石墨的發展及其現狀 未來中國石墨需求格局及產業發展方向

導語

石墨由於特殊的性質，是傳統工業和戰略性新興產業所必須的礦物原料，廣泛應用於科技工程領域。石墨是我國的優勢礦產資源，產量、出口量在世界市場上占主導地位。

01石墨

1.1石墨的性質

石墨是碳的結晶體，是一種非金屬材料，色澤銀灰，質軟，具有金屬光澤。莫氏硬度為1~2，比重2.2~2.3，其容重一般為1.5~1.8。

石墨的熔點極高，在真空下到3000℃時才開始軟化的趨向溶融狀態。石墨在加熱到2000℃，其強度反而較常溫時提高一倍，但石墨的耐氧化性能差，隨著溫度的提高氧化速度逐漸增加。

石墨的導熱性和導電性是相當的，其導電性比不鏽鋼高4倍，比碳素鋼高2倍，比一般的非金屬高100倍。

石墨具有良好的潤滑性和可塑性，石墨摩擦係數小於0.1，石墨可展成透氣薄片，但高強石墨硬度很大，以至用金剛石刀具都難以加工。

1.2石墨的應用

在19世紀以前，由於其耐高低溫和導電性，石墨主要用於耐火材料、顏料等的原料。隨著對石墨抗腐蝕、抗輻射、自潤滑等性質認識的深入，其應用領域也愈加廣泛。出現了高純石墨、核工業用石墨、石墨纖維、浸硅石墨等。特別是近些年來石墨烯的發現，引起了電子通訊、鋰離子電池、航天軍工、生物醫藥、環保、太陽能、光電等新興領域的廣泛關注。

02天然石墨

2.1天然石墨的分類及分佈

天然石墨分為鱗片石墨（結晶磷片狀石墨），塊狀石墨（脈型石墨）和土狀石墨（隱晶質石墨、無定形石墨）。

磷片石墨礦床是全球主要的礦床類型，主要分佈在東亞、東南亞、中亞、北歐、東歐、中歐、南非、東非、北美洲、南美洲、大洋洲。其礦石礦物主要是粗晶鱗片狀、大磷片、細鱗片石墨，具有較大的工業價值。

全球脈型石墨礦床主要分佈在斯里蘭卡、印度、美國、英國、西班牙、摩洛哥、日本、俄羅斯、坦桑尼亞、南非、加拿大等國家。

全球隱晶質石墨礦床大多在東亞、南亞、東歐、中歐、北美洲，主要分佈於印度、韓國、墨西哥、奧地利、土耳其等國家。

2.2天然石墨的成因

自然條件下石墨的形成，必須有碳質和一定的熱力學條件相結合，而富含碳質的岩石經過石墨化後即形成石墨礦石。石墨的形成的條件主要是溫壓條件、碳源、有機生物、沉積建造等方面。熱力學條件主要是溫度和壓力，尤其是變質岩的溫度和壓力。

將天然石墨成礦過程概括為“碳質來源+含礦岩石+熱力學條件+石墨化”，定義為天然石墨成礦的四要素。

天然石墨成因及石墨化程度決定了石墨晶體的結構、特徵及物理化學特徵。石墨的晶體結構主要為2H型石墨結構，同時不同程度地含有3R型多型。晶體基本結構是六方晶格，單位晶胞含有六個原子，具典型的層狀結構。石墨-2H型（H）和石墨-3R型（RH）兩種多型變體的含量與變質程度有關，變質作用程度越淺，石墨晶體越小，RH相的數量就越多。

2.3天然石墨的資源現狀

2.3.1儲量

根據美國地質調查局的資料顯示，截止2016年，世界石墨儲量為23000萬t。我國曾是世界石墨資源儲量最大的國家，但是隨著其他國家找礦工作的深入開展，越來越多的石墨礦被發現。

2.3.2生產現狀

2011~2015年，世界天然石墨產量基本保持穩定。我國產量長期穩居世界第一，2015年，我國石墨產量約佔世界總產量的65.5%；印度石墨產量約佔世界總產量的14%，石墨開發主要在奧瑞薩邦和拉賈斯坦邦，奧瑞薩邦石墨產量佔65%~75%。巴西、土耳其、朝鮮、加拿大產量列3~5位，分別佔世界總產量的6.7%、2.7%、2.5%、2.5%，其中，巴西國家石墨有限公司為巴西主要石墨生產商，也是世界天然晶質石墨的最大生產商之一。

2.4天然石墨在各領域的需求

天然石墨的一個主要用途是生產耐火材料，使得石墨需求與耐火材料和鋼鐵業緊密相連。雖然近年來石墨行業在其他新應用領域已經有長足的發展，鋼鐵，耐火材料行業石墨佔總消費量的比重由20世紀80年代末期的67%~68%，減少為2012年的42%，但它仍然是石墨消費量最大的工業部門。而在鉛筆行業石墨的需求仍將保持現在的狀態。

