石墨密度

石墨本为无名鼠辈，然2010年的诺贝尔物理学奖，使

石墨一夜扬名四海，风光无限。

借着石墨矿的传说与光环，中国宝安股上窜下跳，令人心惊肉跳，欲

仙欲死。

石墨矿究有何种神奇，请听我说！

一、石墨特性、分类及用途

（一）石墨基本性质

关于石墨的发现和利用，有案可据的，当首推《水经注》，书中载“洛

水侧有石墨山。山石尽黑，可以书疏，故以石墨名山矣。”考古发现，

早在3000多年前商代，中国就有用石墨书写的文字，一直延续至东汉

末年(公元220年)，石墨作为书墨才被松烟制墨所取代。清朝道光年间

(公元1821-1850年)，湖南郴州农民开采石墨做燃料，称之为“油碳”。

石墨英文名Graphite，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。

石墨分子式为C，分子量为。天然石墨呈铁黑色、钢灰色，条痕亮黑

色，金属光泽，不透明。晶体属复六方双锥晶类，沿{0001}呈六方板

状晶体，常见单形有平行双面、六方双锥、六方柱，但完好晶形少见，

一般呈鳞片状或板状。晶胞参数：a0=，c0=。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=，层间C-C间距=）。具{0001}完全解理，比重，比表面积

5-10m2/g。硬度具异向性，垂直解理面为3-5，平行解理面为1-2。集

合体常为鳞片状，块状和土状。石墨薄片具良好的导电性和导热性。

矿物薄片在透射光下一般不透明，极薄片能透光，呈淡绿灰色，一轴

晶，折射率～，在反射光下呈浅棕灰色，反射多色性明显，Ro灰色带

棕，Re深蓝灰色，反射率Ro23(红)，(红)，反射色、双反射均显著，

非均质性强，偏光色为稻草黄色。鉴定特征铁黑色，硬度低，一组极

完全解理，具挠性，有滑感，易污手。若将硫酸铜溶液润湿的锌粒放

在石墨上，则可析出金属铜斑点，而与之相似的辉钼矿则无此反应。

石墨是元素碳的一种同素异形体（其它同素异形体有金刚石、碳60、

碳纳米管和石墨烯），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。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。鉴于石墨特殊的成键方式，不能单一的认为石墨是单晶体或

者是多晶体，现在普遍认为石墨是一种混合晶体。

（二）石墨分类

按石墨结晶形态和工艺特性，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g，晶体排列杂乱无章，

呈致密块状构造。这类石墨矿品位很高，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

鳞片石墨晶体呈鳞片状；这是在高温高压下变质而成的，有大鳞片和

细鳞片之分。此类石墨矿品位不高，一般在2～3%，或10～25%之间。

它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，

因此其工业价值最大。

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，一般固定碳含量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。随着石墨提纯技术的提高，土状石墨的应用将越来越广泛。

人造石墨（特种石墨），按成型方式可分为：

1．等静压石墨（三高石墨），但并非三高就是等静压；

2．模压石墨；3．挤压石墨，多为电极材料。

按石墨颗粒度分为：

1、细结构石墨；

2、中粗石墨（一般的颗粒度在左右）；

3、电极石墨（2-4mm）。

（三）石墨工艺性质与用途

石墨具有如下特殊性质：

1）耐高温性：石墨熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高

温电弧灼烧，重量损失很小，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。

7）高传导透明性：碳原子构成的单层片状结构二维晶体--石墨烯，导

电导热透明，无与伦比。

石墨的用途主要有：

1、耐火材料：石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，冶金工业

上主要用来制造石墨坩埚，炼钢上常用石墨作钢锭之保护剂，冶金炉

的内衬。

2、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、耐磨润滑材料：润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使

用，而石墨耐磨材料可在200-2000℃温度及很高滑动速度下，代替润

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、良好的化学稳定性：经特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好，

渗透率低等特点，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、铸造、翻砂、压模及高温冶金材料：因石墨的热膨胀系数小，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、原子能工业和国防工业：石墨具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。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、防锅炉结垢：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、铅笔芯、颜料、抛光剂：石墨经过特殊加工以后，可制作各种特

