一文看懂天然石墨與（yǔ）人造石墨的區別:如（rú）何利用天然石墨開發（fā）人造石墨製品（pǐn）

一文看懂天然石墨與人造石墨的區別:如（rú）何利用天然石墨開發人造石墨製品

近（jìn）年來（lái），天然石墨資源豐富地區（qū）的政（zhèng）府出於發展經濟的考量，積極推動天然石墨產業的發展，掀起了以天然石墨為原料開發人造石墨製品的熱潮。

應該說借鑒人造石墨的製備工藝，開發石墨（mò）新產品，不（bú）失為一條拓展天然石墨應用領域的重要途徑，但由於二者在結構（gòu）、性能和用途等方麵既有聯係又有區別，因此有必要進行分析和討論，使管理者與科研人員能正（zhèng）確理解和使用天然石墨材料（liào），使天然（rán）石墨新產品的開發更加健康高效。

石墨的基本結構、性質與分類

石墨的晶體結構

石墨是由單一碳（tàn）元素組成（chéng）的物質，晶體結構屬六（liù）方晶係，呈六邊形層狀結構。層麵上碳原子以sp2雜化軌（guǐ）道形成（chéng）的σ鍵和Pz軌（guǐ）道形成（chéng）的離域π鍵相結合，形成牢固的六角形網格狀平麵，碳-碳（tàn）原子間距為1.42Å，碳原子間具有極強的鍵能(345KJ/mol)，而碳原（yuán）子（zǐ）平麵之間則以較弱的範德華力結合（hé）(鍵能為16.7KJ/mol)，層麵間距為3.354Å。

石墨質軟，呈黑灰色;有油膩感（gǎn），可汙染紙張。硬度為1~2、理論密度為 2.26g/cm3 。

自然界中沒有純（chún）淨的石墨，天然石墨礦物中往往含有SiO2、A12O3、FeO、CaO、P2O5、CuO 等雜質。

這些雜質常以石英、黃（huáng）鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現。此外，還含（hán）有水、碳氫化合物、CO2、H2、N2等氣體。

因此對石墨的分析，除測定固定碳含量外，還必須同時測定揮發分（fèn）和灰分的含量（liàng）。

石墨的基本（běn）性質

由於其特（tè）殊（shū）的結構（gòu），石墨具有如下優異（yì）性質:

(1)耐高溫性 :石墨是（shì）最耐（nài）溫的物質之一，在（zài）常壓下無熔點，即（jí）使經超高溫電弧灼燒，重量的損失也很小。

(2)導電、導熱（rè）性:石墨的導電性和導熱性較（jiào）高。導（dǎo）熱係數（shù）隨溫（wēn）度升高（gāo）而降低，在極高的溫度下（xià），石墨甚至成為絕熱體。

(3)潤滑性 :石墨的潤滑性能取決於石墨晶粒大小和晶體發育程度，石墨晶粒越大，晶體發育越完（wán）善，摩擦係（xì）數越小， 潤滑（huá）性能也越好。

(4)化學穩定性 :石墨在常溫下具有良好的化學穩定性，能耐酸、耐（nài）堿和耐有機溶劑的腐蝕。

(5)可（kě）塑性 :石墨具有一（yī）定的韌性，可進行簡單（dān）的（de）機械加工（gōng），晶體發（fā）育程度較（jiào）高的（de）石墨甚至可（kě）碾成（chéng）很薄的薄片。

(6)抗（kàng）熱（rè）震性 :石墨熱膨脹係數（shù）很（hěn）小（xiǎo），使用時能經受住溫度的劇烈變（biàn）化而不致破壞（huài）。

石墨的分類及特點

石墨可（kě）分為天然石墨與人造石墨（mò），二者結構相近，物理化學性質相（xiàng）同，但用途有較大的差異（yì）。

1天（tiān）然石墨

天（tiān）然石墨是富（fù）碳有機物在（zài）高溫高壓的地質環境長期作用下轉變而成的，是大自然的恩賜。天然石墨的工藝特性主要決定於它的結晶形態。結晶形態不同的石墨礦物，具（jù）有不（bú）同的工業價值和用（yòng）途。

天然石（shí）墨的種類較多，根據結（jié）晶形態不（bú）同，工業上將天然石墨（mò）分為致密結晶狀石墨、鱗片石墨和隱晶質石墨三類。我國主要有鱗片石墨和隱（yǐn）晶質石墨兩大類。

致密結晶狀石墨又叫塊狀石（shí）墨。此（cǐ）類石墨結晶明顯，晶體肉眼可見。顆粒直徑大於0.1毫米。晶體排列雜亂無章（zhāng），呈致密塊狀構造。品位很高，一（yī）般碳含量為60%~65%，有時達80%~98%，但其可塑性（xìng）和滑膩性不如鱗片石墨。

