礦階段，前者為石墨的形成提供豐富的碳質(zhì)來源，后者則完成由碳質(zhì)到石墨的轉(zhuǎn)變。

天然石墨由自然界中的碳質(zhì)形成，碳質(zhì)來源主要分為有機(jī)碳和無機(jī)碳，其中有機(jī)碳占據(jù)主導(dǎo)地位，主要來源于原始海洋中的藻類植物、微體古生物殘骸，以及其他碳質(zhì)殘留物；無機(jī)碳占比則相對較小，大多來源于海洋環(huán)境中形成的碳酸鹽巖等含碳無機(jī)物。原生有機(jī)碳與無機(jī)碳在海底經(jīng)過堆積和埋藏，形成富含碳質(zhì)的沉積層。

有了充足的沉積儲備后，碳質(zhì)還需要一定溫壓條件才能轉(zhuǎn)化為石墨，這一轉(zhuǎn)化過程又稱為石墨化過程。在地球板塊運(yùn)動(dòng)過程中，海洋沉積的富碳沉積層逐漸移動(dòng)到地殼深處，高溫高壓的封閉環(huán)境使得零散碳質(zhì)快速有序地形成石墨晶核，之后緩慢聚集生長形成石墨晶體。其中溫度和壓力是碳質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭氖滓獥l件，晶體生長時(shí)間是石墨化程度的重要因素。

> 石墨成因示意圖

02

尋蹤索跡 分布廣泛

天然石墨在全球分布廣泛、儲量豐富。美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的《2024年礦產(chǎn)商品摘要》顯示，截至2022年年底，全球已探明的天然石墨儲量約2.8億噸，中國儲量約為8100萬噸，約占全球的1/4；全球2023年石墨產(chǎn)量約160萬噸，中國產(chǎn)量約為123萬噸，約占世界總產(chǎn)量的77%，是世界領(lǐng)先的石墨生產(chǎn)國。

根據(jù)《自然資源部2022年全國礦產(chǎn)資源儲量統(tǒng)計(jì)表》，我國天然石墨礦石種類齊全，以晶質(zhì)石墨為主，隱晶質(zhì)石墨較少；礦產(chǎn)分布廣泛，全國25個(gè)省、自治區(qū)、直轄市都發(fā)現(xiàn)有石墨礦點(diǎn)，儲量相對集中，總體呈“東多西少”的特點(diǎn)，其中黑龍江是我國最大的晶質(zhì)石墨儲備省，約占全國晶質(zhì)石墨儲量的2/3。

> 中國石墨分布圖

（圖片來源：張艷飛 等，2022，有修改）

03

形態(tài)多樣 種類豐富

天然石墨色澤漆黑、質(zhì)地滑膩，依據(jù)其結(jié)晶形態(tài)差異，可分為晶質(zhì)石墨和隱晶質(zhì)石墨。

晶質(zhì)石墨晶形較好，晶體肉眼可見，可細(xì)分為鱗片石墨和塊狀石墨。當(dāng)單層石墨有序疊加時(shí)即形成魚鱗狀的鱗片石墨，若排列雜亂無章，則會(huì)形成致密的塊狀石墨。

隱晶質(zhì)石墨晶體微小，形似土狀，需借助電子顯微鏡才能看清晶形，因此又被稱為土狀石墨。

天然石墨的晶體形態(tài)與其工業(yè)價(jià)值密切相關(guān)。一般而言，結(jié)晶程度越好，其品質(zhì)特性就越高，因此，鱗片石墨往往具有優(yōu)于其他類型石墨的優(yōu)良特性和應(yīng)用價(jià)值。

> 鱗片晶質(zhì)石墨礦石

> 隱晶質(zhì)石墨礦石

在以結(jié)晶形態(tài)為依據(jù)進(jìn)行種類劃分的基礎(chǔ)上，還可通過石墨形成時(shí)的地質(zhì)背景和條件將石墨礦床進(jìn)一步劃分為區(qū)域變質(zhì)型、接觸變質(zhì)型和巖漿熱液型三種。

