介紹

石墨由于其特殊性能，是傳統產業和戰略性新興產業必需的礦物原料，廣泛應用于科技工程領域。 石墨是我國的主導礦產資源，產量和出口量主導世界市場。

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石墨

1.1 石墨的性質

石墨是碳的晶體。 它是一種非金屬材料，呈銀灰色，質地柔軟，有金屬光澤。 莫氏硬度為1~2，比重為2.2~2.3，其堆積密度一般為1.5~1.8。

石墨的熔點極高，在真空下達到3000℃時才開始軟化并趨于熔融狀態。 當石墨加熱到2000℃時，其強度是常溫下的一倍。 但石墨的抗氧化性較差，隨著溫度的升高，氧化速度逐漸加快。

石墨的導熱率和導電率相當。 其導電率比不銹鋼高4倍，比碳鋼高2倍，比普通非金屬高100倍。

石墨具有良好的潤滑性和塑性。 石墨的摩擦系數小于0.1。 石墨可以制成透氣片材。 然而，高強度石墨的硬度很高，很難用金剛石工具加工。

1.2石墨的應用

19世紀之前，石墨因其耐高低溫和導電性，主要用作耐火材料、顏料等的原料。 隨著人們對石墨的耐腐蝕、耐輻射、自潤滑等性能認識的加深，其應用領域也越來越廣泛。 出現了高純石墨、核工業用石墨、石墨纖維、浸硅石墨等。 特別是近年來，石墨烯的發現在電子通信、鋰離子電池、航天軍工、生物醫藥、環保、太陽能、光電子等新興領域引起了廣泛關注。

天然石墨

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2.1 天然石墨的分類及分布

天然石墨分為片狀石墨（結晶磷鱗片石墨）、塊狀石墨（脈狀石墨）和土狀石墨（隱晶石墨、無定形石墨）。

磷片石墨礦床是世界主要礦床類型，主要分布在東亞、東南亞、中亞、北歐、東歐、中歐、南非、東非、北美洲、南美洲和大洋洲。 其礦石礦物主要為粗晶片狀、大片磷片、細片狀石墨等，具有很大的工業價值。

全球脈狀石墨礦床主要分布在斯里蘭卡、印度、美國、英國、西班牙、摩洛哥、日本、俄羅斯、坦桑尼亞、南非、加拿大等國家。

全球隱晶石墨礦床大部分位于東亞、南亞、東歐、中歐和北美，主要分布在印度、韓國、墨西哥、奧地利、土耳其等國家。

2.2 天然石墨的成因

自然條件下石墨的形成需要碳和某些熱力學條件的結合。 石墨礦石是富碳巖石石墨化后形成的。 石墨形成的條件主要是溫度和壓力條件、碳源、有機生物、沉積構造等。熱力學條件主要是溫度和壓力，特別是變質巖的溫度和壓力。

天然石墨成礦過程概括為“碳質源+含礦巖石+熱力學條件+石墨化”，定義為天然石墨成礦四要素。

天然石墨的來源和石墨化程度決定了石墨晶體的結構、特性和物理化學特性。 石墨的晶體結構主要為2H型石墨結構，也不同程度地含有3R型多型體。 晶體的基本結構是六方晶格。 晶胞含有六個原子，具有典型的層狀結構。 石墨-2H（H）和石墨-3R（RH）兩種多晶型變體的含量與變質程度有關。 變質程度越淺，石墨晶體越小，RH相數量越多。

2.3 天然石墨資源現狀

2.3.1 儲量

據美國地質調查局統計，截至2016年，全球石墨儲量為1萬噸。 我國曾經是世界上石墨資源儲量最多的國家，但隨著其他國家找礦工作的深入開展，發現了越來越多的石墨礦藏。

2.3.2 生產狀況

2011年至2015年，全球天然石墨產量保持基本穩定。 我國產量長期位居世界第一。 2015年我國石墨產量約占世界總產量的65.5%； 印度石墨產量約占世界總產量的14%。 石墨開發主要在奧里薩邦和拉賈斯坦邦。 仁薩邦石墨產量占65%~75%。 巴西、土耳其、朝鮮、加拿大產量位居第三至第五位，分別占世界總產量的6.7%、2.7%、2.5%和2.5%。 其中，巴西國家石墨有限公司是巴西主要石墨生產商，也是世界天然水晶生產商。 最大的優質石墨生產商之一。

2.4 各領域對天然石墨的需求

天然石墨的主要用途是生產耐火材料，這使得石墨需求與耐火材料和鋼鐵行業密切相關。 盡管近年來石墨行業在其他新應用領域取得了長足進步，但石墨在鋼鐵和耐火材料行業總消費中的比重已從1980年代末的67%~68%下降到2012年的42%。仍然是工業領域最大的石墨消費國。 鉛筆行業對石墨的需求將保持在目前的水平。

2.4.1耐火材料（鎂碳磚）石墨需求

耐火石墨的需求量與鎂碳磚的產量和石墨的添加量有關。 石墨是生產鎂碳磚的主要碳原料。 其類型和純度對鎂碳磚的性能非常敏感。 一般選用固定碳含量93%～95%、粒度0～100目的結晶石墨。 對石墨的需求量隨煉鋼爐類型、使用地點和操作條件的不同而不同。

