【举例】这些下游行业为什么对石墨原料提出这些要求？

【举例】这些下游行业为什么对石墨原料提出这些要求？ 12月12日粉体应用技术134

在高科技产业的发展中，由碳元素组成的石墨占有越来越重要的地位，涉及的产品种类极其丰富。在中国，石墨的消费领域第一是耐火材料（80%用于钢铁产业），第二是铸造业，第三是电池产业，它也是未来增长最快的领域。

根据研究，石墨晶体为六方晶系，呈片层状分布，碳原子以共价金属键相连，配位数为3，间距0.142 nm；层间以分子键相连，间距为0.340 nm。面网重复为2的是2H多型石墨，属六方晶系；当面网重复为3时，则是三方晶系的3R多型石墨。这样的结构特征使石墨具有一系列优异的物化特性，这些优异的物化特性使得石墨在工业生产中应用广泛。

石墨的晶体结构

不过石墨与其他原料不同的是，丰富的石墨下游产业对于石墨资源的特性要求有着极大的差异。但由于几百种产品应用对石墨原料的性质要求差异万千实在列举不完，因此今天就用三个例子简单说一说：

1、石墨化程度

要求高石墨化程度石墨的大头是新能源材料类石墨产业链，可分为锂离子电池、燃料电池、动力电池等重要原材料类。这里的高石墨化程度，主要是指人造石墨负极材料的聚硫橡胶要求。

人造石墨

目前在电池市场上，由于人造石墨在循环性能、安全性能、充放电倍率表现更为优秀，市占率在80%以上，广泛应用于大容量的车用动力电池和中高端消费锂电。它的生产工艺非常复杂，“石墨化”是生产制备的关键环节，是指非石墨质炭经高温热处理，转变成具有石墨三维规则有序结构的石墨质炭，高温需要2000℃以上。

石墨化最初起源于碳素制品行业，是生产石墨电极的必备工序。其作用是为了提高炭材料的热、电传导性，提高炭材料的抗热震性和化学稳定性，使炭材料具有润滑性和抗磨性，提高炭材料纯度。正是通过石墨化高温处理，人造石墨才能将炭结构成功转化为石墨结构而具备了锂电池负极的相应功能。

石墨化是高温下碳原子重排成石墨结构的过程

这一工序要求具备丰富的生产经验，而且成本非常高（电耗太大），在人造石墨负极制造成本中占55%，因此业界都在寻求降低成本的有效方式。目前主要有以下方式：

①从装炉方式改进：各负极企业逐步替代选用箱式炉，箱式炉较坩埚减少了40%-50%耗电量，环保友好，但工艺较难，所以目前仅少数头部企业具备稳定生产能力；

②从运行方式改进：连续石墨化或是革新方向，连续石墨化较间歇法优势在于产品一致性高且大幅度降低耗电量，缩短生产周期，缺点在于石墨化程度低，目前主要应用于低端动力领域，量产技术还需突破。

2、鳞片要求

目前，高档石墨密封类材料产业链会对石墨原料的鳞片程度提出要求，这些石墨密封材料多用于石油、化工、机械工业、汽车及轮船，能够防止机器和设备中气态或流态工作介质泄漏以及外界环境中的有害气体和灰尘等侵入其工作内部。主要产品有可膨胀石墨、柔性石墨以及相关的系列化制品。

石墨类密封材料之所以能获得广泛应用，主要是因为石墨具有下列特点：

①具有良好的自润滑性和低的摩擦系数；

②具有高的导热系数、低的线胀系数、较高的抗热震能力；

③具有良好的耐温性；

④具有优良的耐腐蚀性能。

要制作可膨滑轮胀石墨、柔性石墨等深加工材料，就需要以鳞片石墨为原料。其制备原理是：以天然鳞片石墨为原料，利用石墨的层状结构，在适当的反应条件下，使含氧酸根离子插层进入石墨层间形成具有新的层间性质且没有破坏石墨层状结构的石墨层间化合物（GIC）。经过高温热处理，石墨层间化合物内部的含氧酸根迅速汽化、分解、挥发，在石墨层与层之间产生巨大的张力，使可膨胀石墨急剧膨胀升压器呈蠕虫状。这种可膨胀石墨膨化后的蠕虫状石墨，称为膨胀石墨。通过辊压、模压等方式，使蠕虫状的膨胀石墨相互挤压，锁合，制得表面光滑的柔性石墨板材。

鳞片石墨SEM图

通过压制膨胀石墨制得的柔性石墨不仅没有天然石墨硬而脆的缺陷，还保留了石墨导电性、导热性强，耐酸碱腐蚀、防辐射性和润滑性优良等特性，而且具备了石墨所不具备的优良特性，如优良的可压缩回弹性、密封性、柔软性和可塑性。因此，在工业应用中，柔性石墨既可用作密封材料，凭借其优良的密封性能获得“密封王”的美誉，也凭借其优良的导电性能用于制备燃料电池的双极板。

柔性石墨产品

3、纯度要求

目前对石墨纯度有要求的行业中，冶金、耐火类产业的用量是最大的，且需求绣花机一直很稳定，主要应用如下：

①作耐火材料：石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚，在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂，冶金炉的内衬。

②作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料：由于石墨的热膨胀系数小，而且能耐急冷急热的变化，可作为玻璃器的铸模，使用石墨后黑色金属得到铸件尺寸精确，表面光洁成品率高，不经加工或稍作加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质合金等粉末冶金工艺，通常用石墨材料制成压模和烧结用的舟。单晶硅的晶体生长坩埚，区域精炼容器，支架夹具，感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的。此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉管，棒、板、格棚等元件。

为什么这些行业会对石墨的纯度做出要求呢？这里可以看一个石墨舟皿的例子。有业内人士曾提出，大多数石墨舟皿的工作寿命难以超过一个月，使用过程中容易发生断裂或表面毁损状况，严重影响使用厂家的生产稳定性，增加了生产成本。

其实石墨舟皿的毁损有两个因素的作用，一是石墨材料自身的缺陷。石墨材料在400度以上温度就容易被氧化，如果使用的石墨材料的纯度不高，结构中会存在着微小空隙，这些微孔的存在有利于氧气的吸附，从而加快氧化的速度，另外会降低材料本身的结构强度；二则是生产使用过程中的外力作用。

因此，要解决石墨舟皿易损的问题，重点就是采用高品质的石墨材料制作舟皿，品质越好，纯度越高，强度越好，抗氧化能力越强，舟皿使用寿命越长。

总结

当然，行业对石墨原料的品质要求绝不止以上三点，还有导热性、阻燃性、导电性、半导性、润滑性、核惰性、敏感性等等。随着科技创新的发展，满足下游领域对高性能、专业化石墨原材料制成品需求，已经成为石墨产业发展的重点。因此为了让石墨产业得到更高效的发展，业界应积极整理更多差异化的需求，挖掘石墨原材料潜在价值，向深加工的方向努力，做出更多专业级的产品。

资料来源：

王靖. 耐高温柔性石墨材料的制备及机理研究[D]. 湖北:武汉理工大学,2020.

沈毅,怀俊东,彭成龙,等. 我国石墨资源特征与差异化应用进展[J]. 矿产保护与利用,2020,40(2):171-178. DOI:10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2020.02.022.

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