石墨全解析：定义、类型、结构与应用指南
什么是石墨？
石墨古称“黑铅”，是碳原子按六方结构排列的软质晶态碳。石墨是天然结晶碳形态。是变质岩和火成岩中发现的天然元素矿物。石墨是极端矿物。
石墨在地壳和上地幔中，碳经热压形成。需75,000 psi压力、750°C温度，对应粒岩相变质相。高温高压下转化为金刚石。
呈灰黑色、不透明、具金属光泽，柔韧无弹性。兼具金属非金属性质，适合多种工业应用。金属性：导热导电。非金属性：惰性、高耐热、润滑性。
石墨用于铅笔、润滑剂。良好导热导电。高导电性用于电极、电池、太阳能电池等电子产品。
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谁发现石墨？
爱德华·G·阿奇森高温碳化硅实验中意外合成石墨。发现约4150°C（7500°F）碳化硅中硅蒸发，碳以石墨形式保留。
阿奇森1896年获石墨生产专利，1897年商业化生产。1918年起，石油焦（有机物包裹的微小不完美石墨晶体）成为生产99-99.5%纯石墨主要原料。
石墨什么颜色？
石墨色泽从灰到黑，不透明且具金属外观。由碳原子组成，可视为最高级煤，但通常不用作燃料。
石墨是中灰色。作色名时与“炭黑”互换。指木铅笔“芯”，实为石墨基颜料加粘土粘结剂。
石墨是灰色色调，基本无情感色彩。超脱、中立、优柔寡断，是黑白过渡。
石墨结构
石墨层状结构，由六个碳原子环在宽间距水平片层排列组成。石墨六方晶系结晶，区别于同素异形体金刚石的八面体/四面体系统。
石墨由碳原子六元环层组成。环边缘相连。融合环层可建模为无限融合苯环（无氢原子）。
这些环排列碳原子处sp²杂化态。sp²分子轨道模型中每碳原子结合三个其他物种，石墨中即三个碳原子。此键合模式下相邻碳原子键角120°。
这些“环阵列”排列成大层碳原子，单层称石墨烯层。层内碳碳键长1.418Å。石墨层平行堆叠于六方四轴系统晶格“C”轴。更多结构信息请访问指南。
石墨性质
石墨是碳同素异形体，用于核电站制造慢化棒。性质如下：
- 灰黑色不透明物质
- 比金刚石轻、光滑滑腻
- 良好导电（因自由电子）和导热
- 结晶固体
- 触感极滑（如肥皂）
- 不燃
- 因弱范德华力而软
- 导电体
石墨物理性质
石墨高熔点，类似金刚石。熔化石墨不仅需分离层，须打破全结构共价键。
触感软滑，用于铅笔和锁具干润滑。石墨如扑克牌——单张强但牌间滑动甚至散落。写字时层擦落粘纸。
密度低于金刚石。因层间存在相对大量“浪费”空间。
不溶于水和有机溶剂——同金刚石。溶剂分子与碳原子引力永不足以克服石墨强共价键。
石墨导电。离域电子在层内自由移动。接入电路时电子从层一端脱离、另一端补充新电子。
石墨化学性质
| 性质 | 数值 |
|---|---|
| 颜色 | 铁黑至钢灰；透射光深蓝 |
| 化学分类 | 天然元素 |
| 条痕 | 黑 |
| 光泽 | 金属光泽，有时土状 |
| 透明度 | 不透明 |
| 解理 | 单一方向完全 |
| 莫氏硬度 | 1~2 |
| 比重 | 2.1~2.3 |
| 诊断性质 | 颜色、条痕、滑腻感、比重 |
| 化学成分 | C |
| 晶系 | 六方 |
石墨类型
石墨不同类型：
- 天然石墨
- 高结晶石墨
- 非晶质石墨
