1、石墨與石墨烯一、石墨1、石墨的用途石墨是碳元素的結(jié)晶礦物之一，具有潤滑性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫、導(dǎo)電、特殊的導(dǎo)熱性和可塑性、涂敷性等優(yōu)良性能，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。石墨在冶金工業(yè)中主要用作耐火材料；在鑄造業(yè)中用作鑄模和防銹涂料；在電氣工業(yè)中用于生產(chǎn)碳素電極、電極碳棒、電池，制成的石墨乳可用作電視機顯像管涂料，制成的碳素制品可用于發(fā)電機、電動機、通訊器材等諸多方面；在機械工業(yè)中用作飛機、輪船、火車等高速運轉(zhuǎn)機械的潤滑劑；在化學(xué)工業(yè)中用于制造各種抗腐蝕器皿和設(shè)備；在核工業(yè)中用作原子反應(yīng)堆中的中子減速劑和防護材料等；在航天工業(yè)中可做火箭發(fā)動機尾噴管喉襯，火箭、導(dǎo)彈的隔熱、耐熱材料以及人造衛(wèi)星上的無線電連

2、接信號和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)材料。此外，石墨還是輕工業(yè)中玻璃和造紙的磨光劑和防銹劑，制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石的原料。2、石墨的分類結(jié)晶形態(tài)不同的石墨礦物，具有不同的工業(yè)價值和用途。工業(yè)上，根據(jù)結(jié)晶形態(tài)不同，將天然石墨分為三類。（1）致密結(jié)晶狀石墨致密結(jié)晶狀石墨又叫塊狀石墨。此類石墨結(jié)晶明顯晶體肉眼可見。晶體排列雜亂無章，呈致密塊狀構(gòu)造。這種：石墨的特點是品位很高，一般含碳量為6065，有時達(dá)8098，但其可塑性和滑膩性不如鱗片石墨好。（2）鱗片狀石墨石墨晶體呈鱗片狀，這是在高強度的壓力下變質(zhì)而成的，有大鱗片和細(xì)鱗片之分。此類石墨礦石的特點是品位不高，但它是自然界中可浮性最好的礦石之一，經(jīng)過多

3、磨多選可得高品位石墨精礦。這類石墨的可浮性、潤滑性、可塑性均比其他類型石墨優(yōu)越；因此它的工業(yè)價值最大。（3）隱晶質(zhì)石墨隱晶質(zhì)石墨又稱非晶質(zhì)石墨或土狀石墨，是微晶石墨的集合體，此類石墨的特點是表面呈土狀，缺乏光澤，潤滑性也差。品位較高，一般的6080，但礦石的可選性差。3、石墨資源量和產(chǎn)量晶質(zhì)石墨礦主要蘊藏在中國、烏克蘭、斯里蘭卡、馬達(dá)加斯加、巴西等國，其中馬達(dá)加斯加盛產(chǎn)大鱗片石墨，斯里蘭卡盛產(chǎn)高品位的致密塊狀石墨；隱晶質(zhì)石墨礦主要分布于印度、韓國、墨西哥和奧地利等國。多數(shù)國家只產(chǎn)一種石墨，礦床規(guī)模以中、小型居多，只有中國等四五個國家晶質(zhì)和隱晶質(zhì)石墨都有產(chǎn)出，大型礦床較多。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界石墨

4、儲量約為15億t，其中晶質(zhì)石墨約5億t。中國的石墨儲量居世界第1位，全國已探明石墨儲量2.25億噸，其中晶質(zhì)石墨1.77億噸。據(jù)有關(guān)資料綜合估計，中國晶質(zhì)石墨礦物資源量可達(dá)三四億噸，隱晶質(zhì)石墨礦石資源量近億噸，總資源量近四五億噸。2013年全球天然石墨產(chǎn)量為119萬噸，其中中國生產(chǎn)81萬噸，占全球產(chǎn)量的68%。二、石墨烯石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維晶體，是石墨中的單層薄片晶體。它是人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。2010年10月5日，英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫因在石墨烯（graphene）研究方面的杰出成就而榮獲2010年諾

5、貝爾物理學(xué)獎。1、石墨烯的特性石墨烯是目前已知的最薄的一種材料，單層的石墨烯只有一個碳原子的厚度，這種厚度的石墨烯擁有了許多石墨所不具備的特性。 （1）導(dǎo)電性極強：石墨烯中的電子沒有質(zhì)量，電子的運動速度超過了在其他金屬單體或是半導(dǎo)體中的運動速度，能夠達(dá)到光速的 1/300，正因如此，石墨烯擁有超強的導(dǎo)電性。 （2）超高強度：石墨是礦物質(zhì)中最軟的，其莫氏硬度只有 1-2級，但被分離成一個碳原子厚度的石墨烯后，性能則發(fā)生突變，其硬度將比莫氏硬度10級的金剛石還高，卻又擁有很好的韌性，且可以彎曲。 （3）超大比表面積：由于石墨烯的厚度只有一個碳原子厚，即 0.335納米，所以石墨烯擁有超大的比表面積

6、，理想的單層石墨烯的比表面積能夠達(dá)到 2630 m2/g，而普通的活性炭的比表面積為 1500 m2/g，超大的比表面積使得石墨烯成為潛力巨大的儲能材料。2、石墨烯的應(yīng)用(1)代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品硅讓我們邁入了數(shù)字化時代,但研究人員仍然渴望找到一些新材料,讓集成電路更小、更快、更便宜。石墨烯擁有比硅更高的載流子遷移率，是一種性能非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，電子在石墨烯中的運行速度能夠達(dá)到光速的 1/300，而且只會產(chǎn)生很少的熱量。全球半導(dǎo)體晶硅的市場發(fā)展穩(wěn)定，根據(jù) IEK的預(yù)測，石墨烯可替代晶硅應(yīng)用在芯片領(lǐng)域，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成電路，市場容量至少在5000億元以上。(2)石墨烯鋰

