天然石墨分选提纯及应用进展

郭润楠，李文博，韩跃新

（1 东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819；2 难采选铁矿资源高效开发利用技术国家地方联合工程研究中心，辽宁 沈阳 110819）

石墨为多键型晶体，具有层状晶体结构，其层内碳原子与周围3 个碳原子通过sp2杂化形成共价键，构成类似蜂巢的环状结构；层间以分子间作用力（范德华力）相连接，结合力较弱；层内每个碳原子剩余的一个具有活性的p电子则形成类似于金属键自由电子模型的离域大π键，因此石墨晶体结构中既有共价键、分子键，亦有金属键[1]。独特的结构决定了石墨的物化特性，因其结构中的化学键，石墨具有较强的导热性、耐热性和化学稳定性；石墨具有优良的导电性则是因其具有离域大π键；特殊的层状结构在外力作用下容易产生片层之间的滑动，致使石墨有良好的润滑性；同时石墨具有良好的天然可浮性，其接触角θ一般为85°～86°，疏水性好，经浮选分离可以得到固定碳含量90%以上的石墨。

石墨一系列优良的物化性能，使其广泛应用于材料、冶金、机械、电气、环境、化工、国防工业等诸多领域，是当今世界高新技术发展不可或缺的非金属材料，具有不可复制性和不可替代性，因此许多发达国家将石墨列为本国的战略性矿产资源予以保护。石墨一直以来也是我国重要的非金属矿产资源，早在3000 多年前的商代就有用石墨书写的文字，为了国家经济持续发展、高效开发利用石墨资源，我国也将晶质石墨列入战略性矿产资源给予保护。

1 石墨资源现状

1.1 全球石墨资源分布特征

石墨不仅应用广泛，石墨资源在全球分布也比较广泛，截止到2019 年，全球石墨总储量的统计结果为31570 万吨，其中中国石墨储量为7300 万吨，占比为23.12%，位列世界第二。全球主要石墨储量国家占比如图1 所示（图1 数据来源于《2020 年BP 世界能源统计年鉴》）。从图1 中可以看出，全球石墨主要分布在土耳其、中国、巴西、莫桑比克和坦桑尼亚等几个国家，五个国家的石墨储量占世界总储量的87.74%。同时也应该看到，受石墨资源勘探程度不足的影响，全球仍有不少国家和地区具有发现石墨资源的潜力。

图1 世界各国石墨资源储量占比

我国是石墨资源储量大国，同时也是石墨产量大国，2014—2019年世界主要石墨生产国产量如表1所示（表1中数据来源于《2020年BP世界能源统计年鉴》）。由表1 可以看出，我国石墨年产量一直位列世界第一，2017—2018 年由于我国对石墨矿山企业进行整合改编，关闭不少中小矿山，致使石墨产量有所下降，但2019 年产量又恢复至70 万吨，体现了我国对石墨产业整改的效果。

近两年来，随着印度石墨的不断减产以及莫桑比克、马达加斯加石墨产量的大幅增加，使得我国石墨年产量全球占比由之前的70%左右降至60%左右，如图2所示。证明全球石墨格局正在发生变化，同时也说明我国近几年对石墨矿产资源改造的正确性以及前瞻性。

图2 2014—2019年世界主要石墨生产地产量份额

1.2 中国石墨资源概况

中国石墨资源主要以晶质石墨类型存在，消费也是以晶质石墨为主导。中国石墨资源广泛分布于二十多个省、自治区和直辖市，其中晶质石墨集中分布于黑龙江省，隐晶质石墨则集中分布于内蒙古自治区。我国是全球石墨最大生产国，同时也是石墨的最大消费国，近些年，随着我国环保政策的逐渐收紧和天然石墨产业的不断升级改造和规范化，造成天然石墨尤其是晶质石墨产量逐年下降，加上人力成本的上升，导致石墨产品生产成本增加，因此国内出现越来越多的进口晶质石墨，国内企业开始大批量从国外采购晶质石墨。2015—2019年中国晶质石墨进口量如图3所示（图3数据来源于中国海关总署）。从图3中可以看到，2018年是我国石墨市场的一个转折年，我国进口晶质石墨从2017 年的5482 吨大幅增长到2018 年的6.03 万吨，增长了1000%，2019 年晶质石墨更是增长至19.3万吨。随着我国环保政策的不断收紧以及国内石墨市场需求的稳固增长，我国将会进口更多的晶质石墨，国内企业也逐渐面向国外，加紧推进国外石墨矿山项目。在可预见的未来，我国将会成为石墨的净进口国，长达40 年的全球石墨主供应商地位结束，全球石墨格局也将会产生重大变革。

图3 2015—2019年中国晶质石墨进口量

随着我国近几年对石墨产业链升级改造的不断推进，以及电动汽车产业的快速发展，锂电池对石墨材料需求的不断增长，我国石墨消费市场的需求结构也逐渐发生变化。密封材料、锂电池负极材料等领域所占比例持续上升，同时石墨产业链上高纯石墨深加工产品的市场需求占比也有明显的提升。我国2019年石墨消费市场占比如图4所示。

图4 2019年中国石墨消费市场占比

2 石墨分选及提纯

天然石墨常会伴有各种杂质，难以被直接利用，为了满足工业生产的要求，必须对天然石墨进行富集、提纯，且石墨纯度越高其价值也越高。目前关于石墨的提纯方法主要有浮选法、化学法和高温法三种。其中化学法又包含碱熔酸浸法、氢氟酸法、混酸法、氯化焙烧法4种。