天然鱗片石墨屬於結晶學中的偉晶，是一種單晶體，因其晶體呈鱗片狀而得名，有大鱗片和細鱗片之分。這種石墨的潤滑性（xìng）、可塑性均優於其他類型石墨，因此它的工業價值最大。

鱗片（piàn）石墨礦石的品位雖然不高，碳含量一（yī）般在3%~25%之間，但卻是自然界中可浮性最好的礦石之一，經過多磨多選可得高品位的石墨精（jīng）礦。

隱晶質石（shí）墨又稱非晶質石墨或土狀（zhuàng）石（shí）墨，近年來開始稱為微晶（jīng）石墨。這種石墨的晶體直徑一般小於1微米，隻有在電子顯微鏡下才能見到晶形，可看作石墨晶體的集合體。

天然微晶石墨通常是煤在高（gāo）溫高壓的地質環境下轉化而成的（de），因此天然微晶石墨通常與煤伴生，在天然微晶石墨礦體中經（jīng）常可以看到從無煙煤到天然微晶石墨的過渡區域。

此類石墨的特點是表麵呈土狀，缺乏光澤，潤滑性低於鱗片石墨（mò）且可選性較差。但（dàn）品位較高，碳含（hán）量（liàng）一般為60%~80%，少數（shù）高達90%以上。

2人造石墨

人造石墨類似於結（jié）晶學中（zhōng）的多晶體。人造石墨種類繁多，生（shēng）產工藝千差萬別。廣義上，一切通過有機物（wù）炭化再經石墨（mò）化 高溫處理後得到的石墨材料均可統稱為人造石墨，如炭(石墨)纖維、熱解炭(石墨（mò）)、泡沫石墨等。

而狹義上的人造石墨（mò）通常（cháng）是指（zhǐ）以雜質（zhì）含量較低的炭質原料(石油焦、瀝青焦等)為骨料、煤瀝青等為粘結劑，經過配料、混捏、成型、炭化(工業上稱為焙燒)和石墨化等工序製得的塊狀固體材料，如石墨電極（jí）、等靜壓石墨等。

天然石墨與人造石（shí）墨的區別（bié）與聯係

鑒於以天（tiān）然石墨為原料製備出來的通常是狹義的人造石墨，因此本文僅分析和討論天然石墨與狹義上的人造石墨的區別與聯係。

晶體結構

天然石墨的晶體發育較（jiào）完善，天然鱗片石墨的石墨化度通常在98%以上， 而天（tiān）然微晶石墨的石墨化（huà）度通常在93%以下。

人造石墨的晶體發育程（chéng）度取決於原材料及熱處理溫度，一般來說，熱處理溫度越高，其石墨化程度也越高。目（mù）前工業生產的（de）人造石墨（mò），其石墨化程度通常低於90%。

組織結構

天然鱗片石墨是一種單晶體，組織結構較簡單，僅存在結晶學上的缺陷(點缺陷、位錯、層錯等)，宏觀上表現出各向異性的結構特征。天然微晶石墨的晶粒較小，晶粒之間雜亂排列（liè）且存在雜質脫除後的孔洞（dòng），宏觀上表現出各向同性的結構特（tè）征。

人（rén）造石墨可看作是一種多相（xiàng）材料，包括石（shí）油焦或瀝青焦等炭質（zhì）顆 粒轉化的石墨相、包（bāo）覆在顆粒周圍的煤瀝青粘結劑轉（zhuǎn）化的石墨相、顆粒（lì）堆積或煤瀝青粘結劑經熱處理後形（xíng）成的氣（qì）孔等（děng）。

物理形態

天然（rán）石墨通常以粉體形（xíng）態存在，可以（yǐ）單獨（dú）使用，但通常與（yǔ）其它材料複合後使用（yòng）。

人造石墨的形（xíng）態較多，既有（yǒu）粉狀，也有纖維狀和塊狀，而（ér）狹義的（de）人造石墨通常為塊狀，使用（yòng）時（shí）需加（jiā）工成一定形狀。

理化性質

天然石墨與（yǔ）人造石墨（mò）既有共性（xìng），也存在性能上的差異。如天（tiān）然石墨與人造（zào）石墨都（dōu）是熱和電的良導體，但對於相同純度和粒度的（de）石墨粉體來說，天然鱗片石墨的傳熱性（xìng）能和導電性能最好、天然微晶石墨次之，人造石墨最（zuì）低。

石（shí）墨具有的（de）較好的潤（rùn）滑性和一定（dìng）的可塑性，天然鱗片石墨的晶體發育較完善（shàn），摩擦係數（shù）較小，潤滑性最好，可塑性最高，而（ér）致密結晶狀石墨和隱晶質石墨次之（zhī），人造石墨較差。

