更新时间：2023-08-15 15:56
石墨（英文名称：Graphite），化学式为C，是碳的同素异形体之一。在自然界中是以碳为主要成分矿物的形式存在。石墨有六方晶系与三方晶系两种，当加热到一定温度以上，后者向前者转化，使体系更为稳定。石墨具有层状结构，层间结合力弱，其单晶呈鳞片状，板状，通常为鳞片状、块状或土状的集合体，平行底面为完全解理。莫氏硬度为1~2，密度为2.09g/cm3-2.23g/cm3，有高的滑润性，导热性和导电性良好，耐高温。在常温下化学性质稳定，不为强酸、强碱及有机溶剂所侵蚀。
石墨由于其熔点高、抗腐蚀、不溶于酸等特性，用于制作冶炼用的高温埚；具滑感，作为机械工业的润滑剂；导电性好，制作电极等。成分较纯的所谓高碳石墨可做核能反应堆中的中子减速剂。
全球石墨资源分布广泛又相对集中，除南极洲外其他六大洲均有分布，但主要集中在土耳其、中国、巴西、马达加斯加、莫桑比克、坦桑尼亚等国家。
早在公元4000年前的新石器时代，欧洲东南部就出现了使用石墨颜料装饰的陶器，人们已开始无意识的使用石墨矿物，公元1533~1603年在英格兰地区坎布里亚郡附近发现了一些石墨矿床，牧羊人用它作为颜料标记羊群，人们逐渐使用石墨作为颜料并制作铅笔，后来英国开始使用石墨作为耐火材料制造铸造模具的内衬，并用于钢铁冶炼和军火制备，开启了人类规模化应用石墨矿产资源的历史。虽然人们早就使用石墨，但直到1779年卡尔·舍勒（ScheeleC.W.）将其氧化成CO2后，才证明它就是碳。
19世纪，石墨的用途大大扩展，包括炉子抛光剂、润滑剂，制造铅笔等，泡沫浮选工艺的起源与石墨开采相关紧密，用天然石墨制造电池级石墨等。1893 年，Le Carbone发现了一种制造人造石墨的工艺。1896年卡斯特纳和艾奇逊（E.G.Acheson）用不同的产生高温的方法使无定形炭转化为石墨晶体，从而使炭质电极转变为人造石墨电极。完全用石油焦为原料制造的石墨电极（人造石墨电极）经过10年左右才实现工业规模生产，并且主要使用艾奇逊设计的石墨化炉进行石墨化。
1899年普里查得（C.G.Prichard）提出用锡兰石墨制造天然石墨电极的方法。19世纪末及20世纪初电炉冶炼的导电材料多数使用无烟煤及冶金焦为原料的炭质电极或以锡兰石墨为原料的天然石墨电极。
石墨晶体结构的最初模式是由赫尔（Hull）于1917年提出的，后来由伯纳尔（Bernal）、哈塞尔（Hassel）和马克（Mark）等人于1924年进行了具体描述。
石墨优良的耐高温性能使其被用于制造耐火砖、坩埚、连续铸造模压粉、铸模芯、铸模洗涤剂、塞头和喷嘴等。由于石墨的线膨胀系数小，而且能耐急冷急热的变化，可作为玻璃器皿的铸模，也可作为脱模剂。使用石墨后，金属铸件尺寸精确，表面光洁，成品率高，生产钨钢等粉末冶金工艺，通常用石墨材料制成压模和烧结用的舟皿。石墨还可以作真空冶炼的隔热板和底座、高温电阻炉炉管、棒、板、隔棚等元器件。
球状石墨是关键的锂离子电池阳极材料，它是由天然鳞片石墨加工而成。球状石墨非常符合锂离子电池阳极材料的要求。而人造石墨成本和性能都无法完全满足锂离子电池的需求，伴随着锂离子电池在计算机、通信和消费类3C电子产品中的使用迅速增长，电动工具和电动滑板车、电动自行车也越来越受欢迎。