2.1 浮选法

天然石墨具有良好的可浮性，在对天然石墨进行分选提纯时，浮选通常作为第一步使用的方法。

现阶段工业生产中基本上所有的天然石墨均采用浮选来进行分选，选矿技术采用多段磨矿、多段选别的工艺流程，并在此基础上，针对不同性质的矿石研究更有效、更合理的设备及流程，从而最大限度地提高固定碳含量和保护石墨鳞片结构。目前，刘磊等[2]对黑龙江某晶质石墨矿进行层压粉碎-分质分选试验研究，最终得到固定碳含量为94.50%的精矿，且其中+0.147mm 粒级的大鳞片分布率达到31.24%。牛敏等[3]则对内蒙古某鳞片石墨进行层压粉碎-分质分选试验研究，最终得到固定碳含量为94.52%的高碳精矿。两者均证实，将高压辊磨机替代传统工艺中细碎和粗磨设备，能更好地保护鳞片石墨在粗磨阶段的晶体结构，提高破碎效率，缩短工艺流程，降低能耗。同时也验证了采用不同分质产品的特性分别制定再磨再选的分质分选工艺流程，可以更有效地保护石墨中的大鳞片，提高浮选效率。

浮选法作为石墨提纯的第一步，具有工艺流程成熟、设备简单、能耗少、生产成本低等优点，使其具有明显的成本优势，但浮选法对石墨的提纯能力有限，无法将部分浸染在石墨鳞片中的夹杂去除，提纯后的石墨固定碳含量很难超过95%。所以为了得到高纯石墨，必须采取化学法和高温法来进一步对石墨进行提纯。

2.2 化学法

化学法提纯依据石墨化学性质的稳定性，利用强酸、强碱或其他化合物在一定条件下处理浮选石墨精矿，通过溶解其中的杂质，除去杂质，提纯石墨。

2.2.1 碱熔酸浸法

碱熔酸浸法是利用石墨中的杂质在500℃以上的高温下与NaOH 反应，一部分杂质（硅酸盐等）生成溶于水的反应产物，被水浸出洗涤除去；另一部分杂质（Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO 等金属氧化物）在碱熔后生成不溶于水的沉淀物，经盐酸中和生成溶于水的氯化物，通过清水洗涤而去除。碱熔酸浸法提纯石墨的工艺流程如图5所示，此工艺在我国石墨提纯的工业生产中应用最为广泛，随着石墨提纯产业的不断发展，更为合理、有效的设备及流程也相继出现。

图5 碱熔酸浸法提纯石墨的工艺流程

目前，刘玉海等[4]利用碱熔酸浸法提纯黑龙江某地细鳞片石墨时，通过探讨适宜的工艺参数，利用碱熔焙烧-水浸出-酸浸的工艺将石墨固定碳含量由95.89%提升至99.94%。刘长青等[5]以嵌布粒度较细的隐晶质石墨原料为研究对象，通过研究隐晶质石墨在不同碱熔条件和酸浸条件下的提纯效果，最终将固定碳含量为82.67%的原料提升至固定碳含量为93.42%的高纯度石墨，证明了碱熔酸浸法可以有效地提高隐晶质石墨的品位。

碱熔酸浸法是我国石墨提纯产业中应用最为广泛的方法，它具有一次性投资少、石墨碳含量高等特点，经碱熔酸浸法提纯的石墨固定碳含量可达99%以上，但想得到99.9%的固定碳含量则比较困难。同时该方法大量使用酸碱溶液，容易腐蚀设备，产生的废水污染严重。

2.2.2 氢氟酸法

氢氟酸法是利用石墨中的杂质和氢氟酸发生反应，一部分杂质（Na2O、K2O、Al2O3等）生成溶于水的化合物，随溶液排出；另一部分杂质（CaSiO3、CaO、MgO、Fe2O3等）与HF 反应生成不溶于水的化合物，通过加入H2SiF6使其生成溶于水的氟硅酸盐，用清水洗涤，将杂质溶液与石墨固液分离，从而提纯石墨。氢氟酸法提纯石墨的工艺流程如图6所示，该方法流程简单，除杂效率高，且HF 对高纯石墨的性能影响很小，可获得含碳量很高、性能优异的石墨产品。但氢氨酸或HF 气体有剧毒，对设备腐蚀性大，对环境污染也很严重，使其应用受到限制，在我国采用此方法的企业并不多。

图6 氢氟酸法提纯石墨工艺流程

罗伯特·劳埃德等[6]用HF+H2SiF6的氟基酸溶液提纯石墨，使其中的金属氧化物变为可溶于该溶液的氟硅酸盐和氟化物，并在70～140℃（最好为130℃）下干燥经洗涤处理的石墨，并将已处理的石墨加热至250～400℃（最好为300℃）以去除石墨中存留的HF和SiF4，得到很好的实验结果。

2.2.3 混酸法

氢氟酸法对环境有较大的污染，提纯石墨过程中，为了减少氢氟酸的使用，往往配合其他酸一起使用，形成混酸体系。通过混酸体系对石墨进行提纯的方法称为混酸法，其基本原理同氢氟酸法类似。工业生产中，主要采用HF/HCl、HF/H2SO4、HF/HCl/H2SO4等混酸体系，生产中先后将HF、H2SO4、HCl 加入石墨中，每加入一种酸后都要充分搅拌，使其能够混合均匀且反应完全。反应完毕后，用工业清洁水反复清洗，直至中性；再用纯水清洗2～5遍；最后进行脱水、干燥、包装。

混酸法可以用来生产含碳量为99.9%以上的高纯石墨。相较于氢氟酸法，混酸法减少了HF 的用量，降低了对环境的污染，节省了生产成本。刘进卫等[7]将HF/H2SO4混酸法提纯石墨的体系引入热活化作用，在酸固比为3∶1、700℃的温度下活化1h，可将原料固定碳含量由86.42%提高至99.98%，并且氢氟酸用量减少了2/3。王光民[8]在工业生产过程中使用HF/HCl/H2SO4混酸法处理固定碳含量为98%～99%的石墨时，在HF、HCl、H2SO4用量分别为0.5～0.8kg、0.4～0.9kg、0.4～0.7kg 的条件下，常温反应24h，制备出固定碳含量达到99.96%的高纯石墨。

