石墨材料的分類及應用

石墨材料是戰略性新興產業的重要組成部分，目前遇到發展的極好機遇，也面臨著許多問題和挑戰。當前，石墨烯產業、鋰離子電池產業及光伏產業等新材料、新能源行業的快速發展，促進了對石墨、炭素產品的需求。

石墨制品及材料：天然織晶鱗片石墨、高功率石墨電極、特種石墨、石墨電極、石墨陽極板、中高碳石墨、高純石墨、可膨脹石墨、改性石墨、柔性石墨、鋰離子電池球化石墨、石墨結晶器 、石墨紙填料環、石墨坩鍋、石墨鹽酸合成爐、石墨換熱器、石墨發熱體、石墨軸承、石墨粉、石墨電極預焙陽極、石墨電極、電爐炭塊、高爐炭塊、鋁電解炭塊、浸漬石墨電極、超高功率石墨電極、結晶器發熱體、可阻燃石墨材料、石墨模具等。

石墨烯粉體材料：氧化還原大規模制備石墨烯粉體，液相剝離制備石墨烯納米片或石墨烯微片，石墨烯量子點，氧化石墨烯溶液，石墨烯溶液，活化石墨烯，多孔石墨烯，功能化石墨烯，氧化石墨烯紙，石墨烯海綿，石墨烯氣凝膠等；石墨烯薄膜：銅/鎳/鉑等表面CVD制備單層和多層石墨烯，石墨烯轉移技術，石墨烯電化學剝離，石墨烯薄膜的摻雜，石墨烯薄膜生長CVD設備，石墨烯薄膜轉移設備，石墨烯薄膜的低溫生長設備。

炭素制品及材料：石墨電極、電爐炭塊、鋁用炭塊、陽極糊、電極糊、密閉糊、炭電極、側炭塊、炭素制品、炭精棒、增炭劑、洗精煤、電煅煤、普煅煤、碳陽極、半石墨化陰極碳塊、電解用預焙陽極、高功電爐半導體加熱系統、炭纖維、炭布、炭帶、炭繩、炭氈、碳石墨金剛石燒結模具等。

石墨的傳統應用領域

石墨是重要的戰略礦物，具有金屬和非金屬兩種特性：比如石墨的金屬特性是熱電的良好導體，非金屬特性是耐高溫，具有高熱穩定性、化學惰性和潤滑性，其用途十分廣泛。目前，各國主要應用領域有：

1 耐火材料

在冶金工業中，作耐火材料，用作鋼錠保護劑。由于石墨及其制品具有耐高溫、強度高的性質，在冶金工業中用來制造石墨坩堝，煉鋼爐襯里、保護渣及連鑄等。

2 冶金鑄造工業

鋼鐵和鑄造：石墨用于煉鋼工業的增碳劑。 在鑄造方面，石墨用于鑄造、翻砂、壓模材料：由于石墨的熱膨脹系數小，使用石墨作鑄模涂料，使鑄件尺寸精確，表面光潔，減少鑄件的裂紋和孔隙，成品率高。另外，石墨用于生產粉末冶金、超硬合金；生產碳素制品等。

3 化學工業

石墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導熱性好、滲透率低等特點，利用石墨制作石墨管道，可以保證化學反應正常進行，可以滿足制造高純化 學物品的需要。

4 電氣電子工業

用于生產微粉石墨電極、電刷、電池、鋰電池、燃料電池的正極導電材料、陽極板、電棒、碳管、石墨墊圈、電話零件、整流器的正極、電磁屏蔽的導電塑料、換熱器元件以及電視機顯像管的涂層等。其中以石墨電極應用最廣，用于冶煉各種合金；此外，石墨用于電解金屬鎂、鋁等的電解槽的陰極。

目前氟化石墨大量用于高能電池材料，特別 是CF0.5-0.99的氟化石墨最適合做高能電池的陽極材料，并使電池小型化。

我國已經引進顯像管石墨乳和柔性石墨紙生產線；而且近年來，在石墨深加工、微粉石墨、氟化石墨和超微細石墨的生產及石墨制品方面有了很大進展。

5 原子能、宇航和國防工業

石墨具有高熔點、穩定、耐腐蝕以及良好的抗α—射線和使中子減速性能，用于核工業方面的石墨材料叫核石墨。有原子反應堆用中子減速劑、反射劑、生產同位素用的熱柱石墨、高溫氣冷堆用的球狀石墨、核反應堆熱構件密封 墊片和堆體砌塊等。

石墨用于熱中子反應堆，也有希望用于聚變堆，在熱中子反應堆中可作為燃料區的中子慢化劑、燃料區周圍的反射層材料，以及堆芯內部的結構材料。

另外，石墨還用于制造遠程導彈或者航天火箭推進器的材料，宇宙航行設備的零件，隔熱材料和防射線材料，制造固體燃料火箭發動機尾噴管喉襯等，用于生產航空電刷，以及航天器上的直流電機以及宇航設備零件、人造衛星上無線電連接信號和導電結構材料；在國防工業方面，可用于制造新型潛艇的軸承，生產國防用高純石墨、石墨炸彈、隱形飛機和導彈的鼻錐等。特別是石墨炸彈可癱瘓變電站及其他大型電器的運行，并有極大的氣象影響作用，可用于軍事目的。

6 機械工業

石墨廣泛用于生產汽車剎車襯里等部件以及機械工業耐高溫的潤滑劑；石墨在加工成膠體石墨和氟化石墨后，在機械工業中如飛機、輪船、火車、汽車等高速運轉機械中，常用作固體潤滑劑。

