材料百态

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地球上的碳元素分布非常广泛，既有分布在地壳表层的，也有存在于地壳深部甚至是地球内部更深处的地幔中。截至目前，自然界中已发现的由碳单质构成的物质有三种：第一种是价值斐然的钻石，第二种是与人们日常生活密切相关的石墨，第三种是尚存争议且人们知之甚少的卡宾碳。

石墨最早由德国矿物学家A.G.Werner于1789年命名。自然界中产出的石墨外观呈钢灰色或黑色，形状主要有鳞片状和土状，部分以块状形式产出。天然产出的石墨常包含二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁，以及黏土、沥青等杂质。

美国地质调查局最新发布的《世界矿产品概要2019》显示，全球范围内的石墨储量主要分布在土耳其、中国、巴西、莫桑比克、坦桑尼亚、印度、越南等国。其中，晶质石墨主要分布于中国、巴西、莫桑比克、乌克兰、马达加斯加等地，隐晶质石墨主要分布在土耳其、印度、墨西哥等地。

石墨属于不可再生资源，是我国的优势矿种。我国在2016年将晶质石墨列入国家战略性矿产目录。《中国矿产资源报告2019》显示，我国晶质石墨查明资源储量为4.37亿吨，主要分布在黑龙江、山东、内蒙古、吉林和湖南5个省（区）。我国已发现的石墨矿床总体上可分为三种类型：区域变质型，如黑龙江省鸡西市柳毛石墨矿、山东省青岛市莱西南墅石墨矿、内蒙古自治区乌兰察布市兴和石墨矿等；接触变质型，如湖南省郴州市鲁塘石墨矿、吉林省吉林市磐石烟筒山石墨矿等；岩浆热液型，如新疆维吾尔自治区昌吉苏吉泉石墨矿、巴音郭楞蒙古自治州尉犁县托克布拉克石墨矿等。

石墨用途广泛。由于具备良好的导电、导热、润滑、耐磨，以及耐高温、抗腐蚀、防辐射等诸多优良性能，石墨可用于制造多种产品，被广泛应用于国民经济的各个行业，可谓材料界的“百变星君”。在传统行业中，石墨可作为耐火砖、坩埚、增碳剂等，应用于耐火材料和钢铁工业。目前，由于洁净钢及超低碳钢的发展，以及节能降耗的要求，开发低碳耐火材料已成为必然趋势，石墨在炼钢领域的用量正逐步降低。

在新能源领域，石墨可作为锂离子电池的负极材料。负极材料对石墨性能要求较高，通常需要将石墨球形化以后，提纯到99.9%以上。在核能领域，天然石墨也发挥着重要作用。在球床式高温气冷堆的球形燃料元件中，天然石墨占据64%的比例。

石墨烯是近年来的热点新型碳材料。英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年首次发现了石墨烯，并因此荣获了2010年的诺贝尔物理学奖。我国目前已经实现以天然石墨为原料，通过氧化石墨还原法制备石墨烯粉体的工业化量产过程，并在防腐涂料、导热膜等领域有较好的应用效果。未来，石墨烯在新能源汽车、海洋工程、能源发展、高端装备、环境治理等领域的应用将进一步深入，有望成为各领域不可或缺的应用材料。（作者单位：中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所）

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