2.2.4 氯化焙烧法

氯化焙烧法是向石墨中加入一定量的还原剂（如焦炭），在一定温度（1000℃以上）和特定气氛条件下通入氯气进行氯化焙烧，使石墨中的有价金属杂质转变为熔沸点较低的氯化物或络合物而逸出，从而达到提纯石墨的目的。氯化焙烧原理装置示意图如图7所示，该方法具有能耗低、提纯效率高等优点。但同时设备复杂、工艺稳定性不好、所用的氯气有毒、对环境污染比较严重、产品固定碳含量有限（98%左右）等诸多不利因素限制了氯化焙烧工艺的应用与推广，该方法有待进一步改进和完善。

图7 氯化焙烧原理装置示意图

李继业等[9]在对天然细鳞片石墨进行提纯时，在反应温度为1200℃、反应时间为2.5h条件下，用氯化焙烧法将石墨碳含量由86.09% 提升至98.76%。夏云凯[10]在实验室研究的基础上，采用氯化焙烧法对柳毛某石墨进行中试提纯时，在反应温度1100℃、反应时间2.5h、Cl2压力为0.05MPa的条件下，将原料碳含量由88.75%提纯至99.54%。

2.3 高温法

根据加热源的不同，高温法又可分为电阻加热提纯、感应加热提纯、等离子加热提纯、射频加热提纯、光能加热提纯以及微波加热提纯六种方法。其基本原理都是依据石墨的熔沸点远高于其所含杂质的熔沸点，在高温条件下实现石墨与杂质的分离来提纯石墨，最终可以得到含碳量为99.99%以上的高纯石墨。

张向军等[11]通过高温法对碳含量达99%以上的石墨进行提纯时，经过对实验条件的初步探讨，得到固定碳含量高于99.99%的高纯石墨。若进一步改善升温工艺条件，提高坩埚质量，可将石墨碳含量提高至99.995%以上。工业应用上，2015年鸡西浩市新能源材料有限公司[12]采用高温法提纯石墨，运用国内单体最大的艾奇逊电炉加热到3100℃进行高温提纯，得到碳含量高达99.99952%的高纯石墨，达到国际先进水平。

相较于其他提纯方法，高温法提纯石墨能够获得碳含量高于99.99%的高纯石墨，甚至可达99.995%以上，但同时该方法对原料纯度、物料细度及设备工艺的要求较高，能耗高，所需投资巨大。因此，该方法目前的运用领域有限，主要应用于对石墨质量要求很高的航空航天、国防及核工业等特殊领域。

3 石墨深加工及应用

近些年随着科技创新的不断进步，石墨深加工产品已经成为新兴产业的重要组成部分，产业关联性极强，产品附加值巨大，膨胀石墨、氟化石墨、锂离子电池用球形石墨、石墨烯等已广泛应用于节能环保、新能源、新一代电子信息技术、新能源汽车、高端装备制造业、新材料产业、生物医学等新兴领域。随着科学技术的不断发展，石墨的潜在应用价值将会随着研究的不断深入而被进一步发掘。

3.1 石墨层间化合物

石墨层间化合物属于新型功能材料，在各工业领域被广泛应用于耐高温、抗腐蚀、防氧化、高导电性、密封性以及润滑性材料。按夹层物质的性质及石墨与夹层剂之间的作用方式，石墨层间化合物可分为离子型、共价键型和分子型三种。其中应用最为广泛的石墨层间化合物为膨胀石墨和氟化石墨。

3.1.1 膨胀石墨

天然鳞片石墨经酸性氧化剂处理后得到的石墨层间化合物被称为可膨胀石墨或氧化石墨。可膨胀石墨在瞬间高温（800～1000℃）作用下，内部所含插层物质急剧分解气化，体积迅速膨胀数十倍至数百倍，形成一种外观呈蠕虫状的物质，被称为膨胀石墨。早在1840年，德国科学家Schafhaeutl[13]将石墨浸入硫酸和硝酸混合物中时，首次发现了石墨层间化合物，并最终制备出膨胀石墨，其作为一种新型碳素材料直到1963 年才被美国联合碳化合物公司（UCAR）[14]研制出来。

制备膨胀石墨的工艺方法都是基于插层-膨化的基本原理[15]。石墨的插层处理主要采用Hummers法[16]或 改 进 的Hummers 法[17]，即 在 浓H2SO4、浓HNO3等强酸和KClO4、KMnO4等强氧化剂作用下，将天然鳞片石墨氧化为氧化石墨，具体的插层处理方法包括强氧化化学法[18]、电化学氧化法[19]和超声氧化法等，后续通过高温处理才能制得膨胀石墨；高温膨化过程实际上就是插入石墨层间的物质分解气化的过程，根据加热源的不同可分为高温膨胀法、微波法、激光法和爆炸法等[20]。近些年出现了制备膨胀石墨的改进方法，如高压釜法[21]、室温一步法[22]等，但其仍处于起步研究阶段。

膨胀石墨与天然鳞片石墨相比，虽然表观形貌和内部结构均发生了较大的变化，但其晶体结构六角形骨架并未被破坏，因此膨胀石墨在保持石墨原有理化性能的同时，又因插层物质与石墨层的相互作用而呈现出天然石墨和插层物质不具备的新性能，克服了天然石墨脆性及抗冲击很差等缺点，被广泛应用于如图8所示的诸多工业领域。

图8 膨胀石墨应用图

（1）密封材料领域 膨胀石墨经过加压成型制成一种性能优异的密封材料——柔性石墨，它的热膨胀系数小（1×10-6～30×10-6K），在温度变化较大的情况下仍具有良好的密封性，在低温下不发脆、不开裂，在高温下不软化、不变形，具有很好的热稳定性。同时具有质轻、润滑性、耐高温性、化学稳定性、耐酸碱腐蚀性、可塑性和回弹性好等优良特征。因此自美国于1968 年将其应用于核工业密封开始，柔性石墨作为密封材料被迅速研究与开发，成为各工程行业密封的首选材料，被誉为“密封之王”。作为密封材料，柔性石墨因传统制造方法使其内部常含有较高的硫（2.8%～4.5%），易对金属表面造成腐蚀，使密封效果下降。因柔性石墨内部的硫来源于插层物质，Li 和Yao 等[23-24]采用了不同的无硫氧化体系来制备无硫可膨胀石墨，在适当的条件下均制得了高膨胀倍数的无硫可膨胀石墨。

