陳 鵬

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心青?？傟?，青海 西寧 810000）

【開發(fā)利用】

我國石墨資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及應(yīng)用研究

陳 鵬

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心青?？傟牐嗪?西寧 810000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增加，我國對非金屬礦資源的需求量越來越大。作為非金屬礦中非常重要的資源，石墨資源的應(yīng)用日益廣泛。與世界其他各國相比，我國的石墨資源儲量相對豐富，是石墨儲量大國，全球?qū)⒔?3%的石墨資源都在我國，因此在我國石墨資源的開發(fā)利用工作非常重要。但是，當(dāng)前我國在開發(fā)利用石墨資源的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)出口資源的價格比較低，而進(jìn)口加工產(chǎn)品價格比較高的情況，因此有必要對其進(jìn)行研究。

石墨資源；開發(fā)利用；現(xiàn)狀；應(yīng)用

我國是石墨資源儲量大國，石墨在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。本文主要對我國石墨資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)行了研究，從我國石墨資源的相關(guān)概述、開發(fā)利用現(xiàn)狀、應(yīng)用研究以及合理開發(fā)利用的具體措施這四方面進(jìn)行了具體的闡述。

1 我國石墨資源的相關(guān)概述

石墨是煤或碳質(zhì)巖石(或沉積物)受到區(qū)域變質(zhì)作用或巖漿侵入作用形成的一種礦物，顏色由鐵黑到鋼鐵灰，觸感油膩，呈鱗片狀或星點(diǎn)狀散布在變質(zhì)巖中。化學(xué)性質(zhì)不活潑，具有耐腐蝕性。

截至2016年12月，我國石墨查明資源儲量達(dá)到2.6億t，預(yù)測資源潛力18.7億t。其中儲量最多的地區(qū)是黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，四川省、山西省和山東省次之。作為民用和戰(zhàn)略性的重要資源，石墨在導(dǎo)電材料、潤滑劑、耐高溫密封材料、吸附材料以及防輻射材料等很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，石墨的作用巨大，為我國冶金工業(yè)、石油化工產(chǎn)業(yè)、機(jī)械工業(yè)、電子產(chǎn)業(yè)、核工業(yè)及國防發(fā)展做出了非常重要的貢獻(xiàn)。

2 我國石墨資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

2.1 儲量及分布

根據(jù)石墨結(jié)晶形式的不同將石墨分為晶質(zhì)石墨(致密結(jié)晶狀石墨、鱗片石墨)和隱晶質(zhì)石墨。我國的石墨資源占全球的33%，僅次于巴西，位居世界第二位。晶質(zhì)石墨查明資源儲量達(dá)到26 452.9萬t，其中基礎(chǔ)儲量5 516.4萬t、儲量1 009.4萬t。隱晶質(zhì)石墨查明資源儲量達(dá)到3 458.1萬t，其中基礎(chǔ)儲量807.4萬t、儲量531.8萬t。

2.1.1 晶質(zhì)石墨

目前我國晶質(zhì)石墨儲量最為豐富的是黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，其中黑龍江省查明石墨資源儲量占全國的46.9%，內(nèi)蒙古自治區(qū)占全國的19.26%，其次為四川省占全國的7.92%，山西省占全國的7.40%，山東省占全國的6.09%，河南省占全國的3.36%，其他地區(qū)占全國的9.08%。

2.1.2 隱晶質(zhì)石墨

隱晶質(zhì)石墨儲量最為豐富的是湖南省占全國的74.7%，其次是吉林省占全國的11.0%，廣東省占全國的8%和陜西省占全國的5%。

2.2 開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀

在全球，我國石墨儲量位居第二，但主要以生產(chǎn)低檔產(chǎn)品為主，高端石墨制品品種少、產(chǎn)量低。開采出的晶質(zhì)石墨資源主要應(yīng)用于：鋼鐵工業(yè)和耐火材料約占42%，導(dǎo)電材料、電池和電機(jī)約占23%，潤滑劑、化工、汽車制造、密封材料約占22%，軍工、原子能、航天科工等約占7%，鉛筆等約占6%。隱晶質(zhì)石墨產(chǎn)量約50%以煤的形式用作燃料，對自然資源造成了極大浪費(fèi)。此外，我國是全球最大石墨出口國，近幾年出口量超過了25萬t，占全球總出口量的75%以上。一直以來我國的石墨產(chǎn)業(yè)都受到了產(chǎn)能過剩問題的影響，使得石墨出口價格保持在925美元/t，但經(jīng)國外加工提純再進(jìn)口至中國，價格便增長了約11倍成為10 135美元/t。

