石墨具有优异的导电、导热性，具有化学和高温稳定性，润滑和涂敷性能优良，是重要的非金属矿物资源，素有“黑金子”的美称，是冶金、铸造、电气、通讯、机械、化工、核工业、航天、轻工业等行业必不可少的材料，具有重要战略意义和很大经济价值。

　　石墨通常被分为天然石墨和合成石墨两类。天然石墨分为鳞片石墨和土状石墨。工业上制备的碳石墨产品被称为合成石墨。

　　世界石墨资源分布和生产现状

　　世界天然石墨资源主要分布

　　据统计，2013年世界石墨总储量共有7700万吨，主要分布在中国（71%）、印度（14%）、墨西哥（4%）、巴西（1%）、马达加斯加（1%）、其他国家9%。世界查明石墨基础储量2.2亿吨，中国为1.4亿吨，主要分布在中国（64%）、捷克（6%）、印度（5%）、墨西哥（1%）、挪威（1%）、其他国家（20%）。石墨是我国的优势矿产资源，美国等国也探明有大量天然石墨资源。

　　世界天然石墨生产布局

　　1998年以来，中国石墨生产量一直排名第一，世界石墨生产国的前三甲一直为中国、印度、巴西。据统计，2012年，世界石墨年产量122万吨，中国生产量87万吨、印度16万吨、巴西11万吨、加拿大2.5万吨、朝鲜3万吨、俄罗斯1.4万吨。此外，墨西哥、乌克兰、土耳其、斯里兰卡等国也生产石墨，但产量不到1万吨（见图1）。

　　世界天然石墨需求状况

　　世界石墨需求基本稳定。超过70%的石墨需求由中国供应。其他国家虽有大量资源，但开采量有限。正如西方某知名学者所说，只要有廉价石墨供应，发达国家一般不采矿，直接购买原料满足需求。

　　石墨产业发展现状

　　中国对世界石墨生产影响很大。1998年以来，中国一直是世界最大的石墨生产国。随着中国石墨生产量的增加，世界石墨生产量在下降（见图2）。

　　根据1990年以来的数据计算，中国石墨平均年产量为46.8万吨。据此计算，中国现有的石墨储量大约只能维持百年。2012年，中国石墨年产量为87万吨，据此速度计算，维持年限更加减少。考虑采矿损失、选矿损失，能够维持开采时间还会更短。

　　石墨进出口产品主要有六类：（1）石墨碳精；（2）石墨耐火陶瓷；（3）球化石墨；（4）天然磷片石墨；（5）细粉石墨；（6）土状石墨。

　　据统计，2012年有70个国家从中国进口天然鳞片石墨、56个国家从中国进口细粉石墨、25个国家土状石墨、19个国家球化石墨、58个国家石墨耐火陶瓷、88个国家石墨碳精。从我国进口石墨的国家逐年增长（见图3）。石墨原料（天然鳞片石墨、细粉石墨、土状石墨）出口虽有波动，基本稳定，稳中有增。初加工石墨产品（石墨碳精、石墨耐火陶瓷）出口也稳中有升。可喜的是，2009年我国有了自己的石墨深加工产品——球化石墨，从2009年开始向11个国家出口，2012年已经发展到向19个国家出口。虽然出口不多，也是个良好的开端。然而，球化石墨并不是石墨最终产品。发展石墨制件、特别是用户能够直接使用的集成石墨产品，显然有更大的实用价值和经济优势。

　　中国虽然是石墨资源大国，但仍然无法完全满足自身对原料石墨的需求。然而，从发达国家（例如法国、日本、英国等）进口天然鳞片石墨，价格却远高于自己的出口价格。

　　石墨的制备和应用

　　合成石墨的制备和应用

　　合成石墨因为纯度高、性能稳定，被广泛用作高温热结构材料等，在航空航天等领域应用广泛（见图4）。据统计，合成石墨主要用于石墨电极（61%）、纤维编织物（6%）、未加工的石墨制件（5%）。28%的合成石墨用于电极、坩埚、石墨容器、电动机碳电刷、石墨加工部件、石墨器件、润滑材料、耐火材料、炼钢增碳剂、冶金添加剂等。合成石墨还可以用来制作刹车制动衬垫、碳支架、人工心脏瓣膜等。