應用領域

石墨具有許多優良的性（xìng）質，因而在冶金、機械、電氣、化工、紡織、國防等工業部門獲得（dé）廣泛應用。天然石墨與人造石墨的應用領（lǐng）域既有相互重疊的部分，也（yě）有不相同的地方。

在冶金工業中，天然鱗片石墨因（yīn）抗氧化性較好（hǎo）可用於生產鎂碳磚和鋁碳磚等耐火材料（liào）。

人造石墨可以作煉鋼電極，而天然石墨製成的電極就難以用於使用條（tiáo）件較苛刻的煉鋼電爐。

在機械工業中，石墨（mò）材料通常用作耐（nài）磨和潤（rùn）滑材料。天然鱗片石墨的潤滑性較好，常用（yòng）作潤滑油的添加劑。

輸送腐蝕介質的設備，廣泛采用人（rén）造石墨製成（chéng）的活塞環、密（mì）封圈和軸承（chéng），工作時（shí）無需加（jiā）入潤滑油。

天然石墨與高分子樹脂（zhī）複合材料也可用於上述領域，但耐磨性不如人造石墨。

人造石墨具有耐腐蝕、導熱性好、滲（shèn）透率低等特點，在化學工業中廣（guǎng）泛用於製作熱交換器、反應槽、吸收塔、過濾器等設備。

天然石墨與高分子樹脂複 合（hé）材料也可用於上述領（lǐng）域（yù），但導熱性、耐腐蝕性不如人造石墨。

以（yǐ）天然石墨為（wéi）原（yuán）料開發人造石墨

實際上，借鑒人造石墨的製備工藝開發石墨新產（chǎn）品，在人造石墨行業早已不是新鮮話題。以天然石（shí）墨作主要（yào）原材（cái）料或輔助原料按人造石墨生（shēng）產工藝製備（bèi）的炭石墨製品已很多，有的甚至已形成較大的產業。

鋅錳電池炭棒:以天然微晶石（shí）墨和煤瀝（lì）青為主要原料，經混捏、擠壓成型（xíng）、焙燒（shāo）、機加工、浸蠟等工序生產的（de）鋅錳電池(俗稱幹電池)炭棒。

主要利用天然微晶石墨的高導電（diàn）性和價格（gé）低廉的（de）特點，對灰分含量要求不高，但對鐵、硫等（děng）雜質含量的要求較嚴格。

天然（rán）石墨電刷（shuā） :以天然鱗片石（shí）墨和煤瀝青為主要（yào）原料，經混捏（niē）、軋（zhá）片、磨（mó）粉、模壓成型、焙（bèi）燒(必要時還需石墨化處 理)、機加工等（děng）工序生產的電機電刷。

主要利用天然鱗（lín）片石墨的高（gāo）導電性和高取向性的特點，要求鐵、硫等雜質含量較 低且灰分含量不高於2%，機加工時要注意鱗片石墨的取向（xiàng）。

機械（xiè）用炭石墨材料 :以天然石墨和煤瀝青為主要原料，經混捏、軋片、磨粉、模壓成型、焙燒等工（gōng）序生產的塊狀材料， 需根據使用要（yào）求進行精密機加工。

主要利用天然石墨的潤滑性和耐高溫、耐腐（fǔ）蝕的特性，對灰分和雜質含量有較高要求。

從上述幾個例子可以（yǐ）看出，與狹義的人造石墨（mò）相比，以天然石墨作（zuò）主要原材料或輔（fǔ）助原料，按人造石墨生產工藝製備的炭石墨製（zhì）品在生產工藝和產品性能等方麵存在以下差別 :

(1)前者通（tōng）常需（xū）要經過2500℃以上的石墨化處（chù）理，以（yǐ）獲得（dé）所需的理化性能，而後者既可以經過石墨化處理，也可以不經過（guò）石墨化處理。

為降低生產成本通常不（bú）進行（háng）石墨化（huà）處（chù）理，因此其組織結構（gòu）中存在由粘結劑瀝青轉化而成（chéng）的“炭”相（xiàng）。

這種位於石墨顆粒 周圍並使（shǐ）石墨顆粒結合在一起的炭，硬（yìng）度較大、導（dǎo）電性遠（yuǎn）低於天然石墨，因此對（duì）產品的使用性能有較大影響（xiǎng）。

(2)由於天然（rán）石墨通常以粉（fěn）體（tǐ）形態存在且與煤瀝（lì）青的結合力較差，以天然石墨為原材料製（zhì）備的炭石墨製品通常（cháng）存在氣（qì）孔率較大（dà）、機械強度偏低、抗氧化性和抗熱震性較差等缺點（diǎn），因此產（chǎn）品規格不能太大，應用領域也受（shòu）到較大的限（xiàn）製。

