石墨的化学式

中文名称：石墨

英文名称：graphite

定义：碳的一种同素异构体——六方晶系的晶体。它是铸铁内常出现的以及石墨化钢内含有的一种组织组分。

应用学科：机械工程（一级学科）；机械工程(2)_热处理（二级学科）；机械工程(2)一般热处理名词（三级学科）

石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成

共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物。它的

用途包括制造铅笔芯和润滑剂。碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”。

汉字“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。

石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为3.40Å，同一网层中碳原子的间

距为1．42Å。属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。

石墨与金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。

在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同

一个平面上形成了正六连连形的环，伸展成片层结构，这里C-C键的键长皆为142pm，这正好属于原子晶体的键长范围，因此

对于同一层来说，它是原子晶体。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠。电子比较自由，相当于金属中的

自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体特征。因此也归类于金属晶体。

石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。但是，由于同一

平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的溶点也很高，化学性质也稳定。

鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是单晶体或者是多晶体，现在普遍认为石墨是一种混合晶体。

成因和产状：石墨是在高温下形成。分布最广是石墨的变质矿床，系由富含有机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成

中国：山东省莱西市为我国石墨重要产地之一，石墨探明储量687.11万吨，现保有储量639.93万吨。另外吉林省磐石市

也是石墨产地之一，石墨储量500万吨。

世界：著名产地：纽约Ticonderoga，马达加斯加和Ceylon，我国以黑龙江鸡西市柳毛为最大的产地。

石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3～5。比重为1．9～

2．3。比表面积范围集中在1-20m2/g，在隔绝氧气条件下，其熔点在3000℃以上，是最耐温的矿物之一。它能导电、导热。

自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄

铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对石墨的分析，除测定固定碳含

量外，还必须同时测定挥发分和灰分的含量。

石墨的工艺特性主要决定于它的结晶形态。结晶形态不同的石墨矿物，具有不同的工业价值和用途。工业上，根据结晶形态不同，将

天然石墨分为三类。

1．致密结晶状石墨

致密结晶状石墨又叫块状石墨。此类石墨结晶明显晶体肉眼可见。颗粒直径大于0．1毫米，比表面积范围集中在

0.1-1m2/g，晶体排列杂乱无章，呈致密块状构造。这种：石墨的特点是品位很高，一般含碳量为60～65%，有时达80～98%，

但其可塑性和滑腻性不如鳞片石墨好。

2．鳞片石墨

石墨晶体呈鳞片状；这是在高强度的压力下变质而成的，有大鳞片和细鳞片之分。此类石墨矿石的特点是品位不高，一般

在2～3%，或10～25%之间。是自然界中可浮性最好的矿石之一，经过多磨多选可得高品位石墨精矿。这类石墨的可浮性、润

滑性、可塑性均比其他类型石墨优越；因此它的工业价值最大

3．隐晶质石墨

隐晶质石墨又称微晶石墨或土状石墨，这种石墨的晶体直径一般小于1微米，比表面积范围集中在1-5m2/g，是微晶石墨

的集合体，只有在电子显微镜下才能见到晶形。此类石墨的特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性比鳞片石墨稍差。品位较高。

一般的60～85%。少数高达90%以上。一般应用于铸造行业比较多。主要蕴藏在湖南郴州鲁塘。随这石墨提纯技术的提高。土

状石墨应用越来越广泛。

石墨在工业上运用极广，几乎每个行业都会用到。工业上多用的是人造石墨，也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下

几种。

1．等静压石墨。也就是很多人叫的三高石墨，但是并不是三高就是等静压。

2．模压石墨

3．挤压石墨，多为电极材料。

其中按石墨的颗粒度分，也可分为：细节构石墨、中粗石墨（一般的颗粒度在0.8mm左右）、还有就是电极石墨（2-4mm）。

石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：

1）耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很

小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。

2）导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高

而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个

碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。

3）润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

4）化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

5）可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

6）抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生

裂纹。

石墨

名字来源：源于希腊文“graphein”，意为“用来写”。由德国化学家和矿物学家于1789命名

化学组成：成分纯净者极少，往往含各种杂质

类别：自然元素-非金属元素-碳族

晶体特征

晶系和空间群：六方晶系，P63/mmm

晶胞参数：a0=0.246nm，c0=0.670nm

典型的层状结构，碳原子成层排列，每个碳与相邻的碳之间等距相连，每一层中的碳按六方环状排列，上下相邻层的碳六

方环通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构，位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构。上下两层的碳原子之