石墨具有良好的中子减速性能，最早作为减速剂用于原子反应堆中，“-石墨”反应堆是应用较多的一种原子反应堆，石墨由于自身特殊的性质使得其在核聚变反应堆中也具有重要的作用，它能够在很大程度上减少材料等离子体中的金属杂质，因此对材料等离子体提高能量约束发挥了巨大作用，随着核聚变装置逐渐大型化，导热性好、机械强度高的石墨材料被视为核聚变反应堆的优质材料，且其在应用过程中表现出了良好的放电脉冲效果，此外，因石墨具有原子序数低、引起的辐照损失小等特性，即便混入等离子体中，也能使高温下等离子体保持稳定。高温气冷堆（核裂变堆）中，由于高温气冷堆中用作慢化剂的石墨必须具有辐照蠕变及对变形所产生的辐照应力有很强的耐受力，便提出了模块化高温气冷堆。国防工业中使用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴、导弹的鼻锥，宇航设备隔热材料和防射线材料等也常用石墨制造。
石墨用于生产铅笔芯时要求粒度0.074mm，含碳89%~90%。石墨经过特殊加工以后，可以做各种特殊材料用于有关工业部门。石墨还能防止锅炉结垢，有关单位试验表明，在水中加入一定量的石墨粉（每吨水大约用4~5g）能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂在金属烟肉、屋顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。
石墨还可以用作玻璃、造纸的抛光剂，油漆、油墨、橡胶和塑料的填料。
石墨的工艺特性主要取决于它的结晶形态。结晶形态不同的石墨矿物，具有不同的工业价值和用途。在工业上，根据结晶形态不同，将天然石墨分为三类。
致密结晶状石墨来源于致密结晶状石墨矿石，也称块状石墨矿石。这种矿石主要由致密结晶石墨和斜长石、石英、透闪石和绿泥石组成。致密结晶状石墨的结晶明显，晶体肉眼可见，颗粒大于0.1mm，晶体排列杂乱无章，呈致密结晶状构造。这类石墨矿石的特点是品位高，通常含碳量（质量分数）为60%~65%，有时可达80%~98%，但其可塑性和滑腻性不如鳞片石墨好。这种矿石分布较少，以斯里兰卡所产的石墨为典型。
鳞片石墨来源于鳞片石墨矿石，其晶体呈鳞片状。这种矿石主要由鳞片状石墨、长石、石英、透辉石、透闪石和云母等矿物组成。这种鳞片石墨是在高强度的压力变质而成的，呈鳞片状或叶片状，并有大鳞片和细鳞片之分。中国的鸡西柳毛、鹤岗云山、山东南墅和内蒙古自治区兴和等石墨矿均属此类型。此类石墨矿石的特点是品位不高，一般为2%~3%，或10%~25%。是自然界中可浮性最好的矿石之一，经过多磨多选可得高品位石墨精矿。这类石墨的可浮性、润滑性、可塑性均比其他类型石墨好，可加工性好。在各种天然石墨中，鳞片石墨的工业价值最大。鳞片石墨可浮选性好，品位在2%~3%就可开采。
隐晶质石墨来源于隐晶质石墨矿。这种矿石主要由隐晶质石墨、绢云母、石英、黄铁矿、方解石、褐铁矿、黏土等矿物组成。隐晶石墨又称土状石墨，石墨晶体较小，一般小于1μm，是微晶的集合体。与鳞片石墨肉眼可见鳞片结晶体不同的是，隐晶质石墨只有在电子显微镜下才能见到晶形。这类矿石的特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性也差。隐晶质石墨矿石的品位较高，一般为60%~80%，少数可达90%以上。隐晶质石墨矿的可浮性较差，浮选只能起到初步富集的作用，通常将精矿和尾矿都作为产品以不同的价格出售。这种矿石类型在石墨矿床中占有很大比重，世界石墨总产量的一半以上均来自该类型矿石。朝鲜、奥地利、俄罗斯等国是隐晶质石墨的主要生产者。中国湖南、吉林省等地均有开采。
隐晶质石墨可选性差，工业上对原矿品位的要求较高。品位小于65%者，一般不予开采，品位在65%~80%的矿石，经过选别后，可以利用。原矿品位大于80%者，可以直接利用。