近幾年我國才開始大力整治石墨行業(yè)，重組整合小型石墨礦。組建大規(guī)模的石墨礦產(chǎn)開發(fā)工作，極大地提高了石墨資源的利用率，加大投資力度和科研力度，極大地提高了石墨礦產(chǎn)資源的產(chǎn)品附加值，使得我國的石墨資源開始向著高端應(yīng)用產(chǎn)品方面發(fā)展。

2.3 我國石墨行業(yè)發(fā)展過程中存在的問題

早在20世紀(jì)初期，我國就已經(jīng)開始開采使用石墨資源了，但由于受到社會體制、市場環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致我國的石墨行業(yè)發(fā)展不利，同時石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中存在著諸多問題。

(1) 我國未對石墨礦加大投入，未對國內(nèi)石墨行業(yè)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，更沒有重視石墨的地質(zhì)找礦工作。

(2) 政府未對國內(nèi)石墨資源加強(qiáng)開發(fā)利用和綜合研究，使得石墨產(chǎn)品的附加值低。

(3) 石墨的礦業(yè)權(quán)設(shè)置方案編制未規(guī)范化，且政府對在非石墨開采區(qū)非法開采石墨行為的打擊力度不夠。

3 我國石墨資源的應(yīng)用研究

我國的石墨資源豐富、分布廣泛，但很多都是中小型礦產(chǎn)，出現(xiàn)了很多的私人石墨小礦，石墨礦產(chǎn)品附加值極低。我國經(jīng)過多年的努力，國家投入了大量的資金與科技人員，經(jīng)過礦產(chǎn)企業(yè)的重組以及石墨利用水平的不斷提高，我國的石墨資源得到了更加有效的利用，如今我國已經(jīng)研發(fā)出了高純石墨、等靜壓石墨、膨脹石墨、氟化石墨、膠體石墨、石墨烯等多種高性能石墨產(chǎn)品。

3.1 高純石墨

高純石墨(含碳量＞99.99%)因其具有鱗片結(jié)晶完整、片薄、良好的導(dǎo)熱性能、耐高溫和抗腐蝕等特點(diǎn)被應(yīng)用于軍事工業(yè)火工材料安定劑、冶金工業(yè)高級耐火材料和化肥工業(yè)催化劑、添加劑等。

3.2 等靜壓石墨

等靜壓石墨由高純石墨壓制而成，它具有熱膨脹系數(shù)低、耐熱性好、耐化學(xué)腐蝕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能良好等特點(diǎn)。等靜壓石墨是國際上近50年發(fā)展起來的新產(chǎn)品，不僅在民用上大有作為，在國防尖端上也占有重要地位，屬新型材料，令人矚目。主要應(yīng)用于以下幾方面。

(1) 多晶硅鑄錠爐用加熱器。

近年來隨著全球氣候變暖，人類對地球的保護(hù)意識逐漸增強(qiáng)，有越來越多的人開始青睞不排放二氧化碳的自然能源。在這種大趨勢下，太陽能電池便成為了新時代的“寵兒”。在制造其過程中用到的鑄錠爐加熱器便需要用等靜壓石墨來制作。

(2) 高溫氣冷堆(核裂變堆)。

由于高溫氣冷堆中用作慢化劑的石墨必須具有輻照蠕變及對變形所產(chǎn)生的輻照應(yīng)力有很強(qiáng)的耐受力，便提出了模塊化高溫氣冷堆。當(dāng)代新型超高溫核反應(yīng)堆，具有高功率密度、高溫等特點(diǎn)，這對新一代石墨材料提出了更高的要求：物美價廉、超高的輻照損傷耐受力、產(chǎn)品均質(zhì)化等。