7 石墨產品及用途

（1）鎂碳磚

在冶金工業中，鱗片石墨被大量的用在生產石墨坩堝和鎂碳磚。

鎂碳磚對石墨的質量指標要求一般包括粒度（目）、固定碳、灰分、揮發份、水分。高質量的耐火磚趨向于使用含碳量高和性能優于土狀石墨的鱗片石墨，含碳量為90%～ 97％的中碳和高碳產品，粒度﹣80～+200目。發展趨勢是使用更細的粒度級別和含碳量高的鱗片石墨。提高石墨的純度，即提高了鎂碳磚中石墨的添加量，可以提高鎂碳磚的強度和抗氧化能力。

（2）石墨坩堝

石墨坩堝在冶金工業上的應用有著較長的歷史，是采用天然大鱗片石墨和優質碳化硅為原料，以黏土或炭質為結合劑加工而成，其中石墨在坩堝原料配方中的比例占到 40％～50％之間。

（3）高純石墨

純度上通常要達到高純度，如科技部“新材料及新材料產業界定標準”（討論稿）中，高純石墨材料對天然石墨材料而言，鱗片石墨為C≥99.9%。某些特殊領域如用于核能、半導體等高新技術產業的，則要99.99%甚至更高。

（4）柔性石墨

柔性石墨由于具有高的化學穩定性，耐高溫、耐低溫，耐腐蝕，耐輻射，導電，導熱，安全無毒，且具有良好的柔韌性、自粘性和潤滑性，目前已廣泛應用于石油、化工、冶金等領域。

在柔性石墨密封材料上與國際水平的主要差距是高檔產品少，品牌效益差，不同企業產品良莠不齊。發達國家對不同用途的柔性石墨有不同的品牌、技術標準，如通用級、 核能級、緩蝕級、高純級等。而國產材料缺乏明確的質量技術標準，這與市場研究不夠有關。

（5）可膨脹石墨

小顆粒的可膨脹石墨用于生產阻燃涂料；高起始膨脹溫度的石墨用于工程塑料和橡膠的阻燃；低起始膨脹溫度的石墨用于生產防火密封條；微膨脹石墨作為高能電池材料。

（6）膠體石墨

廣泛用于導電、電磁屏蔽、抗靜電、鍛造、鑄造、拉絲、潤滑、仿佛、密封、絲網印刷線路、彩色顯示器制造等領域。

（7）鋰離子電池負極材料

鋰離子電池的負極材料目前成熟應用的主要是碳石墨材料，其他負極材料基本還處于實驗室階段，近期不可能大規模使用。

天然鱗片石墨要作為鋰離子電池的負極材料，要經過顆粒球化及表面包覆處理。球化技術主要是利用專門的粉碎整形設備，使不規則的石墨微粒通過氣流沖擊下的相互碰撞，發生卷曲和包裹作用，使顆粒成為球形或近似球形，即通常所稱的球形石墨。球形石墨具有較小的比表面積及堆積時容易達到取向均勻，從而提高材料性能。表面包覆 技術主要針對天然石墨顆粒表面活性點較多，易與電解液發生副反應的缺點，在石墨微粒表面覆蓋很薄的一層結構穩定的無定形碳，從而達到提高穩定性的目的。

（8）各向同性石墨材料

各向同性石墨材料（核石墨）產品是指以天然石墨和石油焦為主要原料的等靜壓成型的細結構和超細結構石墨，產品為塊體狀的人工石墨制品。其產品主要為：高溫氣冷堆用石墨反射塊、高溫氣冷堆球狀反應堆用石墨球、核級石墨墊片、高溫氣冷堆用電極石墨粉。

（9）高導熱石墨材料

高功率密度電子器件和高端電子工業器件等逐漸小型化、結構緊湊化、高功率密度化引發了散熱問題對器件的工作穩定性和可靠性提出嚴峻的挑戰，從而對其運行過程中 產生的熱量強化導出與放散提出了更高的要求。目前一般的散熱材料所使用的散熱片基材幾乎都是鋁合金，由于其自身導熱系數（237W/m·K）的局限性，已很難滿足要求，且該類材料質量較重、熱膨脹系數也較大，從而大大地限制其作為電子器件封裝散熱材料的廣泛使用。鑒于此，研究和開發導熱率高、輕質和良好的熱穩定性的新型材料 對于實現部件的小型化、裝置輕量化和運行高效化具有重 要的意義。

高導熱石墨材料的研發成功為高功率電子器件散熱問題的解決提供了最有效的途徑。由于該類材料質量輕（僅為傳統金屬導熱材料的1/2~1/5），導熱率高，耐腐蝕，熱膨脹 系數小，在前述需散熱的器件上取代傳統金屬材料，不僅有利于電子器件的小型化、微型化和高功率密度化，而且可以有效地減輕器件的重量，增加有效載荷；同時用于我國的高端電子器件設備，亦可高效散熱、使用安全、壽命長（主要是其抗腐蝕和氧化能力強）。

（10）鑄造工業用石墨

用石墨作鑄模涂料，增加鑄件的光滑度，減少鑄件的裂紋和孔隙。對石墨原料的要求一般粒度74μm，含碳量為70%～80％。

（11）電氣工業用石墨

利用石墨制作電極、電刷、碳棒、碳管、陽極板、石墨墊圈、鋰離子動力電池等。對石墨原料的要求為粒度43μm，含碳94%～97％。

（12）氟化石墨

氟化石墨是（C2F）n、（CF）n的 10μm-12μm 超細粉體材料，主要生產和消費國是發達國家，如：日本、美國、俄羅斯、法國、德國。主要用途：固體潤滑劑、氟化玻璃脫模劑、高能電池材料、氟石墨纖維材料、計算機與集成電路存儲器材料。