隨著半導(dǎo)體和光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在21世紀(jì)，我們找到了更好的硅替代品——石墨。
石墨的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域
石墨是重要的戰(zhàn)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(dǎo)體，非金屬特性是耐高溫，具有高熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰性和潤(rùn)滑性，其用途十分廣 泛。目前，各國主要應(yīng)用領(lǐng)域有：
1 耐火材料
在冶金工業(yè)中，作耐火材料，用作鋼錠保護(hù)劑。由于石墨及其制品具有耐高溫、強(qiáng)度高的性質(zhì)，在冶金工業(yè)中用來制造石墨坩堝，煉鋼爐襯里、保護(hù)渣及連鑄等。
2 冶金鑄造工業(yè)
鋼鐵和鑄造：石墨用于煉鋼工業(yè)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(shù)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(chǎn)粉末冶金、超硬合金；生產(chǎn)碳素制品等。
3 化學(xué)工業(yè)
石墨具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導(dǎo)熱性好、滲透率低等特點(diǎn)，利用石墨制作石墨管道，可以保證化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行，可以滿足制造高純化 學(xué)物品的需要。
4 電氣電子工業(yè)
用于生產(chǎn)微粉石墨電極、電刷、電池、鋰電池、燃料電池的正極導(dǎo)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(dǎo)電塑料、換熱器元件以及電視機(jī)顯像管的涂層等。其中以石墨電極應(yīng)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(jīng)引進(jìn)顯像管石墨乳和柔性石墨紙生產(chǎn)線；而且近年來，在石墨深加工、微粉石墨、氟化石墨和超微細(xì)石墨的生產(chǎn)及石墨制品方面有了很大進(jìn)展。
5 原子能、宇航和國防工業(yè)
石墨具有高熔點(diǎn)、穩(wěn)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(yè)方面的石墨材料叫核石墨。有原子反應(yīng)堆用中子減速劑、反射劑、生產(chǎn)同位素用的熱柱石墨、高溫氣冷堆用的球狀石墨、核反應(yīng)堆熱構(gòu)件密封 墊片和堆體砌塊等。
石墨用于熱中子反應(yīng)堆，也有希望用于聚變堆，在熱中子反應(yīng)堆中可作為燃料區(qū)的中子慢化劑、燃料區(qū)周圍的反射層材料，以及堆芯內(nèi)部的結(jié)構(gòu)材料。
另外，石墨還用于制造遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或者航天火箭推進(jìn)器的材料，宇宙航行設(shè)備的零件，隔熱材料和防射線材料，制造固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管喉襯等，用于生產(chǎn)航空電刷，以及航天器上的直流電機(jī)以及宇航設(shè)備零件、人造衛(wèi)星上無線電連接信號(hào)和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)材料；在國防工業(yè)方面，可用于制造新型潛艇的軸承，生產(chǎn)國防用高純石墨、石墨炸彈、隱形飛機(jī)和導(dǎo)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(yùn)行，并有極大的氣象影響作用，可用于軍事目的。
6 機(jī)械工業(yè)
石墨廣泛用于生產(chǎn)汽車剎車襯里等部件以及機(jī)械工業(yè)耐高溫的潤(rùn)滑劑；石墨在加工成膠體石墨和氟化石墨后，在機(jī)械工業(yè)中如飛機(jī)、輪船、火車、汽車等高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械中，常用作固體潤(rùn)滑劑。
7 石墨產(chǎn)品及用途
（1）鎂碳磚
在冶金工業(yè)中，鱗片石墨被大量的用在生產(chǎn)石墨坩堝和鎂碳磚。
鎂碳磚對(duì)石墨的質(zhì)量指標(biāo)要求一般包括粒度（目）、固定碳、灰分、揮發(fā)份、水分。高質(zhì)量的耐火磚趨向于使用含碳量高和性能優(yōu)于土狀石墨的鱗片石墨，含碳量為90%～ 97％的中碳和高碳產(chǎn)品，粒度﹣80～+200目。發(fā)展趨勢(shì)是使用更細(xì)的粒度級(jí)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(qiáng)度和抗氧化能力。