(3) 核聚變反應(yīng)堆。

石墨由于自身特殊的性質(zhì)使得其在核聚變反應(yīng)堆中也具有重要的作用。它能夠在很大程度上減少材料等離子體中的金屬雜質(zhì)，因此對材料等離子體提高能量約束發(fā)揮了巨大作用。隨著核聚變裝置逐漸大型化，導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高的石墨材料脫穎而出被用作面對等離子體的第一壁材料，且其在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出了良好的放電脈沖效果。此外，因石墨具有原子序數(shù)低，引起的輻照損失小等特性，即便混入等離子體中，也能使高溫等離子體保持穩(wěn)定。

(4) 放電加工電極。

石墨電極在放電加工用電極中表現(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn)：①質(zhì)量較同類電極較輕，易搬運(yùn)；②易加工；③切削加工中不易產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致變形；④極高溫度下，因熱膨脹系數(shù)小，故石墨電極很少因放電加工產(chǎn)生的熱量而變形。但石墨電極也存在一些缺點(diǎn)，如切削加工時易產(chǎn)生粉塵、易損耗等。

3.3 可膨脹石墨

可膨脹石墨選用優(yōu)質(zhì)天然鱗片石墨，經(jīng)酸性氧化劑(硫酸、硝酸與雙氧水，高錳酸鉀)處理后的層間化合物，亦稱酸化石墨。膨脹石墨具有耐高溫、耐高壓、密封性好和耐多種介質(zhì)腐蝕等眾多優(yōu)點(diǎn)，是目前新型的高級密封材料。其主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域。

(1) 環(huán)保領(lǐng)域。

膨脹石墨具有的親油性和疏水性可以使其在水中有選擇性地去除非水性溶液，這一特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于海面除去浮油，又因其分子結(jié)構(gòu)上的特殊性質(zhì)，表現(xiàn)出吸附大量油后可集結(jié)成塊，浮在海面，并可再生處理，循環(huán)使用，不會造成二次污染的特點(diǎn)。

膨脹石墨除了可在液相中進(jìn)行選擇性吸附以外，對大氣污染也具有抑制作用，如吸附二氧化碳?xì)怏w等。

(2) 密封材料。

膨脹石墨可處理成柔性石墨(熱膨脹系數(shù)小，在低溫下不發(fā)脆、不炸裂，在高溫下不軟化、不蠕變)作為密封材料使用，因而被冠以“密封王”的美譽(yù)。

3.4 氟化石墨

氟化石墨是現(xiàn)今國際上高科技、高性能、高效益的新型炭、石墨材料研究熱點(diǎn)之一，其性能卓越、品質(zhì)獨(dú)特，廣泛應(yīng)用于功能材料。

(1) 用作脫模劑。

氟化石墨具有低表面能的特性，主要應(yīng)用于粉末成型、模鑄、膠合板成型等金屬模的脫模劑。

(2) 固體潤滑劑。

(3) 電池原料。

由氟—鋰組成的電池雖然具有高能量，但因氟氣有毒，且以氟作為陽極活性物質(zhì)難度極大。但氟化石墨在有機(jī)電解質(zhì)中具有極好的電化學(xué)性質(zhì)，所以被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、鐘表、照相機(jī)的集成電路存儲器上。

3.5 膠體石墨

膠體石墨主要具有：①潤滑性。在一些摩擦強(qiáng)度大的機(jī)械中涂抹膠體石墨，會在摩擦機(jī)械表面形成潤滑薄膜，從而降低摩擦阻力和摩擦產(chǎn)生的溫度，避免機(jī)械出現(xiàn)燒壞、卡死，延長工作壽命；②隔熱性。因膠體石墨膜面垂直方向具有隔熱作用，所以在熱蒸汽汽缸和透平螺旋槳方面應(yīng)用廣泛；③成膜均勻，且具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在電子工業(yè)中用于防止反光，抑制電子二次反射，消除靜電。

3.6 石墨烯

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料，是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最高、韌性最強(qiáng)的納米材料。

由于其特殊的原子排列結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的特性，使其得到了廣泛應(yīng)用。

(1) 根據(jù)石墨烯超薄(單層石墨烯幾乎透明，其分子排列緊密，即使最小的氦原子也無法通過)，強(qiáng)度超大的特性，可用于制造超輕防彈衣、超薄超輕型飛機(jī)等。