从广义上说，一切通过有机碳化再经过石墨化高温处理得到的石墨材料均可称为人造石墨，如碳纤维、热解炭、泡沫石墨等。而狭义上的人造石墨通常指以杂质含量较低的炭质原料为骨料、煤沥青等为黏结剂，经过配料、混捏、成形、炭化和石墨化等工序制得的块状固体材料，如石墨电极、等静压石墨等。人造石墨就成形方式通常可分为振动成形、挤压成形、模压成形和等静压成形。
膨胀石墨又称柔性石墨，是纯石墨的一个分支，是以天然鳞片石墨为原料，先经过化学处理生成石墨层间化合物，经水洗干燥后即得可膨胀石墨，再经高温处理制成膨胀石墨。膨胀石墨既保持了石墨原有的优良特性，同时又克服了天然石墨硬而脆的缺陷，并赋予新的柔韧性。
石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，石墨的质量损失也很小，热膨胀系数很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。
石墨的导电性比一般非金属矿物高一百倍，导热性超过钢、铁、铅等金属材料。石墨的导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨呈绝热体。
石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。石墨较好的自润滑性是由于其特殊的片状结构。石墨的韧性很好，可碾成很薄的薄片。
石墨在高温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。
石墨易于沿结合力弱的晶层面剥离，这是制备膨胀石墨、胶体石墨以及提纯石墨的基础。石墨与大多数矿物不同，具有天然的疏水性能。
石墨为铁黑色至钢灰色薄片、团块、粉末或碎片；透射光下为深蓝色。不溶于水，密度为2.09g/cm3-2.23g/cm3，熔点为3850℃±50℃，沸点为4250℃。硬度为1-2。具有滑感，易污手。当温度达到200℃，要求最低压力为2万个大气压，石墨可以转变成金刚石。石墨在常压下不熔化，挥发点在3620K左右，温度高于4000K时以气相或液相存在，临界点大约在7000K，1160MPa附近。石墨存在两个三相点，一个是石墨—金刚石一液相之间，一个是固相一液相一气相之间。在固态材料中石墨的热容量比较大。石墨的这些特性是石墨高温应用的基础。
石墨，化学式C，主要成分为碳。自然界纯净的石墨极少，往往含有杂质，如铁的氧化物、黏土或其他矿物。主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、P2O5、CuO以及水、沥青和黏土等。石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。另外石墨还是一种强还原剂，易与氧化剂发生激烈反应。
石墨为层状结构，层内每个碳以sp2杂化轨道与3个相邻的碳原子形成等距离的σ键，构成了一个由无限等六边形组成的平面层，而垂直于该平面的pz轨道相互重叠形成离域π键，使层中C原子之间的距离变为141.5pm，较C—C单键短，键级相当于4/3；层间距为335pm，结合力是微弱的分子间作用力。
碳原子层之间可有2种不同的堆积方式：一种是以ABAB……的顺序重复，具有六方晶系对称，称为六方石墨，又称α石墨，空间群为D6h4-P63/mmc，晶胞参数为：a=245.6pm， c=669.6pm。另一种是以ABCABC……的顺序重复，称为三方石墨，又称β石墨，中层间距也为335pm，结合力是范德华力；空间群为D3d5-R3m，晶胞参数为：d=363.5pm， α=39°30′。2种石墨的物理性质相似，天然石墨中含质量分数约为30%的β石墨；2者可以互变：