（2）环保领域 膨胀石墨具有发达的网状孔结构、较高的比表面积、表面活性以及良好的疏水性和亲油性，因此膨胀石墨可以在水中选择性地吸附轻质油、重质油、染料等油类物质和有机大分子，而且膨胀石墨密度低，吸附大量油类物质后能够浮在水面，便于收集处理，不造成污染，吸附饱和后还可以进行脱附再生，循环利用，对此Cao 等[25]做了大量机理性研究。膨胀石墨应用于环境保护方面，有利于从海上、河流、工业废水中除去油类及有机成分，对处理原油外泄事故、工业废水处理等有很大的用途。除在液相中可以进行选择性吸附外，在气相吸附方面，膨胀石墨对苯和甲苯有着明显的吸附效果，对工业废气和汽车尾气中污染环境的气体如SOx、NOx也有一定的吸附效果[26]。付猛等[27]通过十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对膨胀石墨进行表面改性，在改性温度和时间分别为70℃和90min时，制得室温条件下对甲醛气体吸附量达到840mg/g的改性膨胀石墨。

（3）导电材料领域 膨胀石墨作为导电填料制备聚合物基导电复合材料时，可以明显提高高分子材料的导电性，降低聚合物导电渗滤阈值，而且可以通过调节膨胀石墨的用量来改变聚合物的导电性能[28]。膨胀石墨用于电极材料时[29]，将其添加到可充电锌锰电池的锌阳极中，不仅可以减小阳极充电时的极化，增强电极和电解液的导电性，还可以抑制枝晶的形成，抑制阳极的溶解和变形，延长电池寿命。

（4）生物医学领域 膨胀石墨与人体具有优异的生物相容性，对有机分子、生物大分子等具有良好的吸附性，且无毒、无味、无副作用，在生物医学材料上有着广泛的应用前景[30]。研究表明[31]，膨胀石墨对烧伤创面渗出物的吸附量是普通纱布的3～4倍，且无毒无害、透气透水、不易与烧伤创面黏结，可以代替50%～80%的传统纱布敷料用于烧伤创面。

（5）化工催化领域 光催化剂经常在悬浮体系中使用，通常面临着从液体中分离催化剂困难的问题，因此催化剂载体的研究成为备受关注的问题。膨胀石墨具有较大比表面积的层状结构、发达的网络孔结构及良好的热稳定性等优点，同时分子、离子等均可嵌入其结构内，是催化剂载体的理想材料。目前，将膨胀石墨用于光催化剂载体已得到实验验证[32]，相比其他催化剂载体材料，膨胀石墨具有催化活性高、反应时间短、对设备腐烛小、不污染环境、易分离及再生简单等优点。

（6）军事工业领域 膨胀石墨具有优良的导电性，堆积密度为2×10-3～4×10-3g/cm3。杜桂萍和关华等[33-34]研究表明，其对3mm、8mm波有明显的衰减效果，是一种良好的毫米波干扰材料，因此其可用于制造军用烟幕。另外，利用烟火药的爆炸实现快速制备和分散膨胀石墨，将制备出的膨胀石墨粉末分散在预定空域，形成气溶胶干扰云团烟幕，实现干扰功能[35]。此外，膨胀石墨微粉对红外波具有很强的散射吸收特性[16]，将其制成优良的红外屏蔽（隐身）材料，对现代化战争的光电对抗具有非常重要的作用。

（7）其他领域 膨胀石墨除在以上领域具有广泛应用以外，在润滑材料、阻燃防火材料等方面也有较好的应用前景。在润滑方面，膨胀石墨除了保留石墨原有的润滑性质外，因其层间距的拉大等因素，比石墨材料的润滑性能进一步提高。李春风等[36]用超声波和氰基丙烯酸乙酯对膨胀石墨进行处理改性，改善了膨胀石墨的剪切强度、黏度和胶状稳定性能，有效地提高了其抗磨性能及承载能力，并降低了摩擦因数。在阻燃防火方面，膨胀石墨是一种良好的物理膨胀型阻燃剂，通常与其他阻燃材料协同使用，可显著提升其稳定性和阻燃效果。王德钊等[37]研究表明，膨胀石墨通过有机协效阻燃剂的改性后，可显著改善聚丙烯的阻燃性能。杨荣等[38]研究了六环三磷腈和膨胀石墨的复配阻燃剂对聚氨酯泡沫的物理力学性能、热稳定性以及阻燃性能的影响。结果表明，随着复配阻燃剂中膨胀石墨含量的增加，聚氨酯泡沫的密度、热导率、热稳定性以及阻燃性能均随之升高。

目前，我国膨胀石墨制品还是以低端的密封填料为主，在汽车密封、核电工业、航空航天、生物医学等领域的应用较少，但随着我国膨胀石墨技术的发展，高端膨胀石墨产品的比例将会逐步增加。3.1.2 氟化石墨

氟化石墨是氟及其化合物插入石墨层间而制成的氟系层间化合物，是美国、日本等国于20 世纪70 年代研究出的一种新型材料[39]，其化学式可用(CFx)n来表示，目前有两种稳定的化合物：一种为聚单氟碳，用(CF)n表示；另一种为聚单氟二碳，用(C2F)n表示。氟化石墨性能随分子结构中F/C原子的比值而异，CF1.0～CF1.25被称为高氟化度氟化石墨，具有优良的热稳定性，几乎是电的绝缘体，对强氧化剂、酸和碱都具有很强的耐腐蚀性，同时具有优良的润滑性；CF0.5～CF0.99被称为低氟化度氟化石墨，其热稳定性较差，但它是高能无水电池阴极的理想材料。