殊材料用于有关工业部门。

9、电极：石墨电极较之铜最极优点多多，1）加工速度更快，比铜的

加工速度快2-5倍，放电加工速度比铜快2-3倍；2）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，易受热变

形，而石墨升华温度为3650度，热膨胀系数仅为铜的1/30；3）重量

更轻，石墨密度只有铜的1/5；4）放电消耗更小，因火花油中含有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，铜电极加工完成后，需手工修整以去除毛刺，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，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%，且价格更稳定，

短期价格波动非常小。石墨逐渐取代铜成为EDM电极的首选材料。

10、最薄最坚硬的纳米材料-石墨烯：有望在新材料与现代电子科技

领域引发一轮革命。

二、石墨矿床地质

（一）石墨矿石特征与分类

在自然界中，没有发现纯净的石墨。石墨中往往含有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。

在自然界中，石墨是在高温下形成的变质矿床，是富含有机质或碳质

沉积岩经变质作用形成的，常见于大理岩、片岩、变粒岩和片麻岩中。

煤层经热变质，也可形成石墨。中国山东省莱西市（石墨探明储量万

吨，现保有储量万吨）、吉林省磐石市（石墨储量500万吨）、黑龙

江鸡西市柳毛、湖南郴州宜章鲁塘等产石墨矿。世界著名产地有纽约

Ticonderoga和马达加斯加和Ceylon等。

按结晶形态，将石墨矿石分为晶质(鳞片状)石墨矿石和隐晶质(土状)

