石墨

定义

石墨是化学成分以碳为主的自然元素矿物，晶体多属六方晶系，少数属三方晶系，与金刚石构成同质多象关系^[1]。天然产出的石墨常为铁黑色至钢灰色，条痕呈亮黑色，具半金属光泽且不透明，摩氏硬度仅 1 至 2，密度约 2.09 至 2.23 克每立方厘米，摸上去有滑感并容易污手^[5][2]。

按其结晶程度，天然石墨在工业上通常分为晶质石墨与隐晶质石墨两类：前者晶体片径较大、多呈鳞片状，可选性较好；后者晶体细微、肉眼难辨晶形，品位往往较高但分选困难^[3]。自然界中纯净的石墨很少，矿石里常混有石英、方解石、粘土、沥青以及硅、铝、铁氧化物等杂质，因此工业上还要按固定碳含量进一步分级^[6][3]。

原理

石墨的性质由它的层状晶体结构决定。每一层里，碳原子以蜂巢状六边形铺展成平面网，层内相邻碳原子的间距约 0.142 纳米，靠强烈的共价键相连；相邻两层之间的间距约 0.335 纳米，作用力主要是微弱的范德华力，因此层与层之间容易相对滑动^[2][7]。层间堆垛顺序不同会形成不同多型，两层重复的 2H 型最常见，三层重复的 3R 型较少见^[8]。

在层内，每个碳原子只与 3 个相邻碳原子成键，最外层 4 个电子中剩下 1 个可以在层内自由移动，这使石墨沿层面方向成为良导体；垂直层面的方向导电与导热能力则明显偏弱，物性呈现显著的各向异性^[7][5]。层与层容易滑移，也解释了石墨为何手感滑腻、能在纸面留下痕迹，可用作固体润滑剂^[4]。

发展历程

石墨作为书写与标记材料的使用可追溯到很早，中国北魏郦道元《水经注》中已有「洛水侧有石墨山，山石尽黑，可以书疏」的记载^[7]。石墨的英文名由德国矿物学家亚伯拉罕·戈特洛布·维尔纳(A.G.Werner)于 1789 年取自希腊语词根，意为「书写」^[6]。因外观与用途，它长期被民间称作黑铅或炭精，一度被误当作铅的一种^[9]。

进入 20 世纪后，石墨的工业用途随电气、冶金与核工业扩展，高纯石墨被用于原子反应堆的中子减速剂与防射线材料^[5]。2004 年，曼彻斯特大学的安德烈·海姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次分离出单层石墨烯，二人因此获得 2010 年诺贝尔物理学奖，石墨作为二维碳材料的原料再次受到关注^[10]。中国于 2016 年 12 月将晶质石墨列入国家战略性矿产目录^[10]。

应用

传统领域是石墨用量的主体。石墨可作铅笔芯、颜料与染料，也用作机械润滑剂、冶金坩埚、铸模涂料、电极和电碳制品的原料^[1][11]。在钢铁与耐火材料行业，它被用于镁碳砖、耐火砖和增碳剂等产品^[2][10]。

在新兴领域，石墨是目前商用锂离子电池最主要的负极材料：充电时锂离子嵌入石墨层间，放电时再脱出，商业化石墨负极的比容量大致在 300 至 360 毫安时每克，并可支持数千次充放电循环^[4]。用于电池的石墨通常需先球形化，再提纯到 99.9% 以上^[10]。在核能方面，石墨耐高温且中子吸收截面小，可用作反应堆的中子减速剂与反射体；在球床式高温气冷堆的球形燃料元件中，天然石墨占比约 64%^[2][10]。此外，石墨经氧化、还原等工艺可制得石墨烯粉体，用于防腐涂料、导热膜等产品^[10]。

局限

石墨的力学性能受层状结构制约。层间结合力弱使它在受力时容易沿层面剥离、磨损，硬度低，难以单独承受较大的机械载荷或作为结构件使用；作为润滑剂时，其效果还取决于鳞片大小，鳞片越大摩擦系数通常越低^[12]。各向异性也带来设计上的限制，沿层面与垂直层面的导电、导热能力相差悬殊，材料性能需按方向分别考虑^[4]。

天然石墨矿的品位与可选性往往互相牵制：晶质石墨矿石品位偏低，隐晶质石墨虽然品位较高却难以分选提纯，高纯产品因此需要额外的选矿与提纯工序^[3]。石墨属于不可再生资源，中国虽是传统生产与消费大国，其晶质石墨查明资源储量在 2019 年报告中为 4.37 亿吨，资源量有限且分布集中^[10]。在化学稳定性方面，石墨常温下耐酸碱和有机溶剂，但在强氧化条件下会被氧化，在空气或氧气中强热则可燃烧生成二氧化碳^[5][9]。

参见

• 金刚石 —— 与石墨化学成分相同而晶体结构不同的同质多象变体。

• 石墨烯 —— 由石墨剥离得到的单层碳原子二维材料。

• 同素异形体 —— 同种元素因原子排列方式不同而形成不同单质的现象。

• 锂离子电池 —— 以石墨为主要负极材料的二次电池。

• 中子减速剂 —— 核反应堆中用来降低中子速度的材料，石墨是其中一种。