简介

结构组成

石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。在晶体中同层碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相联，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们互相重叠，形成离域π键电子在晶格中能自由移动，可以被激发，所以石墨有金属光泽，能导电、传热。由于层与层间距离大，结合力（范德华力）小，各层可以滑动，所以石墨的密度比金刚石小，质软并有滑腻感。

分子结构

石墨每一网层间的距离为3.40Å，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体，同一网层中碳原子的间距为1.42Å，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的熔点也很高，化学性质也稳定。鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是单晶体或者是多晶体，现在普遍认为石墨是一种混合晶体。

石墨属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。

理化性质

石墨质软，为黑灰色，有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3～5。比重为1.9～2.3。比表面积范围集中在1-20m2/g，在隔绝氧气条件下，其熔点在3000℃以上，是最耐温的矿物之一。它能导电、导热。

自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对石墨的分析，除测定固定碳含量外，还必须同时测定挥发分和灰分的含量。

石墨与金刚石、碳60、碳纳米管、石墨烯等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。

特殊性质

石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：

（1）耐高温性

石墨的熔点为3850±50℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。

（2）导电、导热性

石墨

石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键，每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。

（3）润滑性

石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

（4）化学稳定性

石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

（5）可塑性

石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

（6）抗热震性

石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

其他

石墨又可分为天然石墨和人造石墨两大类，天然石墨来自石墨矿藏，天然石墨还可分成鳞片石墨、土状石墨及块状石墨。天然开采得到的石墨含杂质较多，因而需要选矿，降低其杂质含量后才能使用，天然石墨的主要用途是生产耐火材料、电刷、柔性石墨制品、润滑剂、锂离子电池负极材料等，生产部分炭素制品有时也加入一定数量的天然石墨。 

在炭素工业中生产量最大的是各种人造石墨制品，人造石墨制品一般用易石墨化的石油焦、沥青焦为原料，经过配料、混捏、成型、焙烧、石墨化（高温热处理）和机械加工等一系列工序而制成，生产周期长达数十天。 

石墨

人造石墨的种类也很多，如单晶石墨、多晶石墨、热解石墨、高定向热解石墨、聚酰亚胺合成的石墨、石墨纤维等，多数人造石墨制品属于多晶石墨一类。人造石墨中的主要产品是电弧炼钢炉及矿热电炉使用的石墨电极，石墨电极是一种耐高温、耐腐蚀的导电材料。人造石墨在其他许多工业部门也有广泛的用途，如机械工业中电机用电刷、精密铸造模具、电火花加工的模具及耐磨部件，化学工业中的电解槽使用的导电体或耐腐蚀器材，高纯度及高强度人造石墨是核工业部门的反应堆结构材料和用作导d火箭的部件等。

石墨还可制取散热材料、密封材料、隔热材料、和防辐射材料等，石墨功能材料广泛应用于冶金、化工、机械设备、新能源汽车、核电、电子信息、航空航天和国防等行业。欧盟委员会发布的《对欧盟生死攸关的原料》报告中，将石墨列入14 种紧缺矿产原料。

应用

石墨可用于生产耐火材料、导电材料、耐磨材料、润滑剂、耐高温密封材料、耐腐蚀材料、隔热材料、吸附材料、摩擦材料和防辐射材料等，这些材料广泛应用于冶金、石油化工、机械工业、电子产业、核工业和国防等。   

耐火材料

在钢铁工业，石墨耐火材料用于电弧高炉和氧气转炉的耐火炉衬、钢水包耐火衬等； 石墨耐火材料主要是整体浇铸材料、镁碳砖和铝石墨耐火材料。石墨还用于粉末冶金和金属铸造成膜材料，石墨粉加入到钢水中增加钢的碳含量，使高碳钢具有许多优异性能。   

导电材料

在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像管的涂层等。   

耐磨润滑材料

石墨在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用，而石墨耐磨材料可以在－200～2000℃温度中在很高的滑动速度下，不用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备，广泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和轴承，它们运转时勿需加入润滑油。石墨乳也是许多金属加工（拔丝、拉管）时的良好的润滑剂。   

耐腐蚀材料

经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，就大量用于制作热交换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。  

高温冶金材料

由于石墨的热膨胀系数小，而且能耐急冷急热的变化，可作为玻璃器的铸模，使用石墨后黑色金属得到铸件尺寸精确，表面光洁成品率高，不经加工或稍作加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质合金等粉末冶金工艺，通常用石墨材料制成压模和烧结用的瓷舟。单晶硅的晶体生长坩埚，区域精炼容器，支架夹具，感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的。此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉管等元件。   

原子能与国防工业

石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中，铀-石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能，石墨*可以满足上述要求。作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个ppm 。特别是其中硼含量应少于0.5ppm。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导d的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。   

（1） 石墨还能防止锅炉结垢，有关单位试验表明，在水中加入一定量的石墨粉（每吨水大约用4～5克）能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。   

（2） 石墨逐渐取代铜成为EDM电极的材料。   

（3） 石墨深加工产品填加到塑料产品和橡胶产品中，可使塑料制品和橡胶制品不产生静电，许多工业产品需要具有防静电和屏蔽电磁辐射功能，石墨产品兼有这两项功能，石墨在塑料制品、橡胶制品及其它相关工业产品中的应用也会增加。   

此外，石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂，是制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石、钻石*原料。它是一种很好的节能环保材料，美国已用它做为汽车电池。随着现代科学技术和工业的发展，石墨的应用领域还在不断拓宽，已成为高科技领域中新型复合材料的重要原料，在国民经济中具有重要的作用。