- 鳞片石墨
- 合成石墨。
1. 天然石墨
天然石墨是石墨碳矿物形式。结晶度差异大。商业石墨多为矿山开采，通常含其他矿物。采出后通常需大量矿物处理（如浮选）富集石墨。
天然石墨优异导热导电，宽温域稳定，高强度、高熔点3650°C。主要用于耐火材料、电池、炼钢、膨胀石墨、刹车衬垫、铸造涂料、润滑剂。
天然石墨有三种形式，均由天然石墨材料加工而成。三形式各具独特性能，适配特定应用。
1.1 结晶石墨（脉状/块状）
结晶脉状/块状石墨被认为最稀有、最珍贵、最高品质天然石墨。由地下高温流体（如原油）直接沉积固态石墨碳，经时间温压转化为石墨形成。
斯里兰卡目前唯一商业产出结晶脉状石墨的地区。结晶脉状石墨易成型，无需粘结剂即可压制实心形状，较低品质原料显著降本。
结晶脉状石墨脉厚通常1cm-1m，纯度通常>90% Cg。无需提纯纯度95-99%碳。适用鳞片石墨许多用途，在市场价格和产品应用（润滑剂、电池、砂轮、粉末冶金）有明显竞争优势。
1.2 非晶质石墨
非晶质石墨常由无烟煤层与变质作用接触变质形成。结果为微晶石墨，俗称非晶质石墨。天然石墨中非晶质石墨品位最低。石墨含量随地质环境在25%-85%间变化。
呈极微小晶体颗粒状赋存于煤、板岩、页岩等介形岩层中。提纯后碳纯度较低，70-85%。放大镜下可见。
用于低档石墨产品：铅笔、润滑剂、耐火材料、制漆、冶金、涂料、刹车片、橡胶添加剂。最便宜石墨形式。大量非晶质石墨矿床见于中国、墨西哥、美国。
1.3 鳞片石墨
天然鳞片石墨由碳质材料经高温高压形成。碳源可为有机或无机，但商业鳞片石墨多源有机沉积。压力通常>1 GPa，温度通常>750°C。
鳞片石墨见于变质岩，均匀分布矿体内或富集透镜状囊中。碳浓度5%-40%变化。鳞片石墨以片层/鳞片状见于石灰岩、片麻岩、片岩等变质岩。
浮选提取鳞片石墨。“浮选”石墨含石墨80-90%。>98%层用石墨化学制备工艺制成。鳞片石墨全球多地分布。
2. 合成石墨
合成石墨可由焦炭和沥青生成。虽结晶度不如天然石墨。可得高度有序热解石墨或高取向热解石墨(HOPG)，指石墨层间角度展宽<1°。
基本两类合成石墨：电石墨（电炉中煤焦油沥青、煅烧石油焦制得纯碳）；合成石墨（煅烧石油沥青2800°C加热制得）。
基本上，合成石墨电阻率较高、孔隙率高、密度低。孔隙率增强使其不适合耐火应用。
合成石墨主要含经石墨化、非石墨碳热处理、或烃类化学气相沉积（>2100K）获得的石墨碳。
应用：航空航天、碳刷、石墨电极、电池、核电站慢化棒。高孔隙率使合成石墨不适合耐火应用。
石墨用途
石墨自古即用。现代世界应用同样广泛。
常见用途：
- 书写材料
- 润滑剂
- 耐火材料
- 核反应堆
- 电池
- 石墨烯片
1. 书写材料
“Graphite”源希腊语“graphein”（书写）。故最常见用途造铅笔芯。芯为粘土和非晶石墨混合物。
2. 润滑剂/驱水剂
石墨是润滑脂等润滑剂主成分。矿物与大气水蒸气反应在涂覆表面形成薄膜降低摩擦。汽车刹车离合器也用石墨。
块状石墨粉末也用于涂料。因石墨天然疏水，为木材等表面提供保护涂层。
3. 耐火材料
因高耐热性和化学稳定性，石墨广泛用作耐火材料。用于制造业，助玻璃钢生产及铁加工。
4. 核反应堆
石墨吸收快中子。故用于反应堆稳定核反应。