根据不同的制备方法以及制备过程中反应时间、温度、原料性质等因素的影响，氟化石墨存在多种化合物形式，Ruh 等[40]、邹艳红[41]、Rüdorff等[42]、苑金 生[43]、Isao 等[44]、Fujimoto 等[45]运用不同的制备方法及实验条件分别制备出了(CF0.29)n、(CF0.67～0.985)n、(CF1.04)n、(CF)n、(C3.41F)n、(C5.62F)n等氟化石墨。制备氟化石墨的工艺方法都是基于插层的基本原理，将氟及其化合物插入石墨层间，可归纳为气相法、固相法和电解法三类方法。气相法制备氟化石墨时存在安全性和工艺稳定性差等技术难点；固相法则存在高浓度的F2制备困难、制造成本高等问题；电解法可以连续大规模地生产作业，但其产品氟化程度较低，工艺仍需进一步完善[46]。

氟化石墨保留了层状结构，具有热化学稳定性；又因氟原子进入石墨层间与碳原子形成共价键，致使氟化石墨导电性极差、层间能非常小，使其具有优异的绝缘性、润滑性；其表面能[(6±3)×103J/m2]也极低，与水的接触角θ≈145°（石墨θ≈85°），疏水性极强，具有很强的防水疏油性[47]。因此，氟化石墨可在电池材料、核反应堆防吸附材料、润滑剂等多个领域中使用。

（1）润滑剂方面 氟化石墨的层间距由石墨的0.336nm 伸展至0.708nm，层间结合能也由石墨的41.8kJ/mol降至9.36kJ/mol[48]，因此其层面很容易滑动，具有优异的润滑性。同时氟化石墨在氧化、还原、真空等气氛条件下性能稳定，摩擦系数低，是固体润滑剂、润滑添加剂的理想材料，被称为“润滑之王”[49]。聂明德等[50]在测定氟化石墨结构及物理性质的基础上，研究了氟化石墨、二硫化钼（MOS2）、石墨三者在不同条件下作为润滑剂和润滑添加剂的性能差异。结果表明，在500℃以下的大气环境中，氟化石墨的摩擦系数小于MoS2和石墨，且使用寿命比两者长，在500℃以上，由于氟化石墨的分解，其润滑性能降低。同时在真空条件下，氟化石墨的润滑性能有所降低，不如MoS2好，但比石墨好。

（2）锂/氟电池电极材料 氟化石墨的电活性极高，可用于高能密度原电池电极材料的生产[51]，以氟化石墨作阳极，金属锂作阴极的锂/氟化石墨（Li/CFx）电池具有很高的质量能量密度（2180W·h/kg），且其存储寿命长、安全性高、对环境污染小，广泛应用于一次锂电池中。然而，Li/CFx电池存在放电初期电压滞后、放电过程电压平台较低等问题[52-53]，张亮等[54]采用水合肼改性处理后的氟化石墨制备了Li/CFx电池，制备的Li/CFx电池电压滞后现象得到明显改善，且水合肼改性处理过程中各组分的质量比为CFx∶C2H6O∶N2H4·H2O=1∶2∶1时制备的改性氟化石墨材料性能最优。同时，Zhu 等[55]、Zhang 等[56]、Meduri 等[57]、Gan 等[58]、Chen 等[59]、 Li 等[60]也 通 过SiO2、 V2O5、 MnO2、Ag2V4O11等氧化物对氟化石墨材料进行改性，均可显著提升Li/CFx电池放电平台和倍率性能，但比能量密度会受到一定的影响。

（3）核反应堆及其他领域 氟化石墨的热中子吸收断面和气体透射率均比较小，可在核反应堆中用作减速剂、反射材料和涂敷材料，用以降低反应堆在运转过程中堆内热中子的损失，提升反应的热效率[61]。氟化石墨的疏水性特别强，有很强的防水疏油性，可用在防水剂或防水疏油材料上，减少固体表面被各种液体浸湿[62]。此外，可以利用其他材料对氟化石墨进行改性处理形成新型复合材料，使用在微波吸收、轴承润滑、电池、导电材料等方面。另外，氟化石墨也可用作火箭推进剂及其氧化剂和燃烧改性剂[63]。

3.2 球形石墨

球形石墨是以天然石墨为原料，经过特殊的粉碎加工工艺对其表面进行改性处理后得到的细度不同的近球形石墨颗粒。目前市场上一般要求其固定碳含量在99.95%以上，球形度为90%以上。

球形石墨具有结晶配向好、球形化高、颗粒表面缺陷少、粒度分布集中、振实密度大、比表面积小和品质稳定等特点。同时球形石墨还具有气孔率低、抗氧化性能好、结构均匀细腻、孔洞缺陷小、弹性适中及易于成型等优点，使之正成为一种性能优越的新型材料被研究和使用。

天然石墨球形化是生产球形石墨产品的前提和关键，当前主要存在湿法和干法两种生产方法。两种方法的基本原理都是在外力作用下，石墨颗粒与设备或彼此之间相互碰撞，不断地受到摩擦、冲击、剪切等作用力，在较短时间内使形状不规则的石墨颗粒被塑性变形成球形或椭球形颗粒。在干法方面，何明等[64]研究表明，高能球磨（WL-1 型行星球磨机）和特殊粉碎分级工艺（玛瑙球作为磨矿介质的搅拌磨+风选分级工艺）对石墨球形化均有促进作用，且相较于高能球磨，经过特殊粉碎分级工艺处理后的石墨颗粒表面圆滑洁净、颗粒均匀、形似卵石状。杨玉芬等[65]采用微细粒子复合化设备（PCS）研究了石墨颗粒的球形化过程，结果表明，将PCS系统调整到合适的操作参数，在高速气流的冲击作用下石墨颗粒很容易被整形成球形或近球形，成球率很高。湿法方面，邓成才等[66]通过搅拌磨湿法磨矿来制备球形石墨，以此探索湿法石墨球形化的制备方法，结果显示，在最佳磨矿条件下球形石墨产率可达42.22%，且有很好的球形度。虽然湿法制备球形石墨可降低能耗、节约成本，但干法制备具有成球率高、球形度好、效率高等优点，目前被广泛使用。