石墨矿石两大类。

晶质石墨矿石又可分为鳞片状和致密状两种。致密状晶质石墨只见于

新疆托克布拉等个别矿床中，工业价值不大。

鳞片状石墨矿石结晶较好，形似鱼鳞状，晶体粒径大于1μm，一般

为～，大的可达5～10mm，多呈集合体。矿石品位较低，一般为%。

伴生的矿物有云母、长石、石英、透闪石、透辉石、石榴石和少量硫

铁矿、方解石等，有时还伴有金红石，钒云母等有用组分。矿体呈层

状、似层状或透镜状，矿石硬度中等或中硬偏软。

鳞片状石墨矿石按其所赋存岩石的岩性不同，分片麻岩型、片岩型、

透辉岩型、变粒岩型、混合岩型、大理岩型及花岗岩型等七种，前六

种矿石类型产于区域变质成因矿床中，后一种矿石类型则产于岩浆热

液成因矿床中。

根据固定碳含量，可将鳞片状石墨分为高纯石墨、高碳石墨、中碳石

墨及低碳石墨4类。

高纯石墨(固定碳含量大于或等于%)主要用于柔性石墨密封材料，代

替白金坩埚用于化学试剂熔融及润滑剂基料等；

高碳石墨(固定碳含量%～%)主要用于耐火材料、润滑剂基料、电刷

原料、电碳制品、电池原料、铅笔原料、填充料及涂料等；

中碳石墨(固定碳含量80%～94%)主要用于坩埚、耐火材料、铸造材料、

铸造涂料、铅笔原料、电池原料及染料等；

低碳石墨(固定碳含量大于或等于%～%)主要用于铸造涂料。

隐晶质石墨矿石（曾称土状石墨或无定形石墨、微晶石墨），系微小

的天然石墨晶体构成的致密状集合体（微晶集合体），晶体粒径小于

1μm，只有在电子显微镜下才能观察到其晶形。矿石呈灰黑色、钢灰

色，一般光泽暗淡，具有致密块状、土状及层状、页片状构造。隐晶

质石墨矿多产于接触变质煤系变质页岩中，矿体呈层状、似层状、带

状及透镜状，矿石呈土状，松软、易碎、滑腻。隐晶石墨的工艺性能

不如鳞片状石墨，工业应用范围也较小，矿石品位一般都较高，但矿

石可选性差。矿物成分以石墨为主，伴生有红柱石、水云母、绢云母

及少量黄铁矿、电气石、褐铁矿、方解石等。品位一般为60～80%、

灰分为15～22%、挥发分为1～2%、水分为2～7%。

根据含铁量，可将隐晶质（微晶)石墨分为有铁和无铁两类。依照产

品固定碳含量、最大粒径分为60个牌号，各种牌号石墨产品其外观要

求产品中不得有肉眼可见的木屑、铁屑、石粒等杂物，产品不被其他

杂质污染。微晶石墨中酸溶铁含量不大于1%者，主要用于铅笔、电

池、焊条、石墨乳剂、石墨轴承的配料及电池碳棒的原料等；无铁要

求的微晶石墨主要用于铸造材料、耐火材料、染料及电极糊等原料。

根据硬度不同，可将隐晶质石墨矿石分为软质石墨与硬质石墨两种。

软质石墨矿石变质彻底，质量好；硬质石墨一般为石墨与无烟煤的过

渡带，质量次。

片麻岩类石墨矿石包括石墨花岗片麻岩、石墨黑云斜长片麻岩、石墨

夕线透辉片麻岩、石墨辉石片麻岩等。石墨呈鳞片状或聚片状，与黑

云母等片状矿物或透闪石、夕线石等纤维状矿物紧密共生，一般顺片

麻理作定向排列，较均匀地分布于长石、石英等脉石矿物颗粒之间。

石墨片径～4mm，往往随脉石颗粒的大小而变化，脉石颗粒粗的其周

围石墨片径大，一般以～较多。

片岩类石墨矿石包括石墨片岩、石墨石英片岩、云母石墨片岩、石英

石墨片岩等。石墨呈鳞片集合体与云母、绢云母等片状矿物紧密共生，

顺片理定向排列于石英、斜长石等粒状矿物之间。石墨片径～，以～

的较多。

石墨大理岩、石墨透辉岩、石墨变粒岩都具有粒状变晶结构和块状构

造。矿石中石墨往往呈鳞片状或不规则片状，杂乱浸染于脉石矿物颗

粒间或解理内，构成填隙结构。石墨片径在变粒岩型矿石中一般为～，

在大理岩型矿石中一般为～，在透辉岩型矿石中一般为，大的可达5～

10mm。石墨混合岩一般是作为混合岩化产物叠加于片麻岩、片岩或

变粒岩类矿石之上，常呈条带状或脉状。因大量石英的加入，混合岩

化重熔再结晶，组分迁移以及再分配的结果，矿石的矿物成分与结构

构造很不均匀，出现条带状构造、眼球状构造及阴影构造，化学成分

变化大。矿石固定碳含量一般为%～%，石墨鳞片分布不均匀，有时

局部富集，片径增大，一般为～。

花岗岩类矿石是由岩浆热液不同阶段结晶矿物和石墨组成的各种含

石墨花岗岩，与石墨共生的矿物比较复杂，常含多种金属和稀有金属