间距离比同一层内的碳之间的距离大得多（层内C-C间距=0.142nm，层间C-C间距=0.340nm）

形态：单晶体常呈片状或板状，但完整的很少见。集合体通常为鳞片状，块状和土状

颜色：铁黑色

条痕：光亮黑色

透明度：不透明

光泽：呈半金属光泽

硬度：1-2

解理和断口：平行解理极完全

比重：2.21-2.26g/cm3

比表面积：5-10m2/g

其他性质：薄片具挠性，有滑感，易污手，具有良好的导电性

鉴定特征铁黑色，硬度低，一组极完全解理，有滑感和染手；如果将硫酸铜溶液润湿的锌粒放在石墨上，则可析出金

属铜的斑点，在与石墨相似的辉钼矿上则无此反应。

金刚石的熔点是3823K,石墨的熔点是3773K。石墨熔点低于金刚石。

比较石墨和金刚石的熔点不能单纯地从键能的方面予以考虑，如果忽视掉熔化时断裂键的个数，那么得到的数据也不

可取。

主要用途

石墨

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．作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显

像管的涂层等。

3．作耐磨润滑材料：石墨在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用，而石墨耐磨

材料可以在200~2000℃温度中在很高的滑动速度下，不用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备，广泛采用石墨材料制成活

塞杯，密封圈和轴承，它们运转时勿需加入润滑油。石墨乳也是许多金属加工(拔丝、拉管)时的良好的润滑剂。

4．石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，就大量用于制作热交

换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、

合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。

5．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瓷舟。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。

6、用于原子能工业和国防工业：石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中，铀一石墨反应堆是目前应用较多的一种

原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。

作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个PPM。特别是其中硼含量应少于0.5PPM。在国防工业中

还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导弹的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。

7．石墨还能防止锅炉结垢，有关单位试验表明，在水中加入一定量的石墨粉(每吨水大约用4~5克)能防止锅炉表面结垢。

此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。

8．石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。石墨经过特殊加工以后，可以制作各种特殊材料用于有关工业部门。

9．电极：石墨何以能取代铜做为电极？

20世纪60年代，铜做为电极材料被广泛应用，使用率约占90%，石墨仅有10%左右；21世纪，越来越多的用户开始选择

石墨作为电极材料，在欧洲，超过90%以上的电极材料是石墨。铜，这种曾经占统治地位的电极材料，和石墨电极相比它的优

势几乎消失殆尽。是什么导致了这个戏剧性的变化？当然是石墨电极的诸多优势。

石墨

（1）加工速度更快：通常情况下，石墨的机械加工速度能比铜快2~5倍；而放电加工速度比铜快2~3倍

材料更不容易变形：在薄筋电极的加工上优势明显；铜的软化点在1000度左右，容易因受热而产生变形；石墨的升华温

度为3650度；热膨胀系数仅有铜的1/30。

（2）重量更轻：石墨的密度只有铜的1/5，大型电极进行放电加工时，能有效降低机床（EDM）的负担；更适合于在大型

模具上的应用。

（3）放电消耗更小；由于火花油中也含有C原子，在放电加工时，高温导致火花油中的C原子被分解出来，转而在石墨

电极的表面形成保护膜，补偿了石墨电极的损耗。

（4）没有毛刺；铜电极在加工完成后，还需手工进行修整以去除毛刺，而石墨加工后没有毛刺，节约了大量成本，同时

更容易实现自动化生产

（5）石墨更容易研磨和抛光；由于石墨的切削阻力只有铜的1/5，更容易进行手工的研磨和抛光

（6）材料成本更低，价格更稳定；由于近几年铜价上涨，如今各向同性石墨的价格比铜更低，相同体积下，东洋炭素的

普遍性石墨产品的价格比铜的价格低30%～60%，并且价格更稳定，短期价格波动非常小。

正是这种无可比拟的优势，石墨逐渐取代铜成为EDM电极的首选材料。

石墨新用途：

随着科学技术的不断发展，人们对石墨也开发了许多新用途。

柔性石墨制品。柔性石墨又称膨胀石墨，是年代开发的一种新的石墨制品。

年美国研究成功柔性石墨密封材料，解决了原子能阀门泄漏问题，随后德、日、法也开始研制生产。这种产品除具有天然

石墨所具有的特性外，还具有特殊的柔性和弹性。

因此，是一种理想的密封材料。广泛用于石油化工、原子能等工业领域。国际市场需求量逐年增长。

此外，石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂，是制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石、钻石不可缺少的原

料。它是一种很好的节能环保材料，美国已用它做为汽车电池。随着现代科学技术和工业的发展，石墨的应用领域还在不断拓

宽，已成为高科技领域中新型复合材料的重要原料，在国民经济中具有重要的作用。