　　我国有多个碳素企业生产合成碳石墨材料，但是，产品种类、质量与国外企业尚有距离。缺乏高性能的合成石墨产品、例如高性能炭纤维、核石墨等。现在，高性能碳石墨材料大多由日本东洋炭素、德国SGL等企业垄断。

　　天然石墨的制备和应用

　　据统计，大部分天然石墨被用来制作碳质耐火材料（见图5），其次，被用来制作刹车制动衬垫、润滑材料、铸造和铸造饰面材料、碳支架碳刷、弹药包装、粉末冶金、橡胶等领域。

　　天然石墨还可以用于汽油防爆添加剂、电池、坩埚、钻井泥浆、电子/电器设备，工业金刚石、磁带、机械制造、喷嘴、油漆和抛光剂、铅笔、蒸馏器、套筒、小型包装、焊接、炼钢增碳剂、活塞等领域。

　　德国(GraphitKropfmühl,AG)、瑞士特密高（Timcal）等国际大型碳石墨企业将天然石墨与合成石墨结合在一起，来制造碳石墨制件，其产品在国际上很有市场。现在，这些企业也已经开始在中国谋求发展，利用中国的资源直接生产碳石墨制件。我国不少质量好的天然石墨企业（例如山西大同大鳞片石墨、内蒙兴和石墨）的股权已经由瑞士特密高购买。

　　石墨产业前沿方向和发展前景

　　石墨产业具有广阔的发展前景。一方面，传统的电池、耐火材料、机械制造、印刷墨粉、铅笔制作等行业有长期的需求，新兴的新能源汽车、风力发电、环境治理等行业的应用潜力巨大，另一方面，石墨产业又依赖于高性能石墨材料制品的发展。目前，我国的天然石墨行业主要进行采矿、选矿，靠廉价劳动力获得收益。根据石墨的性能特点，石墨产业在下列方面具有长远的发展潜力。

　　传统的优质碳质耐火材料

　　因为优异的机械性能、化学稳定性、高温稳定性，碳石墨材料是不可替代的耐火材料、高温结构材料，也是核能、太阳能结构材料。石墨可以制成石墨制件，例如石墨坩埚；也可以作为添加剂，用来制作各种碳质耐火材料。与MgO混合，可以制成耐火性能很高的镁碳砖。采用石墨、工业碳素等为主要原料，经成型、高温石墨化处理，可以制成石墨碳砖。

　　传统的金刚石制造行业

　　金刚石是电的绝缘体、热的良导体，是机械、光学、电子工业的必需品。天然鳞片石墨是合成金刚石的最重要碳源，其质量对合成金刚石的品质有很大影响。高纯高石墨化度的天然石墨用作碳源，有利于金刚石合成，成核率高、颗粒大。

　　传统的核材料

　　核能是解决能源紧缺问题的有效手段。但是，核反应堆的工作条件苛刻、腐蚀性强、反应温度高，对材料要求很高。碳石墨材料具有热膨胀系数低、抗热冲击性好、中子活化性能低等优异的性能，是核反应堆不可缺少的慢化、反射和结构材料。

　　传统的印刷墨粉材料

　　石墨碳原子层面内与层间键合力的巨大差异，使石墨具有优异的润滑性能，成为良好的固体润滑材料。其浓郁的黑颜色使其成为良好的碳素绘画颜料；对天然石墨进行深加工，可以充分发挥石墨良好的导电性、吸附性能，制备优质的印刷、打印墨粉。

　　固体润滑材料

　　石墨层间微弱的分子键使石墨本身成为很好的固体润滑材料。例如，将铅笔中的墨粉加到锁眼中，锁子很容易打__开。将氟插入石墨层间，制备的氟化石墨，是最好的固体润滑剂和防水剂，在机械制造、国防工业领域有着重要的应用。

　　固体密封材料

　　利用硫酸等插层可制备膨胀石墨、生产柔性石墨纸。这种石墨纸能够充分发挥石墨的化学稳定性、高温稳定性，在高温、腐蚀性强的环境中、仍然能够起到很好的密封作用。裁剪成密封垫片等，是非常好的固体密封材料。用在防火门窗中，能起到很好的密封防火作用。

