石墨的发展及其现状

石墨由于特殊的性质，是传统工业和战略性新兴产业所必须的矿物原料，广泛应用于科技工程领域。石墨是我国的优势矿产资源，产量、出口量在世界市场上占主导地位。

石墨

1.1石墨的性质

石墨是碳的结晶体，是一种非金属材料，色泽银灰，质软，具有金属光泽。莫氏硬度为1~2，比重2.2~2.3，其容重一般为1.5~1.8。
石墨的熔点极高，在真空下到3000℃时才开始软化的趋向溶融状态。石墨在加热到2000℃，其强度反而较常温时提高一倍，但石墨的耐氧化性能差，随着温度的提高氧化速度逐渐增加。

石墨的导热性和导电性是相当的，其导电性比不锈钢高4倍，比碳素钢高2倍，比一般的非金属高100倍。

石墨具有良好的润滑性和可塑性，石墨摩擦系数小于0.1，石墨可展成透气薄片，但高强石墨硬度很大，以至用金刚石刀具都难以加工。

1.2石墨的应用

在19世纪以前，由于其耐高低温和导电性，石墨主要用于耐火材料、颜料等的原料。随着对石墨抗腐蚀、抗辐射、自润滑等性质认识的深入，其应用领域也愈加广泛。出现了高纯石墨、核工业用石墨、石墨纤维、浸硅石墨等。特别是近些年来石墨烯的发现，引起了电子通讯、锂离子电池、航天军工、生物医药、环保、太阳能、光电等新兴领域的广泛关注。

天然石墨

2.1天然石墨的分类及分布

天然石墨分为鳞片石墨（结晶磷片状石墨），块状石墨（脉型石墨）和土状石墨（隐晶质石墨、无定形石墨）。
磷片石墨矿床是全球主要的矿床类型，主要分布在东亚、东南亚、中亚、北欧、东欧、中欧、南非、东非、北美洲、南美洲、大洋洲。其矿石矿物主要是粗晶鳞片状、大磷片、细鳞片石墨，具有较大的工业价值。
全球脉型石墨矿床主要分布在斯里兰卡、印度、美国、英国、西班牙、摩洛哥、日本、俄罗斯、坦桑尼亚、南非、加拿大等国家。
全球隐晶质石墨矿床大多在东亚、南亚、东欧、中欧、北美洲，主要分布于印度、韩国、墨西哥、奥地利、土耳其等国家。

2.2天然石墨的成因

自然条件下石墨的形成，必须有碳质和一定的热力学条件相结合，而富含碳质的岩石经过石墨化后即形成石墨矿石。石墨的形成的条件主要是温压条件、碳源、有机生物、沉积建造等方面。热力学条件主要是温度和压力，尤其是变质岩的温度和压力。

将天然石墨成矿过程概括为“碳质来源+含矿岩石+热力学条件+石墨化”，定义为天然石墨成矿的四要素。

天然石墨成因及石墨化程度决定了石墨晶体的结构、特征及物理化学特征。石墨的晶体结构主要为2H型石墨结构，同时不同程度地含有3R型多型。晶体基本结构是六方晶格，单位晶胞含有六个原子，具典型的层状结构。石墨-2H型（H）和石墨-3R型（RH）两种多型变体的含量与变质程度有关，变质作用程度越浅，石墨晶体越小，RH相的数量就越多。

2.3天然石墨的资源现状

2.3.1储量
根据美国地质调查局的资料显示，截止2016年，世界石墨储量为23000万t。我国曾是世界石墨资源储量的国家，但是随着其他国家找矿工作的深入开展，越来越多的石墨矿被发现。

2.3.2生产现状

2011~2015年，世界天然石墨产量基本保持稳定。我国产量长期稳居世界，2015年，我国石墨产量约占世界总产量的65.5%；印度石墨产量约占世界总产量的14%，石墨开发主要在奥瑞萨邦和拉贾斯坦邦，奥瑞萨邦石墨产量占65%~75%。巴西、土耳其、朝鲜、加拿大产量列3~5位，分别占世界总产量的6.7%、2.7%、2.5%、2.5%，其中，巴西国家石墨有限公司为巴西主要石墨生产商，也是世界天然晶质石墨的生产商之一。

2.4天然石墨在各领域的需求

天然石墨的一个主要用途是生产耐火材料，使得石墨需求与耐火材料和钢铁业紧密相连。虽然近年来石墨行业在其他新应用领域已经有长足的发展，钢铁，耐火材料行业石墨占总消费量的比重由20世纪80年代末期的67%~68%，减少为2012年的42%，但它仍然是石墨消费量的工业部门。而在铅笔行业石墨的需求仍将保持现在的状态。