生产工业用球形石墨的主流工艺如图9 所示。该工艺中的气流涡旋粉碎机既具有粉碎的性能又具有去棱角化的效果。工业中球形石墨的加工产品往往要求其固定碳含量在99.95%以上，故提纯工艺在生产过程中必不可少且至关重要。目前，高纯球形石墨的生产一般采用化学提纯方法生产。虽然该工艺被广泛使用，但仍然存在处理量小、设备数量多、占地面积大、产量小、污染环境等问题，有待进一步改进和完善[67]。

图9 球形石墨的生产工艺

球形石墨属于石墨的高附加值产品，因其具有良好的结晶度、较高的理论嵌锂容量，可用于锂离子电池负极材料的生产；且球形石墨粒度分布集中、振实密度大、品质稳定，也可用于燃料电池等领域。

（1）锂离子电池负极材料 当前锂离子电池负极材料主要以人造石墨和天然石墨为主。人造石墨电极由于灰分少、各项性能指标优于天然石墨电极而被广泛使用。近些年随着新能源汽车电池关键材料和核心技术的研究，通过对天然石墨球形化处理以及对球形石墨的改性处理，可明显改善天然石墨负极材料的比容量、首次循环效率和循环性能等关键指标，因此新型天然石墨负极材料的研究与应用受到极大重视。以天然石墨为原料生产锂离子电池负极材料的流程如图10 所示。此流程相较于生产人造石墨电极，不需要复杂的石墨化工序，显著节能，可有效降低生产成本。

图10 锂电池负极材料加工技术

大量研究表明[68-71]，对球形石墨进行表面包覆改性可有效提高天然石墨电极的电化学性能。王茜等[72]利用改质的沥青对天然球形石墨进行包覆，并在不同温度的热处理条件下制备沥青涂覆石墨负极材料，通过对其电化学性质的研究可知，沥青作为包覆剂可显著提高石墨电极材料的电化学性能，在沥青涂覆量为11%、950℃热处理条件下可制备出首次放电容量达363.6mA·h/g、库仑效率达90.2%的具有良好性能的石墨电极材料。何月德等[73]研究表明，将天然球形石墨颗粒表面包覆一层树脂炭可消除石墨表面的裂纹、孔洞等缺陷。制成的石墨负极材料首次充放电循环效率可从包覆前的81.0%提高至包覆后的92.7%，电化学性能得到明显提升，且首次放电比容量也有所增加。

（2）燃料电池及其他领域 球形石墨因其良好的特性可用作燃料电池板的原材料及固体燃料电池阳极支撑体的造孔剂。张尚权[74]在制造固体燃料电池阳极支撑体时，对比淀粉、石墨粉和球形石墨分别作为造孔剂时的造孔效果，结果显示，球形石墨作为造孔剂时分散均匀，所造的孔分布均匀、形貌良好、大小合适，可作为优良的造孔剂使用。

另外，在使用磁力分离法处理污水时，由浮选精矿生产的球形石墨作为磁种载体[75]，能更好地使磁种与污水中弱磁性杂质相结合，通过磁力作用完成杂质清除。该技术方法在污水中重金属离子的高效去除方面具有良好的应用前景。

3.3 石墨烯

石墨的层间作用力比较弱，很容易被剥离形成很薄的石墨片，当把石墨剥离成单层之后，这种由碳原子以sp2杂化轨道组成的只有单个碳原子厚度的二维碳质新材料就是石墨烯。它曾一度被认为是因热力学不稳定而不可能存在的结构[76-77]，直到2004 年Geim 和Novoselov[78]才通过实验首次成功制备出可以单独稳定存在的石墨烯，两人也凭借在石墨烯方面的创新性研究而获得2010 年诺贝尔物理学奖。

当石墨中碳原子层堆积数少于10层时，所表现出来的电子结构明显不同于普通三维石墨，因此将10层以下的石墨材料统称为石墨烯材料。因石墨烯独特的结构，石墨烯材料具有诸多新奇的物化性质，它是世界上最薄、强度最高的材料[79]，其强度达130GPa（为钢的100多倍）[80-82]；导热性比目前已知的任何材料都要好，热导率高达5000W/(m·K)[83]；常温下是目前已知导电性能最好的材料，电子在其内部的运动速度可达光速的1/300[载流子迁移率可达2.5×105cm2/(V·s)][84]；良好的透光特性（其光吸收值πα≈2.3%）[85]；同时它还具有室温量子霍尔效应[86]、室温铁磁性和量子隧穿效应[78]等特性。

石墨烯同时具有面内的碳碳σ键和面外的π电子，因此它不仅具有很高的结构稳定性和热化学稳定性，还可以进行适当的官能团修饰，制造复合材料，获得丰富的化学性质。比如经氧化形成氧化石墨烯、与氢原子反应形成氢化石墨烯以及与硼、氮等元素进行掺杂改性形成p型和n型半导体等，因此石墨烯应用前景极其广阔，在各工业领域里均被广泛应用[87]，被称为“新材料之王”。

3.3.1 石墨烯的制备

自2004 年石墨烯首次被制备出来后，其各种制备方法相继被研发出来，在众多方法中，比较成熟的制备方法有微机械剥离法[88]、外延生长法[89]、化学气相沉积法（CVD 法）[90]及氧化石墨-还原法[91]等，本文主要介绍这四种制备方法，并对其优缺点进行比较。其中微机械剥离法属于物理方法，外延生长法、CVD法及氧化石墨-还原法则属于化学方法。