不具备宏观晶体结构的石墨，即所谓无定形碳，是由石墨型层结构的分子碎片互相大致平行的无序堆积而成，间或有碳按四面体成键方式互相键连；也可以说碳的无定形体是碳原子以非晶体形式不规则排列时形成的玻璃态物质。
还有一类石墨是1968年美国联合碳公司为解决原子能工业中的密封问题而研制成功的，叫柔性石墨又称膨胀石墨。
六方板状晶形，最大可至20cm，常见单形有平行双面c{0001}，六方双锥p{}、φ{}、o{}，六方柱m{}，底面常具有三角形条纹；完好晶形少见，一般为块状、鳞片状、致密的粒状、柱状和土状；石墨依（）成双晶，依[0001]面可有30°的旋转。
全球石墨资源分布广泛又相对集中，除南极洲外其他六大洲均有分布，但主要集中在土耳其、中国、巴西、马达加斯加、莫桑比克、坦桑尼亚等国家。根据美国地质调查局（USGS）发布的数据显示，截至2012年，全球石墨储量为7680万t。随着近年来战略新兴产业的不断发展，很多国家都加大了对石墨资源勘查的力度和投入，至2020年，全球石墨总储量的统计结果约为3.2亿t，主要石墨储量国家占比如图1所示。其中，土耳其石墨资源储量最丰富，探明储量为9000万t，占全球总量的28.13%，中国次之，为7300万t，占全球总量的22.81%，巴西是全球第3大石墨储量国，石墨储量为7000万t，占全球总量的21.88%，马达加斯加、莫桑比格、坦桑尼亚等其他国家合计占比为27.18%。从石墨储量占比看来，土耳其位居世界第一，但是由于该地区的石墨主要以隐晶质石墨为主，开发利用价值较低，产量非常少。中国的石墨主要以晶质石墨为主，且包含多个大型、超大型石墨矿床，经济价值高，产量常年位居世界第一。
据USGS统计2020年，全球天然石墨产量为110万t。全球石墨生产主要集中在中国、莫桑比克、巴西、马达加斯加等国。其中，中国石墨产量为65万t，约占全球总生产量的59%。莫桑比克是第二大石墨生产国，产量为12万t，约占全球生产总量的11%，该国拥有的巴拉马石墨矿是世界上最大的石墨矿之一。巴西石墨生产量同资源储量一样位居全球第3，产量为9.5万t，约占全球总量的8.6%，其主要生产企业巴西国家石墨有限公司是全球最大的天然晶质石墨生产者之一。
晶质石墨矿主要分布于亚洲的中国和斯里兰卡，欧洲的乌克兰、挪威和意大利，非洲的马达加斯加、津巴布韦、莫桑比克、坦桑尼亚和肯尼亚，南美洲的巴西，北美洲的加拿大，其中莫桑比克和马达加斯加盛产大鳞片石墨，斯里兰卡盛产高品位的致密块状石墨。隐晶质石墨矿主要分布于亚洲的印度、朝鲜和土耳其，欧洲的俄罗斯、瑞士和奥地利，大洋洲的澳大利亚，北美洲的墨西哥等。已有地质资料表明，多数国家只产一种石墨，且矿床规模以中、小型居多，仅亚洲的中国、欧洲的捷克斯洛伐克、北美洲的美国等极少数国家均有晶质和隐晶质石墨矿床产出，且矿床规模以大型为主。
中国石墨矿床主要分布于华北地块、扬子地块周缘、天山—兴蒙造山带和秦祁昆造山带，石墨矿产地分布广泛，矿石种类齐全，以晶质石墨为主，隐晶质石墨为次，而储量又相对集中于少数成矿最有利的地区。根据资源储量的多少，晶质石墨矿床依次分布于黑龙江省、山东省、内蒙古自治区、山西省、河南省、四川省、湖北和陕西省等省，隐晶质石墨矿床主要分布于内蒙古、湖南省、广东省、吉林省、陕西、山东和福建省等省。中国晶质石墨资源丰富，整体呈现东北地区多西南少的格局，截至2019年底，已探明晶质石墨资源储量为5.29亿t，其中黑龙江、内蒙古和山东三省为晶质石墨矿主产地。