2.4.1耐火材料（镁碳砖）石墨的需求

耐火材料石墨的需求量与镁碳砖产量及其石墨加入量相关。石墨是生产镁碳砖所用的一种主要碳原料，其种类和纯度对镁碳砖的性能影响十分敏感。一般选择固定碳含量93%~95%，粒度0~100目晶质石墨。石墨的需求量随钢炉种类，使用部位和操作条件不同而异。
欧洲多采用碳含量10%左右的镁碳砖，而我国、日本一般都使用含碳量为12%~20%的镁碳砖。近年来，低碳镁碳砖成为人们研究和应用的热点。低镁碳砖正在我国主要大型钢铁企业推广应用，并将并逐步替代高碳镁碳砖。依次估算到2020年中国镁碳砖的石墨加入量将减少为7%。依据近5年来镁碳砖的产量的年均增长率2.5%，预计2020年中国镁碳砖的产量将达到214万t。耐火材料产业对石墨的需求量降低到15万t，略低于现阶段的需求量。

新能源新材料领域的石墨需求预测

（1）密封材料对石墨的需求

膨胀石墨材料保持了天然石墨鳞片石墨原有的优良化学性能，又在其基础之上增加了许多独特的机械性能，是一种理想的密封材料。
随着中国汽车、石油、化工、电力产业的发展，石墨密封产业将具有广阔的发展前景。预计到2020年中国密封材料产业将达到115万t，制动车片石墨需求量0.4%~1.3%，预计消费石墨0.5~1.62万t。

（2）润滑、吸附对石墨的需求

石墨材料良好的润滑性源于石墨晶体结构，因此，应用生产干粉石墨润滑剂、水基石墨润滑剂、油剂石墨润滑剂等产品。一些学者也研究了关于石墨在不同润滑剂中的添加量的问题。预计到2020年中国应用于润滑剂、吸附剂的石墨需求量为5.5万t和3.1万t。

（3）电池电极对石墨的需求

石墨导电性能显著地优于其它非金属，是目前应用最广泛的锂离子电池负极材料。我国的锂离子电池产业近些年来发展迅速。2013年，我国的锂离子电池年产量已达到47.68亿只。近年因消费类电子产品市场趋于饱和，锂离子电池需求的增幅将会持续下降。而在电动汽车领域锂离子电池市场将进入飞速发展的阶段。因此，电池电极对石墨的需求大致会经历一个“V”字型过程。未来锂离子电池市场需求高速增长的动力主要来自交通工具及工业储能领域。预计到2020年电动汽车产量将达到140万辆左右，交通工具领域石墨的需求量将达到6.5万t。

（4）石墨烯产业对天然石墨的需求态势分析

石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料，其强度是已测试材料中最高的，是钢的100多倍；载流子迁移率是商用硅片迁移率的10倍；热导率是金刚石的3倍。石墨烯是一种应用潜力广泛的碳材料，在电子器件、新能源、航天军工、生物医药等领域拥有广阔的应用前景，将成为下一个万亿级的新兴产业。世界主要国家都在进行石墨烯的前沿研究，但多处材料研发的初级阶段，距大规模生产应用仍有一段距离。

石墨烯具备完整的较强导电性、透光性、柔性及微电子等属性，可作为感应层或者驱动层，被使用在触摸屏的模组里。石墨烯具有极高的比表面积，这使得石墨烯可成为潜力巨大的储能材料。石墨烯电池在比容量、成本、寿命等较其他产品有显著的卓越性。石墨烯电池负极材料具有优良的比容量。专业人士预计到2020年，中国储能产业的市场规模至少可达6000亿元。石墨烯有望成为市场潜力巨大的电极材料。

未来中国石墨需求格局及产业发展方向

基于以上对石墨需求的主要部门的分析和未来趋势判断，得出：到2020年中国天然石墨的需求规模将达到100万t，比2010年增长42.5%。并且石墨烯制备方法、应用的不确定性将对石墨的需求造成巨大的影响。

科学利用和保护天然石墨资源，开发深加工技术和发展高端产品将是必然的选择。中国石墨发展要依据未来石墨的需求格局变化，调整发展方向。从未来石墨的消费结构来看，传统领域对石墨的需求趋于稳定，新能源新材料领域对石墨的需求增长强势，而石墨烯产业将对石墨的需求带来巨大的不确定性。随着科技创新的发展，为满足新能源、新材料领域对高性能、专业化石墨材料的需求，石墨产业应从材料级向专业级产品和深加工产业方向发展的趋势。

未来中国石墨需求在传统应用领域将保持稳定。而在高精尖领域将得到越来越广泛的应用，成为战略性新兴材料。石墨的市场需求将会持续增加。战略意义越发凸显。未来在锂离子电池、密封、制动、润滑等新能源、新材料领域应用潜力巨大。虽然中国是石墨资源大国，但也应具有强烈的危机意识和战略意识。调整产品结构，鼓励支持发展高附加值产品，带动石墨产业链后向一体化发展，提升我国石墨产业的国际竞争力，努力使我国发展成为石墨资源强国。