區(qū)域變質(zhì)型石墨礦床多由古老含碳沉積地層經(jīng)地殼運(yùn)動(dòng)區(qū)域變質(zhì)而成，多形成晶形較大、品質(zhì)較好的鱗片石墨，其礦石品位雖然較低，但礦床規(guī)模大，工業(yè)價(jià)值最高，是我國最主要的礦床類型，代表性產(chǎn)地為黑龍江柳毛、蘿北、內(nèi)蒙古興和、山東平度。

接觸變質(zhì)型石墨礦床是巖漿在侵入煤系地層時(shí)，由煤層中的碳變質(zhì)形成，又稱為煤系石墨。石墨結(jié)晶程度偏低，呈微晶或隱晶質(zhì)，礦石品位較高，可達(dá)60%~90%，代表性產(chǎn)地為湖南魯塘、吉林磐石。

巖漿熱液型石墨礦床是由含碳巖漿熱液冷卻結(jié)晶形成，規(guī)模一般較小，礦體形態(tài)不規(guī)則，石墨的結(jié)晶程度差別較大，大多為中細(xì)鱗片石墨，礦石品位較低，代表性產(chǎn)地為新疆黃羊山、蘇吉泉。

04

個(gè)性十足 工業(yè)之珍

天然石墨特殊的結(jié)構(gòu)賦予其多種優(yōu)異特性，也大大拓展了其在工業(yè)領(lǐng)域的用途。

質(zhì)地軟 石墨的摩氏硬度為1，是自然界最軟的礦物。這是因?yàn)槭械奶荚討{借結(jié)合力極強(qiáng)的共價(jià)鍵在平面上構(gòu)成了穩(wěn)定的六邊形層狀結(jié)構(gòu)，而層與層之間距離較遠(yuǎn)，僅依靠微弱的吸引力相結(jié)合，這導(dǎo)致其碳原子層內(nèi)很牢固，但層與層之間的聯(lián)結(jié)較弱，在受力之后，層與層之間極易滑動(dòng)分離，就像一摞撲克牌，輕輕一推，牌和牌就錯(cuò)落滑動(dòng)。這也是石墨能用于制作鉛筆的原因，在紙上輕輕一劃，石墨鉛芯層層剝落，留下一層黑色痕跡。甚至還有藝術(shù)家在鉛筆芯上雕刻創(chuàng)作，演繹一出現(xiàn)代版“核舟記”。

耐高溫 石墨具有優(yōu)越的耐高溫性能，熔點(diǎn)接近4000℃，沸點(diǎn)達(dá)到4250℃。石墨是原子晶體，碳原子之間的共價(jià)單鍵是一種鍵能很高的化學(xué)鍵，需要極強(qiáng)的能量才能將其破壞，所以石墨的熔點(diǎn)很高，在超高溫環(huán)境下重量損失極小。因此，在冶金、鑄造等工業(yè)部門中，石墨可用于生產(chǎn)鎂碳耐火磚及耐高溫的石墨坩堝。

> 石墨坩堝

> 石墨工業(yè)零件

耐腐蝕 石墨具有優(yōu)異的防腐蝕性能，能夠承受各種強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有機(jī)溶液的侵蝕，而且石墨與大多數(shù)化學(xué)溶液的“親和力”極小，表面不易結(jié)垢，可在化學(xué)工業(yè)中制作成高純度耐腐裝置，如化學(xué)管道、反應(yīng)槽、燃燒塔，等等。

潤滑性 石墨是使用歷史悠久的固體潤滑劑。石墨容易滑動(dòng)的層狀結(jié)構(gòu)，賦予其優(yōu)異的潤滑性。在吸附空氣中的氣體和水汽之后，石墨層間距離會(huì)增大，更易于滑移，進(jìn)一步加強(qiáng)了其潤滑性。因此，在機(jī)械制造等行業(yè)中，石墨既可作為固體潤滑劑來幫助鑄件脫模，也可與其他金屬制成無油潤滑軸承等摩擦性材料，同時(shí)也是日常生活中解決鎖芯生銹常用的潤滑材料。