（1）微机械剥离法 是首次制备出石墨烯的方法，人们通过该方法第一次真正认识了石墨烯的存在。其基本原理是依据石墨层间的结合力（范德华力）较弱，通过外加力将石墨烯直接从石墨上“撕揭”下来。微机械剥离法所用原料主要为高定向热解石墨（HOPG），同时也可直接使用天然鳞片石墨[92]。随着研究的逐渐深入，微机械剥离法已经从最初的“胶带法”[93]逐渐演变出其他多种形式。Zhang 等[94]通过改进传统的轻微摩擦法，对原子力显微镜（AFM）的悬臂与硅片衬底进行轻微摩擦接触的操作，通过控制AFM 悬臂产生的剪切力，将固定在AFM 上的石墨进行层片剥离，最终制得横向尺寸2μm 的石墨烯薄片。Mayorov 等[95]则通过对天然鳞片石墨进行电流退火改进，运用微机械剥离的方法制备出单层的悬浮石墨烯薄膜。

（2）外延生长法 是在高度真空条件下，通过高温加热表面经过处理的SiC 单晶体，使SiC 晶体中的Si升华而制出基于SiC衬底的石墨烯，其基本反应如式(1)所示。

该方法可以得到两种石墨烯：一种为生长在Si(0001)晶面上的石墨烯，因受Si 元素的影响，这种石墨烯导电性会受到一定影响；另一种是生长在C(0001)晶面上的石墨烯，具有良好的导电性。2004年，Berger 等[96]首次通过该方法制备出单层和多层石墨烯。

研究表明，除了以SiC晶体为衬底外，通过对某些含碳金属进行真空加热也可以在金属表面上生成石墨烯。Wu 等[97]通过计算和模拟研究了石墨烯在金属铱为衬底时的外延生长理论机制。Olle 等[98]则通过外延生长法成功在金属镍表面制备出了石墨烯。

（3）化学气相沉积法 CVD 法是通过一定的手段（高温、微波）将含碳化合物分解成碳原子，使其沉积到衬底表面并扩散生成规整的碳膜，再将衬底除去即可得到单层或多层的石墨烯。CVD 法可以通过控制含碳化合物的流量、衬底的种类以及反应的温度来得到不同面积、层数的石墨烯，是生产石墨烯最具潜力的一种方法。

在CVD 法制备石墨烯的过程中，衬底起到关键性的作用，主要分为两大类：一类是以Cu、Ni等为代表的金属衬底；另一类是以Si、Si3N4等为代表的非金属衬底。Reina 等[99]最初通过CVD 法在Ni 箔表面制备出了横向尺寸20μm 的高质量石墨烯，掀起了CVD 法制备石墨烯的热潮。Li 等[100]使用Cu 箔为衬底，利用CVD 法制备出了含量在95%以上的单层石墨烯。Babichev 等[101]则以CH4作为碳源，Si作为衬底，得到了4层厚度的石墨烯。

（4）氧化石墨-还原法 主要包括石墨的氧化、氧化石墨的剥离以及石墨烯氧化物的还原三个过程。具体操作过程是先通过Hummers 等[102]、Brodie[103]、Staudenmaier[104]等氧化方法，利用浓H2SO4、浓HNO3、KMnO4等强氧化剂对石墨进行插层和氧化，然后对生成的氧化石墨利用超声进行剥离处理，最后通过还原剥离生成的氧化石墨烯制得石墨烯。该方法是目前大规模生产石墨烯的主要方法，其基本原理如图11所示。

图11 氧化石墨-还原法制备石墨烯的基本原理

目前，氧化石墨-还原法的还原过程主要以水合肼（N2H4·H2O）、硼氢化钠（NaBH4）等强还原性物质为还原剂。由于N2H4·H2O、NaBH4等试剂毒性较大，会对环境造成污染，所以寻找无毒高效的还原剂成为该方法使用的一大关键。石文荣等[105]以无毒高效的二氧化硫脲（CH4N2O2S）作为还原剂，通过氧化石墨-还原法制备石墨烯，得到了比用N2H4·H2O 作为还原剂时分散性更好、还原更彻底的石墨烯。Mei 等[106]则使用(CH2OH)2为还原剂，通过氧化石墨-还原法制出了含少量官能团的石墨烯。

通过以上对4种石墨烯制备方法的描述，可以看出每种制备方法都有其优缺点，4种制备方法的对比如表2所示。

表2 石墨烯4种制备方法对比

除了上述4种方法外，石墨烯还有很多其他的制备方法，虽然其制备方法很多，但现有的制备方法基本包括上述4种，仍止步于实验阶段，还不能完全满足产业化的要求。产业化生产要求能够技术稳定地制备出低成本、大面积、纯度高的石墨烯，目前这一技术问题还未能得到有效解决。当石墨烯的质量很高时，其各种独特性能才能体现出来，随着碳层数的增加和内部结构缺陷的积累，石墨烯的诸多优越性能都会有所降低，要真正体现出石墨烯代替其他材料的优越性能，真正实现石墨烯的产业化应用，其制备方法必须取得突破性进展。

3.3.2 石墨烯的应用

随着石墨烯的研究和产业化的持续发展，其生产应用得到了进一步发展，主要表现在以下几个领域。

（1）传感器领域 石墨烯具有的独特性质，使得其在传感器领域具有极大的应用前景。不同于其他材料，石墨烯的原子与感应环境直接接触，使得其对信号的灵敏度极高，这一属性能够满足高灵敏度传感器的设计要求，且石墨烯比表面积极大、响应时间快、电子传递速度快。因此石墨烯是用作光学传感器、化学及电化学传感器、生物传感器的良好材料。Zhang等[107]研制出了一种能够检测广谱光的石墨烯图像传感器，其捕捉和持有光生成电子粒子的时间比传统传感器更长，光线捕获能力比现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）、电荷耦合器件图像（CCD）等传感器强1000 倍，而所需功耗仅为其1/10。该传感器可以在光线较暗的情况下捕获更清晰的照片，可用于红外拍摄、卫星地图、超速拍照等领域。Schedin 等[108]成功制备了能够准确检测到单个气体分子附着或脱离的微米级石墨烯气体传感器，极大地提高了微量气体检测的灵敏性。Lee等[109]将石墨烯与金结合在一起，制成了可以实时监测人体皮肤温度、湿度、汗液pH 和葡萄糖浓度的传感器。该传感器可直接贴在皮肤上，不但可以实时监测，还具有注射功能，当检测到血糖浓度超标后，可即时通过微型针头将降血糖药物注射至患者皮肤下，控制患者的血糖浓度，并且不造成任何创伤。