石墨的形成与大地构造格局、富碳质沉积体系、变质作用、混合岩化作用等控矿因素密切相关，大地构造格局决定了晶质石墨矿床的分布，富碳陆源碎屑沉积体系主控碳源供给和赋矿层位分布，变质作用程度及期次限定石墨矿体规模，混合岩化过程对提升矿石品质具有重要促进作用。将石墨矿床划分为区域变质型、岩浆热液型和接触变质型3种类型。
区域变质型晶质石墨矿床是最重要类型，在区域变质条件下，赋矿沉积岩中早期的含碳物质转化为石墨，大多数石墨矿床位于前寒武纪变质地层中（如孔兹岩系），主要为新太古代—元古代，矿石类型主要为片麻岩型、片岩型、变粒岩型和大理石型，进一步可划分为中深变质型和浅变质型。石墨的鳞片粒度与变质程度呈正比，结晶较好的鳞片石墨形成于角闪岩相或麻粒岩相，细鳞片结构的石墨形成于绿片岩相，石墨呈浸染鳞片状分布于火山岩、硅质沉积变质岩中，此类矿床石墨鳞片大，矿石质量高。高品位石墨通常与大理岩和副片麻岩或石英岩之间的岩石接触界面、断层带中的透镜体以及作为变质流体通道的构造有关，表明矿化受构造控制；尽管这些矿床中的大多数碳被认为存在于原始沉积岩中，但一些碳富集可能是由变质流体的内部或外部缓冲或混合过程引起。石墨矿床以层控透镜体或层的形式出现，矿床中的单个透镜体厚达数十米，长数百米，透镜体内部以及透镜体之间石墨含量都是可变的。
岩浆热液型石墨矿床的形成机理与接触变质型石墨矿床相似，均与中酸性岩浆的作用密切相关。该类型矿床主要见于我国西部的构造岩浆带中，其成矿对地质条件有一定的要求，多期构造运动与岩浆热液活动是生成该类矿床的必要条件，其中岩浆型矿床是碳在岩浆溶体中结晶形成的，热液型矿床是碳在C-H-O流体中与围岩反应产生沉淀形成的。石墨常与岩浆热液矿物共生，使得形成的矿石成分比较复杂，主要为中细鳞片石墨，矿石品位较低，一般为3%~6%。
接触变质石墨矿床是由岩浆侵入煤系地层引起煤层接触变质而成，其中含煤岩系是形成此类矿床的物质基础和必要条件。含煤岩系主要由砂岩、泥岩、黏土质岩、碳酸盐岩以及煤等物质组成，当酸性或者中酸性的岩浆岩侵入含煤岩系引起接触变质时，围岩常发生不同程度的矽卡岩化、角岩化、硅化、重结晶等。岩浆岩通常沿着有利于构造的部位入侵，其入侵时的产生高温为含煤岩系的接触变质作用提供了热力学条件，同时岩体的边部也会发生不同程度的自变质作用。煤层受接触变质作用形成的石墨，大部分为隐晶质石墨，固定碳含量较高，湖南鲁塘就是中国最具代表性的煤系隐晶质石墨产区之一。
矿山的开采方式有露天开采、地下开采、露天-地下联合开采。晶质石墨矿床一般为露天开采，多数可山坡露天开采，少数晶质石墨矿床由于矿体处于当地侵蚀基准面以下，需采用凹陷露天开采，有的矿床邻近有地表水体影响，开采技术条件相对要复杂一些，露天开采的采矿方法主要为组合台阶法。 隐晶质石墨矿一般为地下开采，采矿方法主要为崩落法，主要有分层崩落法和小分段崩落法。
浮选是一种常用而重要的选矿方法。石墨具有良好的天然可浮性，基本上所有的石墨都可以通过浮选的方法进行提纯，为保护石墨的鳞片，石墨浮选大多采用多段流程。石墨浮选捕收剂一般选用煤油，起泡剂一般采用松醇油或丁醚油。浮选法可使石墨的品位提高到80%~90%，甚至可达95%左右。该方法的最大优点是所有提纯方案中能耗和试剂消耗最少、成本最低的一种。但呈极细状态夹杂在石墨鳞片中的硅酸盐矿物和钾、钙、钠、镁、铝等元素的化合物，用磨矿的方法不能将其单体离解，而且不利于保护石墨大鳞片。因此浮选法只是石墨提纯的初级手段，若要获得含碳量99%以上的高碳石墨，必须用其他方法提纯。