　　新兴的环保材料

　　碳石墨材料在石油废水处理、污染水质处理、大气污染治理和电磁污染防治中有很大应用潜力。对天然石墨进行特殊热处理形成膨胀石墨后，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，可在很短时间内吸附水面浮油，用于治理石油废水。这种石墨能够重复使用，成本低、具有很好的应用前景。将碳石墨材料与树脂和水泥复合，所得材料能够用作防静电材料、电磁屏蔽材料等。

　　新兴的热交换材料

　　石墨具有优异的导热性能，可以制成导热材料。在手机中使用石墨纸，能够改善手机的散热性能。苹果手机因此独树一帜。石墨纸在电子产品中有很大发展空间。优异的导电、导热性能共同作用，使石墨可以用作电发热材料。在地采暖、电发热器件、散热器等热交换材料领域有广阔的应用前景。

　　石墨储能材料

　　特殊的结构特点使石墨能够成为性能优异的储能材料。在风能、太阳能、核能、电能等新能源领域有很大应用潜力。仅仅在电动汽车中，石墨就可以做成电池材料、超级电容器、燃料电池、电刷等。

　　导电材料

　　特殊的结构特征使石墨表现出良好的导电性能，使石墨能够被用作电极、特别是大型工业电极材料、一次电池的正极电池材料，例如锂氟电池正极材料、高能碱性电池正极导电材料、燃料电池中的双极板材料等。

　　　二次锂离子电池材料

　　因为石墨中碳原子之间的共价键与分子键的巨大差异，使得其几乎所有的原子分子都能够突破束缚插入碳原子层面间，形成石墨层间化合物。对天然石墨进行结构组装，将氢插入石墨层间，氢的插入有可能使石墨成为储氢材料。以氟化石墨为正极的锂氟电池，能量密度高、自放电小、寿命长，是远程、无人监测、封闭环境、侦查装置的能源保障，适合于长期工作的仪表电源。锂离子可通过在石墨层间的插入和脱插实现充放电，使得石墨成为性能良好的二次电池材料，可用来制作锂离子电池。

　　球化石墨超级电容器材料

　　在石墨结构层中的锂离子纳米组装可形成优异的二次锂离子电池。然而，将石墨球形化，制成球形石墨，存储电子的空间就不仅仅是碳原子层间，还有广阔的孔隙，因此，球形石墨可以成为优异的超级电容器材料，在电动汽车等领域有很大应用潜力。

　　石墨烯材料及新型超级电容器材料

　　将石墨中的多层碳原子层拆开，能够制备强度最高、最薄的新型二维碳材料——石墨烯。特殊的结构性能使其有可能成为高性能纳米电子器件、场发射材料、气体传感器及能量存储材料等。如果成本能够降下来，还有可能制成优异的超级电容器材料，在新能源和电动汽车领域有很大的发展潜力。石墨是生产电动汽车锂电池负极材料的主要材料，新能源电动汽车的发展创造了碳石墨材料的重要机遇。

　　石墨是传统工业和战略性新兴产业所必需的矿物原料。我国是世界石墨资源大国，但是天然石墨资源不可再生。原矿石低水平的消耗不仅让企业经济利益受损，而且也会使子孙后代的切身利益受损。我国石墨资源的利用还处于初级提纯、初加工阶段，对石墨保护性开采、深度开发利用至关重要。

　　根据需求、用途来确定石墨产品的分级（例如粒度、纯度等）。核石墨需要高纯石墨、铅笔生产则需要低纯度石墨等。石墨纸生产需要大鳞片石墨，而细鳞片石墨在电池生产中就足够了。钢铁冶炼中土状石墨有足够的碳含量即能达到要求。根据用途决定生产产品的质量特点，不仅节约成本，而且节省资源。

　　对石墨结构性能的深入研究，可更好地提高石墨产业的技术水平。打破传统石墨行业与炭素行业的壁垒，发展石墨制件、特别是用户能够直接使用的集成石墨产品，例如商用的电动汽车电池，而非生产电池的原料石墨，显然有更大的实用价值和经济优势。随着科学技术和工业的发展，石墨的应用领域将不断拓宽，会成为高科技领域中新型功能材料、结构材料，在国民经济中会发挥更重要的作用。

　　作者单位：北京大学地球与空间科学学院