7、離子電池開啟儲能技術(shù)新紀(jì)元鉛酸電池具有技術(shù)成熟、價格較低等優(yōu)點，但是存在嚴(yán)重鉛污染，將被更先進(jìn)的產(chǎn)品替代。鎳氫電池具有可大電流快速充放電、耐過充過放、低溫性能好等優(yōu)點，但能量密度較低使其不能用于純電動車。鋰離子電池能量密度大，循環(huán)壽命長，是目前在消費電子領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電池，但是其功率密度還不夠大，電池滿充時間需要幾個小時，在純電動車領(lǐng)域的應(yīng)用碰到了充電難題。超級電容器功率密度高而能量密度低，無法滿足續(xù)航要求，不能單獨用于電動車或其他儲能設(shè)備。石墨烯鋰離子電池解決了“魚和熊掌不可兼得”的難題，同時滿足了能量密度和功率密度要求，開啟了儲能技術(shù)新紀(jì)元。 石墨烯鋰離子電池可在幾分鐘內(nèi)滿充，將加快電動

8、汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前的電動汽車，因為充電時間長達(dá)幾個小時，在市場推廣過程中遇到了充電站配套建設(shè)成本高和普通消費者對其接受度較低的問題。石墨烯鋰離子電池能夠大幅提升鋰離子電池性能，未來將在負(fù)極材料領(lǐng)域有廣闊的市場前景。根據(jù) IEK的預(yù)測，石墨烯作為負(fù)極材料應(yīng)用在十分之一的鋰離子電池中，其需求量在2500噸以上。更重要的是一分鐘充電技術(shù)，鋰離子可再石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出一種新型儲能設(shè)備石墨烯電池。它的功率密度比鋰電池高100倍，能量儲存密度比傳統(tǒng)超級電容高30倍。未來有 1%的鋰離子電池由使用石墨烯負(fù)極材料的需求，那每年對于石墨烯的需求就在 250噸以上。（3）石墨烯促

9、進(jìn)超級電容器發(fā)展超級電容器是靠極化電解液來存儲電能的新型電化學(xué)裝置。它是近十幾年隨著材料科學(xué)的突破而出現(xiàn)的新型功率型儲能元件，其批量生產(chǎn)不過幾年時間。超級電容器自面市以來，全球需求量快速擴大，已成為化學(xué)電源領(lǐng)域內(nèi)新的產(chǎn)業(yè)亮點。超級電容器在電動汽車、混合燃料汽車、特殊載重汽車、電力、鐵路、通信、國防、消費性電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值和市場潛力，被世界各國所廣泛關(guān)注。由于石墨烯具有極高的理論比表面積，結(jié)構(gòu)上屬于獨立存在的單層石墨晶體材料，故石墨烯片層的兩邊均可以負(fù)極電荷形成雙電層。且石墨烯片層所特有的褶皺以及疊加效果，可以形成的納米孔道和納米空穴，有利于電解液的擴散，因此石墨烯基的超級電

10、容器具有良好的功率特性。（4）替代ITO有極大的前景目前的顯示器和觸摸屏等器件中的導(dǎo)體材料，主要是使用的氧化銦錫 ITO材料。但氧化銦錫的價格高、用量大、易碎、有毒性(與鉛的毒性可比)，而石墨烯由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)而有非常高的導(dǎo)電性，而且石墨烯幾乎完全透明；這兩種性質(zhì)使得石墨烯本身就是一種性能非常好的透明導(dǎo)體材料，適合用于制作顯示器件。石墨烯的另一個特性是具有高韌性，能夠拉伸 20%而不斷裂。使用石墨烯作為導(dǎo)體材料，能夠制成可以折疊、伸縮的顯示器件。而且石墨烯觸摸屏合成對環(huán)境無害，需要資源少，并且隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，生產(chǎn)成本有望大大低于傳統(tǒng)氧化銦錫觸摸屏石墨烯。（5）石墨烯材料添加劑目前也

11、有機構(gòu)將石墨烯添加到水泥、油漆、涂料、塑料、陶瓷、光伏玻璃、電纜等材料中，可以改善性能和增加強度。3、石墨烯的研發(fā)和應(yīng)用（1）石墨烯目前還處在研發(fā)階段，各國對于這個新興材料還處于一個專利布局期，尚還沒有出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的動向，規(guī)?；?yīng)和需求均沒有形成，預(yù)計短期還無法形成產(chǎn)業(yè)化。（2）制備石墨烯的技術(shù)工藝不成熟，目前主要的制備方法有微機械剝離法（諾貝爾獎獲得者就是用膠帶粘貼石墨晶片剝離石墨烯的）、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法；其中氧化石墨還原法由于制備成本相對較低，是目前主要制備方法。從上市公司發(fā)布的相關(guān)石墨烯的公告中并沒有一家公司成功量產(chǎn)石墨烯,除了科研院校的實驗使用外，企業(yè)也多數(shù)是處于小試或者中試階段，并沒有形成規(guī)模性產(chǎn)業(yè)發(fā)展。還沒有達(dá)到一致性的品質(zhì)，而且成品面積都非常小，不能