（2）石墨坩堝
石墨坩堝在冶金工業(yè)上的應(yīng)用有著較長(zhǎng)的歷史，是采用天然大鱗片石墨和優(yōu)質(zhì)碳化硅為原料，以黏土或炭質(zhì)為結(jié)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(dá)到高純度，如科技部“新材料及新材料產(chǎn)業(yè)界定標(biāo)準(zhǔn)”（討論稿）中，高純石墨材料對(duì)天然石墨材料而言，鱗片石墨為C≥99.9%。某些特殊領(lǐng)域如用于核能、半導(dǎo)體等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)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(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐低溫，耐腐蝕，耐輻射，導(dǎo)電，導(dǎo)熱，安全無毒，且具有良好的柔韌性、自粘性和潤(rùn)滑性，目前已廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等領(lǐng)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(chǎn)品少，品牌效益差，不同企業(yè)產(chǎn)品良莠不齊。發(fā)達(dá)國家對(duì)不同用途的柔性石墨有不同的品牌、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如通用級(jí)、 核能級(jí)、緩蝕級(jí)、高純級(jí)等。而國產(chǎn)材料缺乏明確的質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這與市場(chǎng)研究不夠有關(guān)。
（5）可膨脹石墨
小顆粒的可膨脹石墨用于生產(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)電、電磁屏蔽、抗靜電、鍛造、鑄造、拉絲、潤(rùn)滑、仿佛、密封、絲網(wǎng)印刷線路、彩色顯示器制造等領(lǐng)域。
（7）鋰離子電池負(fù)極材料
鋰離子電池的負(fù)極材料目前成熟應(yīng)用的主要是碳石墨材料，其他負(fù)極材料基本還處于實(shí)驗(yàn)室階段，近期不可能大規(guī)模使用。
天然鱗片石墨要作為鋰離子電池的負(fù)極材料，要經(jīng)過顆粒球化及表面包覆處理。球化技術(shù)主要是利用專門的粉碎整形設(shè)備，使不規(guī)則的石墨微粒通過氣流沖擊下的相互碰撞，發(fā)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(shí)容易達(dá)到取向均勻，從而提高材料性能。表面包覆 技術(shù)主要針對(duì)天然石墨顆粒表面活性點(diǎn)較多，易與電解液發(fā)生副反應(yīng)的缺點(diǎn)，在石墨微粒表面覆蓋很薄的一層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的無定形碳，從而達(dá)到提高穩(wěn)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(chǎn)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(xì)結(jié)構(gòu)和超細(xì)結(jié)構(gòu)石墨，產(chǎn)品為塊體狀的人工石墨制品。其產(chǎn)品主要為：高溫氣冷堆用石墨反射塊、高溫氣冷堆球狀反應(yīng)堆用石墨球、核級(jí)石墨墊片、高溫氣冷堆用電極石墨粉。
（9）高導(dǎo)熱石墨材料
高功率密度電子器件和高端電子工業(yè)器件等逐漸小型化、結(jié)構(gòu)緊湊化、高功率密度化引發(fā)了散熱問題對(duì)器件的工作穩(wěn)定性和可靠性提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，從而對(duì)其運(yùn)行過程中 產(chǎn)生的熱量強(qiáng)化導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)（237W/m·K）的局限性，已很難滿足要求，且該類材料質(zhì)量較重、熱膨脹系數(shù)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(fā)導(dǎo)熱率高、輕質(zhì)和良好的熱穩(wěn)定性的新型材料 對(duì)于實(shí)現(xiàn)部件的小型化、裝置輕量化和運(yùn)行高效化具有重 要的意義。