根據上述分析和討論，筆者認為以天然石墨為（wéi）原料（liào）開發人造石墨時，在技術方麵需要注意以下幾個問題 :

天然石墨的表（biǎo）麵改性。與石油焦、瀝青焦等炭質原（yuán）料相比，天然石（shí）墨的表麵含氧（yǎng）官能團較（jiào）少，活性較低，與煤瀝青的（de）結合力較差，

因此以天然石墨，特別是天然鱗片石墨作主要原材料，按人造石墨生產工藝製備的炭石墨（mò）製品不（bú）可避免地存在力學性能較差（chà）的問題。需要對天然石墨進行適當的表麵處理，增加其表麵含氧官能團含量。

天然石墨的純化（huà）。石油焦（jiāo）、瀝青焦等（děng）炭質（zhì）原料的純度較高，灰分含量通常低於0.5%，而經浮選（xuǎn）處理的天然石（shí）墨的純度較低，碳含量通常在90%以下，

因此以天然石墨為原（yuán）料製備的炭石墨製品往往因純度較（jiào）低，綜合性能較差而使其應用領域受（shòu）到限製。對（duì）天（tiān）然石墨進行高純化（huà）處理（lǐ），是解決這一問題（tí）的途徑之一。

化學純（chún）化（huà）成（chéng）本較低，但洗滌（dí）過程中用水量大（dà），汙染較大，而高溫純化則存在成本（běn）較高的問題。也有人認為可以先按人造石墨的生（shēng）產工藝（yì）製備（bèi）出塊狀石墨，再通過2500℃以上的高溫熱處（chù）理，

在使“炭”相石墨化（huà）的同時去除（chú）天然石墨相中的雜質（zhì），但一是增加了生產成本，二是雜質氣化後形成的缺陷往往會造成產品性能下降。

天然石墨的粒（lì）度。為了改善工藝性能和產（chǎn）品性（xìng）能，除細結構炭石墨製品外，大多數炭石（shí）墨製品在配料過程中都需要采用（yòng）不同粒（lì）級的（de）炭質原料，某些大規格製品，炭質原料的顆粒（lì）尺寸甚至達到16毫米，而經（jīng）浮選處理的天然石墨往往（wǎng）呈細粉狀，顆粒尺寸（cùn）僅幾十到幾百微米，因此以天然石墨為原料僅限（xiàn）於製備細結構（gòu）炭石墨製（zhì）品。

雖然可以獲得粒級（jí）不同（tóng）的天然微晶（jīng）石墨，但因其純度較低，高（gāo）溫純化（huà）處理成本（běn）過高，所（suǒ）以也未見以天然微晶石墨為原料製備粗結構炭石墨製品的報（bào）道。為解決大顆粒天然石墨缺乏的問題，建議采用人（rén）造石墨行業（yè）處理炭 黑原料時的“二次焦”工藝。

製備過程的體積收（shōu）縮。在人造石墨的製備過程中，特（tè）別是在石墨化過程中，由於碳原子（zǐ）的排列逐漸向規整的石墨（mò）結構轉變，因此製品的體積收縮較大。

這（zhè）種體積收縮的有利之處（chù）是可提高製品的密度，但收縮不均勻時，容易造成製品開裂（liè）。而以天然石（shí）墨作原料時，由於炭（tàn）化和石墨化過程的體積收縮較小，因此製品的密度和（hé）力學性能較低。

此外，在以天然石墨為原料開發人造石墨時，還需要考慮綜合生產成本的問題。

由於經過（guò）浮選的天然石墨的價格與煆後石油焦、瀝青焦相近，而再經過純（chún）化處理至碳含量達98%時，天然石墨的價格已接（jiē）近煆後石油焦、瀝青焦的二倍，因此除了前述的幾（jǐ）種已形成較大產業的炭石墨製品外，大多數技術（shù）路線和技術措施的提出都會使生產成本大幅度增加。

結 語

綜上（shàng）所述，以天然石墨為原料開發人造石墨製品（pǐn）不失為拓展天然石墨應用領域的重要（yào）途徑之一。

天然石墨作為輔助原料早已用於部分人造石墨（mò）生產，但以天然石墨為（wéi）主要原料開發人（rén）造石墨製品還存在較多需要解決的（de）問題。

充分認識和利用天然石墨的結構與特性（xìng），采用適合的工藝路線和（hé）方法（fǎ），生（shēng）產具有特殊結構、性能和（hé）用途的人造（zào）石墨產品，應（yīng）該是實現這一目標的較佳方式。

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