碱酸法包括两个反应过程：碱熔过程和酸浸过程。碱熔过程是在高温条件下，利用熔融状态下的碱和石墨中酸性杂质发生化学反应，特别是含硅的杂质（如硅酸盐、硅铝酸盐、石英等），生成可溶性盐，再经洗涤去除杂质，使石墨纯度得以提高。酸浸过程的基本原理是利用酸和金属氧化物杂质反应，这部分杂质在碱熔过程中没有和碱发生反应。使金属氧化物转化为可溶性盐，再经洗涤使其与石墨分离，经过碱熔和酸浸相结合对石墨提纯有较好的效果。
氢氟酸是强酸，几乎可以与石墨中的任何杂质发生反应，而石墨具有良好的耐酸性，特别是可以耐氢酸，决定了石墨可以用氢氟酸进行提纯。氢氟酸法的主要流程为石墨和氢氟酸混合，氢氟酸和杂质反应一段时间产生可溶性物质或挥发物，经洗涤去除杂质，脱水烘干后得到提纯石墨。氢氟酸有剧毒，对环境污染严重，配合其他酸对石墨进行提纯，可以有效地减少氢氟酸用量。
石墨的熔点为3850℃±50℃，是自然界熔沸点最高的物质之一，远远高于杂质硅酸盐的沸点。利用它们的熔沸点差异，将石墨置于石墨化的石墨坩埚中，在一定的气氛下，利用特定的仪器设备加热到2700℃，即可使杂质气化从石墨中逸出，达到提纯的效果。该技术可以将石墨提纯到99.99%以上。
反复或长期吸入石墨粉尘，可能对肺造成影响，最终导致石墨尘肺病。石墨尘肺的病理改变酷似煤肺，肉眼可看到胸膜表面有密集的、大小不等的黑色斑点，肺切面可见肺组织几乎都被染成黑色，触摸时有颗粒感，但不很硬。镜下可见细小支气管及细小血管周围有大量石墨粉尘及尘细胞形成的粉尘细胞灶，并能看到灶性肺气肿。石墨尘肺发病机制与煤肺相似。石墨尘肺病例尸检发现，肺内除有大量石墨尘粒外，未看到石英粉尘颗粒。在石墨电极制作工人肺内粉尘分析亦证实，石英含量仅占干肺重量的0.02%，因而认为石墨粉尘属于轻度危害的惰性粉尘。
多数石墨尘肺病人无明显症状，部分病人可能有轻度鼻咽部发干、咳嗽、咳黑色粘痰，劳动后有胸闷、气短等症状。石墨尘肺的X线表现与煤肺相似，以p小阴影为主，有时亦能看到少量的s小阴影，q、t小阴影较少见。偶能看到轻度胸膜增厚及肋隔角变钝等表现。石墨尘肺容易并发感染，包括结核病感染。少部分病人肺功能有轻度损害。石墨尘肺进展缓慢，进展为Ⅱ期者较为少见。但石墨矿石粉碎工的砂肺病变可发展为Ⅱ期。石墨尘肺病人体征很少，偶尔看到样状指。石墨尘肺病的预后良好。
石墨回收最简单的方法是不经任何化学处理，从旧石墨中重新获得可再循环再利用的石墨。该方法的优点是操作工艺简单，缺点是只能在有限范围内使用。如果石墨回收前没有经过有效去污，制成的产品不能得到广泛应用。另外一种方法是将回收的废石墨气化，通过气态产物加工新石墨产品。气化过程可有效去除石墨中的多种放射性核素。
新反应堆使用的慢化剂、燃料组件是石墨再循环再利用潜在的利用领域之一，该领域对石墨质量有较高要求，因此，石墨的再循环再利用在技术上具有一定的挑战性。
石墨的再循环再利用除了再造新反应堆，还有其他潜在用途，如使用石墨电极产生的高温进行放射性废物的处理，回收石墨来生产碳化硅等。碳化硅在高温反应堆技术及核废物治理方面具有潜在而广泛的用途，如作为密封剂等。碳酸钙也是石墨再循环再利用的一种方式。
中华人民共和国国家标准车间空气中石墨粉尘卫生标准：车间空气中含有10%以下游离二氧化硅的石墨粉尘的最高容许浓度为6mg/m3。车间空气中石墨粉尘浓度、游离二氧化硅含量的测定按GB5748《作业场所空气中粉尘测定方法》执行。各级卫生防疫机构负责监督该标准的执行。