高導(dǎo)熱石墨材料的研發(fā)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(zhì)量輕（僅為傳統(tǒng)金屬導(dǎo)熱材料的1/2~1/5），導(dǎo)熱率高，耐腐蝕，熱膨脹 系數(shù)小，在前述需散熱的器件上取代傳統(tǒng)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(shí)用于我國的高端電子器件設(shè)備，亦可高效散熱、使用安全、壽命長(zhǎng)（主要是其抗腐蝕和氧化能力強(qiáng)）。
（10）鑄造工業(yè)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(duì)石墨原料的要求一般粒度74μm，含碳量為70%～80％。
（11）電氣工業(yè)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(dòng)力電池等。對(duì)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(xì)粉體材料，主要生產(chǎn)和消費(fèi)國是發(fā)達(dá)國家，如：日本、美國、俄羅斯、法國、德國。主要用途：固體潤(rùn)滑劑、氟化玻璃脫模劑、高能電池材料、氟石墨纖維材料、計(jì)算機(jī)與集成電路存儲(chǔ)器材料。
石墨資源的保護(hù)
據(jù)USGS2013年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前探明的全球天然石墨儲(chǔ)量約為7100萬噸，其中中國儲(chǔ)量約為5500萬噸，占全球儲(chǔ)量的77%，居世界首位。歐盟委員會(huì)在分析41種礦產(chǎn)資源 對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響和供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，將石墨列為14種“對(duì)歐盟生死攸關(guān)的原料”之一。 然而，同樣占全球儲(chǔ)量的70%以上，同樣是國家戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源，石墨卻并不如稀土那樣受到重視。我國石墨產(chǎn)業(yè)并不理想，長(zhǎng)期處于產(chǎn)業(yè)鏈條中的原料供應(yīng)者。石墨對(duì)于工業(yè)發(fā)展的重要意義，比稀土有過之而無不及。國家層面應(yīng)該更多地關(guān)注這一產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。石墨由于其特殊的結(jié)構(gòu)，一直是軍工與現(xiàn)代工業(yè)及高、新、尖技術(shù)發(fā)展中不可或缺的重要戰(zhàn)略資源，石墨應(yīng)用范圍廣泛。
根據(jù)我國海關(guān)公布的數(shù)據(jù)，2010年，我國石墨出口量約為58.55萬噸，進(jìn)口量為7.6萬噸。這樣的進(jìn)出口格局已經(jīng)持續(xù)了近30年。黑龍江省的一份分析報(bào)告顯示：我國目前 約有近千家石墨企業(yè)，石墨資源濫采亂掘、采富棄貧、粗放經(jīng)營(yíng)、管理水平低的現(xiàn)象比較普遍，開采和加工呈現(xiàn)無序化狀態(tài)。如果按照目前的開采方式和速度，最多20年，國內(nèi)已探明的石墨資源將消耗殆盡，屆時(shí)中國將從國外高價(jià)進(jìn)口石墨，由石墨大國變成石墨貧國。
與此同時(shí)，更多的亂象也發(fā)生在銷售領(lǐng)域，由于大多為原料銷售，市場(chǎng)秩序混亂相互競(jìng)價(jià)成為常態(tài)，致使資源低價(jià)流失海外。要確保石墨行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，還需要國家借 鑒稀土資源管控模式，從全國范圍內(nèi)調(diào)控石墨產(chǎn)能，鼓勵(lì)科技研發(fā)，統(tǒng)籌規(guī)劃石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展。相關(guān)部門應(yīng)加大對(duì)石墨產(chǎn)業(yè)扶持、統(tǒng)籌規(guī)劃石墨產(chǎn)業(yè)，保護(hù)性開發(fā)石墨資源是當(dāng)務(wù)之急。
結(jié)束語
天然石墨將是未來的稀土，它會(huì)伴隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，與我們的生活息息相關(guān)。尤其是2010年石墨烯的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它的發(fā)展與應(yīng)用必將掀起 又一次的工業(yè)革命。所以，21世紀(jì)將是石墨的世紀(jì)。
來源:西部資源 作者：袁 杰 李振興