相关： 什么是核反应堆？
5. 电气工业
结晶鳞片石墨用于制造干电池和电气工业所需碳电极、电刷、极板。天然石墨可加工成合成石墨，用于锂离子电池。
6. 石墨烯片
石墨可制石墨烯片。称强度是钢100倍、重量1/10。石墨衍生物进一步用于制造轻量高强运动装备。医疗航天领域未来应用备受关注。
延伸阅读
- 石墨结构
- 石墨主要性质
- 石墨用途
- 铸铁 | 类型、性质、应用、优缺点
- 铬是什么？性质、用途、人体影响
参考：
石墨材料：usgs.gov
常见问题
什么是石墨？
石墨古称黑铅，碳原子六方结构排列软质晶态碳。天然结晶碳形态。变质火成岩中天然元素矿物。极端矿物。
石墨类型？
天然石墨：非晶质、鳞片、结晶脉状三形式，各具独特性能适配特定应用。
谁发现石墨？
爱德华·G·阿奇森高温碳化硅实验意外合成。约4150°C碳化硅中硅汽化，碳以石墨形式保留。
石墨用途？
铅笔、炼钢、智能手机等电子产品。最重要应用：锂离子电池，石墨地位超锂成关键成分，含量是锂10-30倍。
石墨由什么制成？
石墨由纯碳组成。碳原子能形成键创造多种结构。金刚石和石墨是碳两大同素异形体。
石墨特别之处？
独特兼具金属非金属性：柔韧无弹性、高导热导电、高耐火化学惰性。低X射线中子吸收使核应用极具价值。
石墨产地？
石墨常以鳞片/结晶层见于大理石、片麻岩、片岩等变质岩。也见于有机质页岩、煤层，源于动植物遗骸变质。
石墨对皮肤好？
顺势疗法用石墨治长期皮肤病、粗糙皲裂皮肤。仅轶事证据支持缓解银屑病症状。
石墨作润滑剂？
石墨多年用作润滑剂。润滑机制被认为机械性质：石墨颗粒相互滑动。可作干润滑剂或分散润滑油中。
如何将煤转化为石墨？
微波炉中玻璃瓶煤粉产生火花。怀俄明大学研究者用铜箔、玻璃容器、家用微波炉演示：粉煤可转化高价值纳米石墨。
石墨比钢强？
石墨烯——单层碳原子材料——被誉为已知最强材料，强度钢200倍，比纸轻，具非凡力学电学性质。
石墨是物质？
石墨是碳同素异形体。由碳原子组成软灰黑不透明物质。
什么能熔化石墨？
石墨常压下实际不熔化。像二氧化碳直接升华固态变气态。故石墨无熔点，除非达~100大气压。
谁生产石墨？
中国虽为世界最大石墨生产国，但储量居全球第二。储量最大国家是土耳其。2020年约9000万公吨天然石墨储量。
世界最纯石墨产地？
斯里兰卡。荷兰占领期起采石墨。唯一商业产出最纯脉状石墨（块状石墨）国家，占世界石墨产量<1%。
石墨屏蔽辐射？
石墨膜可屏蔽电磁(EM)辐射，但现有制备技术需数小时、~3000°C处理温度。
石墨副作用？
过度暴露影响：多年反复吸入天然石墨可致肺纤维化，症状：胸闷、气短、咳嗽、黑痰、疼痛。
为什么石墨用于铅笔？
石墨层状结构靠范德华力连接。层间易剥离故极软滑。故用于铅笔和高温机械润滑剂。
为什么石墨是优良润滑剂？
碳原子片层内强结合，层间键弱，摩擦力下剪切强度低。故可作固体润滑剂，成传统主要固体润滑材料。
为什么石墨能润滑金刚石不能？
因软性非挥发性，石墨用作高速机械部件润滑。用于高温运行机械部件润滑。金刚石极硬，不能作润滑剂。
为什么石墨不同于金刚石？
石墨金刚石最有趣矿物。化学相同——均碳(C)组成，物理迥异。石墨莫氏硬度1-2极软。金刚石最硬天然物质硬度10。
金属