2.4.1耐火材料（鎂碳磚）石墨的需求

耐火材料石墨的需求量與鎂碳磚產量及其石墨加入量相關。石墨是生產鎂碳磚所用的一種主要碳原料，其種類和純度對鎂碳磚的性能影響十分敏感。一般選擇固定碳含量93%~95%，粒度0~100目晶質石墨。石墨的需求量隨鋼爐種類，使用部位和操作條件不同而異。

歐洲多采用碳含量10%左右的鎂碳磚，而我國、日本一般都使用含碳量為12%~20%的鎂碳磚。近年來，低碳鎂碳磚成為人們研究和應用的熱點。低鎂碳磚正在我國主要大型鋼鐵企業推廣應用，並將並逐步替代高碳鎂碳磚。依次估算到2020年中國鎂碳磚的石墨加入量將減少為7%。依據近5年來鎂碳磚的產量的年均增長率2.5%，預計2020年中國鎂碳磚的產量將達到214萬t。耐火材料產業對石墨的需求量降低到15萬t，略低於現階段的需求量。

03新能源新材料領域的石墨需求預測

（1）密封材料對石墨的需求

膨脹石墨材料保持了天然石墨鱗片石墨原有的優良化學性能，又在其基礎之上增加了許多獨特的機械性能，是一種理想的密封材料。

隨著中國汽車、石油、化工、電力產業的發展，石墨密封產業將具有廣闊的發展前景。預計到2020年中國密封材料產業將達到115萬t，制動車片石墨需求量0.4%~1.3%，預計消費石墨0.5~1.62萬t。

（2）潤滑、吸附對石墨的需求

石墨材料良好的潤滑性源於石墨晶體結構，因此，應用生產乾粉石墨潤滑劑、水基石墨潤滑劑、油劑石墨潤滑劑等產品。一些學者也研究了關於石墨在不同潤滑劑中的添加量的問題。預計到2020年中國應用於潤滑劑、吸附劑的石墨需求量為5.5萬t和3.1萬t。

（3）電池電極對石墨的需求

石墨導電性能顯著地優於其它非金屬，是目前應用最廣泛的鋰離子電池負極材料。我國的鋰離子電池產業近些年來發展迅速。2013年，我國的鋰離子電池年產量已達到47.68億隻。近年因消費類電子產品市場趨於飽和，鋰離子電池需求的增幅將會持續下降。而在電動汽車領域鋰離子電池市場將進入飛速發展的階段。因此，電池電極對石墨的需求大致會經歷一個“V”字型過程。未來鋰離子電池市場需求高速增長的動力主要來自交通工具及工業儲能領域。預計到2020年電動汽車產量將達到140萬輛左右，交通工具領域石墨的需求量將達到6.5萬t。

（4）石墨烯產業對天然石墨的需求態勢分析

石墨烯是由單層碳原子組成的二維材料，其強度是已測試材料中最高的，是鋼的100多倍；載流子遷移率是商用硅片遷移率的10倍；熱導率是金剛石的3倍。石墨烯是一種應用潛力廣泛的碳材料，在電子器件、新能源、航天軍工、生物醫藥等領域擁有廣闊的應用前景，將成為下一個萬億級的新興產業。世界主要國家都在進行石墨烯的前沿研究，但多處材料研發的初級階段，距大規模生產應用仍有一段距離。

石墨烯具備完整的較強導電性、透光性、柔性及微電子等屬性，可作為感應層或者驅動層，被使用在觸摸屏的模組裡。石墨烯具有極高的比表面積，這使得石墨烯可成為潛力巨大的儲能材料。石墨烯電池在比容量、成本、壽命等較其他產品有顯著的卓越性。石墨烯電池負極材料具有優良的比容量。專業人士預計到2020年，中國儲能產業的市場規模至少可達6000億元。石墨烯有望成為市場潛力巨大的電極材料。

04未來中國石墨需求格局及產業發展方向

基於以上對石墨需求的主要部門的分析和未來趨勢判斷，得出：到2020年中國天然石墨的需求規模將達到100萬t，比2010年增長42.5%。並且石墨烯製備方法、應用的不確定性將對石墨的需求造成巨大的影響。

科學利用和保護天然石墨資源，開發深加工技術和發展高端產品將是必然的選擇。中國石墨髮展要依據未來石墨的需求格局變化，調整發展方向。從未來石墨的消費結構來看，傳統領域對石墨的需求趨於穩定，新能源新材料領域對石墨的需求增長強勢，而石墨烯產業將對石墨的需求帶來巨大的不確定性。隨著科技創新的發展，為滿足新能源、新材料領域對高性能、專業化石墨材料的需求，石墨產業應從材料級向專業級產品和深加工產業方向發展的趨勢。

未來中國石墨需求在傳統應用領域將保持穩定。而在高精尖領域將得到越來越廣泛的應用，成為戰略性新興材料。石墨的市場需求將會持續增加。戰略意義越發凸顯。未來在鋰離子電池、密封、制動、潤滑等新能源、新材料領域應用潛力巨大。雖然中國是石墨資源大國，但也應具有強烈的危機意識和戰略意識。調整產品結構，鼓勵支持發展高附加值產品，帶動石墨產業鏈後向一體化發展，提升我國石墨產業的國際競爭力，努力使我國發展成為石墨資源強國。