歐洲多采用含碳量10%左右的鎂碳磚，而我國和日本一般采用含碳量12%~20%的鎂碳磚。 近年來，低碳鎂碳磚已成為研究和應用的熱點。 低鎂碳磚正在我國各大大型鋼鐵企業推廣應用，將逐步取代高碳鎂碳磚。 預計到2020年我國鎂碳磚石墨添加量將降低至7%。按近五年鎂碳磚產量年均2.5%的增速計算，我國鎂碳磚的石墨添加量將下降至7%。預計2020年產量將達到214萬噸。耐火材料行業對石墨的需求量已降至15萬噸，略低于目前的需求量。

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新能源新材料領域石墨需求預測

(1)密封材料對石墨的需求

膨脹石墨材料保持了天然石墨鱗片石墨原有的優良化學性能，并為其添加了許多獨特的機械性能。 是一種理想的密封材料。

隨著我國汽車、石油、化工、電力工業的發展，石墨密封行業將有廣闊的發展前景。 預計2020年我國密封材料行業產量將達到115萬噸，剎車片石墨需求量為0.4%~1.3%，預計石墨消耗量為0.5~1.62萬噸。

(2)石墨的潤滑和吸附作用的需求

石墨材料良好的潤滑性來源于石墨的晶體結構。 因此用于生產干粉石墨潤滑劑、水基石墨潤滑劑、油性石墨潤滑劑等產品。 有學者還研究了不同潤滑劑中石墨添加量的問題。 預計到2020年，我國潤滑油和吸附劑用石墨需求量分別為5.5萬噸和3.1萬噸。

(3)電池電極對石墨的需求

石墨的導電性能明顯優于其他非金屬，是目前應用最廣泛的鋰離子電池負極材料。 我國鋰離子電池產業近年來發展迅速。 2013年，我國鋰離子電池年產量達到47.68億只。 近年來，隨著消費電子市場趨于飽和，鋰離子電池的需求增速將持續下降。 在電動汽車領域，鋰離子電池市場將進入快速發展階段。 因此，電池電極對石墨的需求將大致經歷一個“V”形的過程。 未來鋰離子電池市場需求快速增長的驅動力將主要來自于交通運輸和工業儲能領域。 預計到2020年電動汽車產量將達到140萬輛左右，交通領域石墨需求量將達到6.5萬噸。

（四）石墨烯產業對天然石墨的需求分析

石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維材料。 其強度是所測試材料中最高的，是鋼材的100倍以上； 載流子遷移率是商用硅片的10倍； 其導熱系數是金剛石的3倍。 石墨烯是一種具有廣泛應用潛力的碳材料。 在電子器件、新能源、航天軍工、生物醫藥等領域具有廣闊的應用前景，將成為下一個萬億級新興產業。 世界主要國家都在開展石墨烯前沿研究，但不少地方處于材料研發的早期階段，距離規模化生產和應用還有一段距離。

石墨烯具有強導電性、透光性、柔韌性和微電子性等完整特性。 可用作觸摸屏模塊中的傳感層或驅動層。 石墨烯具有極高的比表面積，這使得石墨烯成為一種潛在的儲能材料。 石墨烯電池在比容量、成本和壽命方面均明顯優于其他產品。 石墨烯電池負極材料具有優異的比容量。 專業人士預計，到2020年，我國儲能產業市場規模至少將達到6000億元。 石墨烯有望成為市場潛力巨大的電極材料。

未來我國石墨需求格局及行業發展方向

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綜合以上對石墨需求主要行業的分析以及對未來趨勢的判斷，得出2020年我國天然石墨需求量將達到100萬噸，比2010年增長42.5%。而石墨烯制備方法的不確定性和應用將對石墨的需求產生巨大影響。

科學利用和保護天然石墨資源，發展深加工技術，開發高端產品將是必然選擇。 我國石墨的發展必須根據未來石墨需求格局的變化調整發展方向。 從未來石墨消費結構來看，傳統領域石墨需求趨穩，新能源新材料領域石墨需求強勁增長，石墨烯產業將給石墨需求帶來巨大的不確定性。 隨著科技創新的發展，為滿足新能源、新材料領域對高性能、專業化石墨材料的需求，石墨產業應從材料級向專業級產品和深加工發展行業。

未來，我國石墨傳統應用領域需求將保持穩定。 它將越來越廣泛地應用于高精度領域，成為戰略性新興材料。 石墨的市場需求將持續增加。 戰略意義日益凸顯。 未來在鋰離子電池、密封、制動、潤滑等新能源新材料領域有著巨大的應用潛力。 我國雖然是石墨資源大國，但也應該有強烈的危機意識和戰略意識。 調整產品結構，鼓勵和支持高附加值產品發展，帶動石墨產業鏈后向一體化發展，增強我國石墨產業國際競爭力，努力把我國建設成為石墨資源強國。