矿物。石墨呈浸染状分布于花岗岩中，

在一些富气液的岩浆矿床中，石墨可呈球状、豆状聚积，构成球状石

墨花岗岩，石墨片径一般为～。

赋存于板岩和千枚岩中的隐晶质石墨矿石，石墨呈隐晶质鳞片集合体

为主，粒径一般在左右，主要为无定形花瓣状、叠层状，一般含有部

分微晶鳞片石墨，片径大的可达1～2μm，与石墨共生的有伊利石或

高岭石等粘土矿物，以及石英、水云母、绢云母、红柱石、黄铁矿等。

隐晶质石墨矿石常残留原岩的层理构造，变质不彻底的部分还可含部

分未变质的无烟煤，保留煤岩结构。

（二）石墨矿床工业指标

1、晶质(鳞片状)石墨矿

1）风化矿石：边界品位2-3%固定碳；工业品位～%固定碳；露采可

采厚度2～4m；露采夹石剔除厚度1～4m；剥采比不大于3﹕1～4﹕1。

2）原生矿石：边界品位～%固定碳；工业品位3-8固定碳%；露采可

采厚度2～4m；露采夹石剔除厚度1～4m；剥采比不大于3﹕1～4﹕1。

2、隐晶质(土状)石墨矿：边界品位≥55%固定碳；工业品位≥65%固

定碳；坑采可采厚度～；露采夹石剔除厚度1～3m。


注：因晶质(鳞片状)石墨片度不同，其工业用途及经济价值相差甚

大，因此确定工业指标时，应根据正目(＋100目)石墨含量的高低，提

出相应不同高低的边界品位和工业品位要求，即正目(＋100目)石墨含

量高时，品位要求可低；反之，则品位要求要高。对应边界品位及工

业品位的正目(＋100目)石墨含量要求，一般可掌握在40-60％左右。

正目(＋100目)石墨含量是指矿石经选矿所得精矿筛析后，+100目石墨

在精矿中所占的百分比。

目前，标矿晶质石墨大约4000元/吨；隐晶质石墨大约2000元/吨。

（三）勘探类型的确定

石墨矿床划分为4个勘探类型：

1、第Ⅰ勘探类型矿体形态简单，呈层状，似层状或较大透镜体，主

矿体连续沿走向长几百米至千米以上，厚一般十几米至几十米或更

大，稳定，变化系数小于40%；石墨分布均匀；断裂及岩体(脉)对矿

体无破坏或破坏甚微；规模中到大型。如山东平度刘戈庄石墨矿床。

2、第Ⅱ勘探类型矿体形态较简单，呈层状、似层状、透镜状，主要

矿体比较连续，沿走向长一般几百米至千米以上，矿体内夹石较少，

矿体边部分叉现象较普遍，厚一般几米至几十米，较稳定，变化系数

40%～70%；石墨分布均匀；断裂及岩体(脉)对矿体破坏不大；规模以

大、中型为主。如黑龙江鸡西柳毛及山东莱西南墅刘家庄石墨矿床。

3、第Ⅲ勘探类型矿体形态复杂，呈不规则的层状、似层状、透镜状，

主矿体不连续，沿走向长几百米，夹层或夹石较多，分叉复合现象普

遍，厚一般几十厘米至几米，不稳定，变化系数70%～100%；石墨分

布均匀；断裂及岩体(脉)对矿体破坏较大；规模以中型为主。如湖北

宜昌三岔垭、吉林磐石烟筒山和新疆奇台苏吉泉石墨矿床。

4、第Ⅳ勘探类型矿体形态很复杂，呈小透镜状、扁豆状及不规则状，

厚度很不稳定，变化系数大于100%；石墨分布均匀；断裂及岩体(脉)

对矿体破坏很大；规模小至中型为主，如四川南江坪河及湖南郴州鲁

塘石墨矿床。

上述勘探类型的划分是根据矿床中主矿体(一个或几个)规模(其储量

须占勘探范围内总储量70%以上)、形态复杂程度、主要有用组分含量

的分布均匀程度、被构造和火成岩体(脉)破坏情况等地质因素确定的。

目前已勘探的石墨矿床，属于第Ⅰ勘探类型的很少，晶质(鳞片状)石

墨矿床多属第Ⅱ、Ⅲ勘探类型，隐晶质(土状)石墨矿床多属第Ⅲ、Ⅳ

勘探类型。

对已确认为属于特别复杂的煤变质矿床(第Ⅳ勘探类型)，考虑其矿体

沿走向尚反映有一定的连续性，而在倾向上形态变化则极其复杂，可

在走向上大致以250m、倾向上以60m的工程间距边采边探。

对具有综合回收利用价值的其他矿产和有用组分，如区域变质型晶质

(鳞片状)石墨矿床中可能有金红石、磷灰石、黄铁矿、蓝晶石、钒(含

钒白云母)、锶等，接触变质型产于煤系中的隐晶质(土状)石墨矿床中

可能有瓷土及分散元素等，应进行综合评价。

（四）找矿标志

1、变质的碳质沉积岩、黑色岩系和煤系地层；

2、各种电法异常区：因石墨属良导电矿物，矿化体与围岩的电性差

异特征，低阻高极化异常能够指示石墨矿的寻找。