導(dǎo)電性 石墨是一種常用的非金屬導(dǎo)電材料，這與石墨中碳原子的電子排布結(jié)構(gòu)有關(guān)。碳原子最外層有4個(gè)電子，而石墨蜂巢式層狀結(jié)構(gòu)中每個(gè)碳原子都利用3個(gè)電子分別與周圍另外3個(gè)碳原子連接形成共價(jià)鍵，因此，每個(gè)碳原子會(huì)多出一個(gè)自由電子來傳輸電荷，這就使石墨擁有了優(yōu)良的導(dǎo)電性。因此，石墨在電氣行業(yè)中應(yīng)用廣泛，常用作強(qiáng)光燈泡燈絲、碳棒、電刷等，或以電極形式應(yīng)用于小電極碳管、水銀整流器正極、焊接碳、電話配件等零件上。

此外，石墨穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)決定了其可作為化學(xué)反應(yīng)減速劑和良好的隔熱劑，并以此在核工業(yè)材料、航天設(shè)備部件等尖端工業(yè)領(lǐng)域中得到重用。我國目前投入商業(yè)運(yùn)行的第四代高溫氣冷反應(yīng)堆中，就使用了性質(zhì)穩(wěn)定的石墨作為反應(yīng)堆的減速劑。

> 以石墨作為減速劑的核反應(yīng)堆

05

新型材料 未來可期

全球新一輪工業(yè)革命的到來，為石墨的研究和應(yīng)用帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級，使得石墨深加工技術(shù)不斷取得突破，石墨特性得到深度開發(fā)和利用，石墨行業(yè)開始向高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展，一系列新型石墨材料應(yīng)運(yùn)而生，如柔性石墨、球形石墨、石墨烯，等等。

柔性石墨是由天然鱗片石墨經(jīng)過特殊化工處理后快速加熱膨脹制成的，因其膨脹制作工藝，又稱為膨脹石墨。柔性石墨不僅繼承了天然石墨的優(yōu)良性質(zhì)，還拓展了柔軟性、回彈性、吸附性等特性，可以在高溫、高壓或輻射條件下工作，能夠作為阻燃和密封材料。利用其親油疏水的特性，可以作為吸附劑來處理油類物質(zhì)，常用于處理原油泄漏及油田廢水；還可以除去可溶于油的物質(zhì)，如農(nóng)藥等一些有機(jī)或無機(jī)有害成分，或用于脫除工業(yè)廢氣及汽車尾氣中的有害物質(zhì)。

球形石墨是對天然鱗片石墨采用機(jī)械物理法進(jìn)行球形化處理得到的，球狀形體使其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、充放電容量和循環(huán)壽命，是目前較為理想的鋰電池負(fù)極材料。近些年，鋰離子電池在計(jì)算機(jī)、通信及娛樂等電子產(chǎn)品中的使用量迅速增長。隨著清潔環(huán)保的電動(dòng)汽車行業(yè)快速壯大，對高性能鋰離子動(dòng)力電池的需求量不斷增長，隨之也帶動(dòng)了球形石墨的需求與發(fā)展。

> 以球形石墨作為負(fù)極材料的汽車電池

在目前所有的新型石墨材料中，石墨烯是當(dāng)之無愧的“材料黑馬”，掀起了石墨應(yīng)用的新高潮，是名副其實(shí)的新質(zhì)生產(chǎn)力。

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的單層片狀材料，也就是單層石墨，極薄的厚度卻有著極高的強(qiáng)度，同時(shí)又兼具優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性及可塑造性，使其在物理、化學(xué)、生物、能源等眾多領(lǐng)域都備受關(guān)注，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。利用石墨烯的優(yōu)異性能，可用來制作石墨烯復(fù)合防腐涂料、散熱薄膜材料、柔性顯示設(shè)備、感知傳感器等先進(jìn)工業(yè)及電子產(chǎn)品。未來，石墨烯在生物醫(yī)藥、光學(xué)、電學(xué)和生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域都有廣闊前景，還有望帶來半導(dǎo)體領(lǐng)域的顛覆性革命，成為下一代電路、超級計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)材料。

隨著石墨烯生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，其在工業(yè)和日常生活中的應(yīng)用將越來越廣泛。因此，我國十分重視石墨烯技術(shù)的研究與創(chuàng)新，并將其放在核心科技地位，爭取在高新技術(shù)領(lǐng)域走向世界前列，引領(lǐng)新材料發(fā)展。