多媒體教室承載著不同學(xué)科、不同種類的教學(xué)任務(wù)，使用頻率相對較高，使用人員也相對不固定。大多數(shù)教學(xué)人員需要通過U盤、移動硬盤等存儲介質(zhì)將課件拷貝到PC機(jī)中，隨之大量病毒通過移動存儲介質(zhì)被攜帶進(jìn)入，導(dǎo)致系統(tǒng)遭到病毒威脅出現(xiàn)變慢或者死機(jī)的情況。同時，由于病毒傳播擴(kuò)散能力強(qiáng)的特點(diǎn)，會使病毒在各多媒體教室間進(jìn)行“交叉感染”，從而導(dǎo)致設(shè)備問題的集體爆發(fā)。

(2) 因其導(dǎo)電電子不僅能在晶格中無障礙的移動，而且速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動速度這一特性，被制作成石墨烯導(dǎo)電劑。

(3) 其導(dǎo)熱性超過現(xiàn)有一切已知物質(zhì)，加之其導(dǎo)電電子的快速移動使其在將來曲面手機(jī)、光子傳感器及超級計算機(jī)中代替硅得到研究與應(yīng)用。

(4) 其他應(yīng)用：科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無法生長，而人類細(xì)胞卻不會受損。利用這一點(diǎn)；石墨烯可以用來作繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤。

4 我國石墨資源合理開發(fā)利用的具體措施

(1) 設(shè)置合理的開采規(guī)模。

石墨資源屬于非可再生的礦產(chǎn)資源，因此一定要合理開發(fā)和利用，要做好石墨資源開采規(guī)模的規(guī)劃和改進(jìn)工作，要有針對性地進(jìn)行開采，并采取保護(hù)性措施，同時要對石墨資源的儲采比進(jìn)行研究，通過明確合理的儲采比來進(jìn)行適度開發(fā)，切勿過度開發(fā)，應(yīng)當(dāng)從長遠(yuǎn)利益的角度出發(fā)，保證石墨資源的合理開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)石墨工業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

(2) 充分利用市場手段來實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

為了實(shí)現(xiàn)資源配置的最優(yōu)，通常主要靠市場通過競爭和價格機(jī)制以及供求定律來實(shí)現(xiàn)，這樣石墨資源就會進(jìn)行自動流動，從相對差的企業(yè)向較好的企業(yè)流動。如果政府干預(yù)過多，那么就會產(chǎn)生不良后果。為了使市場機(jī)制作用充分發(fā)揮，防止其失靈，政府可以適當(dāng)制定干預(yù)，通過制定切實(shí)可行的產(chǎn)業(yè)政策和競爭規(guī)則等來創(chuàng)造良好的市場競爭環(huán)境，從而保證石墨市場的健康穩(wěn)定發(fā)展。

(3) 加大對石墨開發(fā)技術(shù)資金的支持。

在石墨資源的開發(fā)利用過程中，先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)是其重要保障。因此，今后可以設(shè)立專項基金來鼓勵新技術(shù)的研發(fā)，力爭在石墨提純新技術(shù)方面有所突破，實(shí)現(xiàn)石墨資源的充分合理利用，同時提高其綜合回收率。此外，政府還要加大對基礎(chǔ)性技術(shù)的研究，對那些風(fēng)險較大、費(fèi)用高而且效益低的技術(shù)加大資金支持，通過政府和企業(yè)的共同努力來實(shí)現(xiàn)石墨產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級，保證石墨工業(yè)的快速發(fā)展。

[1]張福良，殷騰飛，周楠，等.我國石墨資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及優(yōu)化路徑選擇[J].炭素技術(shù)，2013(6)：37-41.

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Present Situation and Application of Graphite Resources Development and Utilization in China

CHEN Peng
(Qinghai Branch of China Building Material Industry Geological Survey Center, Xining 810000, China)

With the rapid development of economy and the increasing of population, the growing demands for non-metallic mineral resources in our country. As a very important non-metallic mineral resource, the application of graphite resources is becoming more and more widely. Compared with other countries in the world, our country of graphite have relatively rich resources and graphite reserves is big country, nearly 33% of global graphite resources in our country, therefore in the graphite resources development and utilization of the work is very important in our country. But the current our country in the process of development and utilization of graphite resources, often appear export resources is lower, the price of import processing products and the price is quite high, so it is necessary to study.

graphite resources; development and utilization; present situation; application

P578.16

A

1007-9386(2017)01-0002-03

2016-12-15