在對石墨材料的不斷深入研究背景下，未來將可能出現(xiàn)更多具有創(chuàng)新性和高性能的石墨基材料，在推動(dòng)工業(yè)發(fā)展、提高能源效率、保護(hù)環(huán)境等方面發(fā)揮重要作用。目前研究表明，天然石墨的品質(zhì)直接影響到以其為原料制備的新材料的性能和應(yīng)用范圍。天然石墨品質(zhì)越好、純度越高，在制備新型材料時(shí)就更具優(yōu)勢。未來，應(yīng)用前沿石墨材料的新能源、新材料、國防工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域?qū)?yōu)質(zhì)石墨資源有著更大需求。我國作為最大的天然石墨儲備國和生產(chǎn)國，應(yīng)繼續(xù)深化石墨找礦行動(dòng)，利用多手段綜合尋找深部礦產(chǎn)、開發(fā)優(yōu)質(zhì)資源，并以此為依托，加強(qiáng)對石墨資源的綜合開發(fā)利用，提升在新興領(lǐng)域的研究與技術(shù)創(chuàng)新能力，將石墨資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為新領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢，為新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展不斷賦能。

> 石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

> 透明石墨烯薄膜

兩種“工業(yè)黑金”的區(qū)別

天然石墨和煤炭都是由碳元素組成的物質(zhì)，且都有“工業(yè)黑金”的美譽(yù)，但兩者在結(jié)構(gòu)性質(zhì)、成因等方面差異較大，在工業(yè)應(yīng)用上也各有千秋。

從結(jié)構(gòu)性質(zhì)角度來看，天然石墨和煤炭差別較大。天然石墨是由碳元素構(gòu)成的單質(zhì)體礦物，碳原子層層有序排列，晶體結(jié)構(gòu)均勻。煤炭則是由碳、氫、氧等多種元素共同組成的混合物，碳原子與其他原子構(gòu)成不同的有機(jī)分子，與無機(jī)化合物無序組合在一起，結(jié)構(gòu)復(fù)雜凌亂。因此，石墨的物理化學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)比煤炭穩(wěn)定，燃點(diǎn)、熔點(diǎn)及導(dǎo)熱性都遠(yuǎn)高于煤炭。這也是二者雖然都富含大量碳元素，但煤炭可以用作燃料，而石墨卻不能的原因。

從成因角度來看，雖然天然石墨與煤炭均為遠(yuǎn)古植物殘骸經(jīng)歷沉積與變質(zhì)作用的產(chǎn)物，但石墨的形成必須在地殼深處經(jīng)歷高溫高壓變質(zhì)作用，碳質(zhì)才能形成石墨晶體。煤炭只需在地殼淺部經(jīng)歷沉積作用就可形成褐煤，經(jīng)歷低程度變質(zhì)作用可形成煙煤和無煙煤。若溫壓條件繼續(xù)升高，也可實(shí)現(xiàn)由煤炭到石墨的轉(zhuǎn)化，例如，接觸變質(zhì)型煤系石墨，就是由無煙煤層受巖漿侵入時(shí)高溫變質(zhì)形成的。

在工業(yè)應(yīng)用方面，天然石墨與煤炭大相徑庭。天然石墨主要用作工業(yè)原料，用來制作工業(yè)器械零件及碳基材料。煤炭則主要用來燃燒供能及提取有機(jī)化合物，如發(fā)電、煉鋼，以及制備甲醇、粗氨，等等。

值得一提的是，無論是石墨還是煤炭，我國都是世界上主要的儲備國和生產(chǎn)國，儲量位居前列，產(chǎn)量全球第一。其中，石墨集中分布在黑龍江和內(nèi)蒙古兩省（自治區(qū)），煤炭則集中分布在山西、內(nèi)蒙古、新疆和陜西四省（自治區(qū)）。巨大的“工業(yè)黑金”儲量，為我國工業(yè)發(fā)展提供了有利條件和堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

作者： 張 欣 牟文斌 李福明

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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