（2）半导体领域 在已知材料中石墨烯的电阻率最小、热导率最高，所以被认为是最理想的电极和半导体材料，也最有希望成为“硅”的替代品，用来制造全新的石墨烯半导体器件。一直以来，硅几乎是制造半导体的唯一选择，随着制程微缩的持续推进，以硅为材料的各种芯片在制程工艺上已经接近其物理极限（7nm），这极大地限制了未来各类半导体芯片的性能提升。因此石墨烯可凭借其独特的性能在未来的半导体领域担当大任。

Kim 等[110]利用石墨烯作为一种“复印机”，将单层的石墨烯放在晶圆上，然后在石墨烯层上生长半导体材料，利用石墨烯良好的性能使底层的晶圆性能完全复制到顶层的材料，所印制的图案完全不受石墨烯的影响。“印刷”之后可以从晶圆上很容易地剥离掉石墨烯上面的半导体层，使得晶圆可以重复利用。这种方法除了可以节省晶圆的成本之外，也能够革新半导材料的薄膜生长，形成新的光电设备。哥伦比亚大学研究团队[111]研制出了一种石墨烯-硅光电混合芯片，成功地将不发生光电或电光转换的无源器件转化成为一个可发射微波光子信号、可对波长进行转换的有源器件。这种石墨烯-硅的结合，在光互连以及低功率光子集成电路领域具有广泛的应用价值，使得超低功耗光通信离人们更近一步。Lin 等[112]开发出了以碳化硅为衬底的石墨烯场效应晶体管，其截止频率可达100GHz，频率性能远超栅极长度相同的硅金属氧化物半导体场效应晶体管的截止频率（40GHz）。

（3）显示及储能领域 石墨烯具有质轻、膜薄、强度大、柔韧性好、透光性极好等特点，可代替目前的透明电极材料氧化铟锡（ITO）和氧化氟锡（FTO），在触摸屏、显示器、太阳能电池等方面具有很好的应用前景。Bae 等[113]通过CVD 法以Cu 箔为基底制出了面电阻为125Ω/□、透光率为97.4%的30in（1in=0.0254m）单层石墨烯，通过进一步逐层堆积制备出面电阻为30Ω/□、透光率为90%的四层石墨烯薄膜，并将其成功转移到厚188μm的PET薄膜上，制出了以石墨烯为基础的柔韧性极好且功能齐全的触摸屏面板。Lee等[114]通过CVD 法制备出石墨烯并使用含氟聚合物对其进行掺杂，掺杂后的单层石墨烯面电阻为320Ω/□，将其薄膜沉积在柔性塑料基底上，可以制得高柔性、高透光率、高导电性能的透明石墨烯电极材料，该材料可应用于太阳能电池和柔性电池的研发生产中。

目前广泛应用于超级电容器的电极材料主要为活性炭（AC）、活性碳纤维（ACF）和碳纳米管（CNTs）等碳质材料[115]，而石墨烯作为一种理想的储能材料，其特有的sp2碳质结构在超级电容器的应用中具有独特优势。Stoller等[116]利用化学改性石墨烯（CMG）作为电极材料，测试了基于石墨烯的超级电容器的性能。结果表明，CMG材料的电容在水系和有机电解液中分别可以达到135F/g和99F/g，且在不同的电压扫描速率范围内CMG 材料始终具有良好的性能，表明这种基于石墨烯的碳质材料在超级电容器中具有很大潜力。

（4）生物医学领域 在生物医学领域，石墨烯独特的二维层状结构及良好的生物相容性使其具有广泛的应用。Russier 等[117]通过研究发现石墨烯对处于癌变状态的白血病单核细胞有特定的杀伤能力，而且是靶向和特异性地促使单核白血病癌细胞坏死，对其他免疫细胞并没有毒性和激活作用，该发现为白血病的治疗提供了新的思路。Akhavan等[118]通过对细菌胞质物质流出量的测定，发现氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）对革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌均有较好的抗菌效果，通过对比发现，由肼还原GO 生成的rGO 抗菌效果更佳，且因为有细胞壁的保护，革兰氏阴性菌大肠杆菌不易被GO 和rGO 破坏。Kidambi等[119]将通过CVD法在Cu箔上制备出的石墨烯转移到聚碳酸酯的支撑板上，制备出了一种基于石墨烯的选择性孔隙≤1nm 的纳米多孔原子薄膜（NATMs），经实验研究可知，NATMs 可以快速地对小分子（200～1355Da）和蛋白质（14000Da）尺寸分子进行选择性地分离和脱盐，其结果比当前最先进的商业渗析膜高1～2个数量级。NATMs的快速扩散和尺寸选择性可能为药物纯化、生化分析、医学诊断、纳米生物分离等提供革命性机会。石墨烯在生物医学领域的应用研究虽处于起步阶段，但却是产业化前景最为广阔的应用领域之一。

（5）快充技术领域 随着电动车数量的大幅增加，充电问题成为电动车发展必须面对的障碍。石墨烯因其优异的电子、离子传导性能及特殊的二维单原子层结构，可在电极材料颗粒间形成三维电子、离子传输的网络结构，将其应用于锂离子电池中，可大幅度提升锂离子电池的充放电速度，实现电动车用锂离子电池快速充电和高能量密度的要求。Mu等[120]采用热化学气相沉积法（TCVD）在石墨表面生长出垂直石墨烯薄膜，制备出不仅可以极大地提升锂离子传输速率、还可显着降低锂离子传输曲折性的垂直石墨烯薄膜/石墨电极。在半电池中，该电极可在3min 的充电周期内承受3000 次循环；以该电极为阳极和LiFePO4为阴极的全电池，可在4℃条件下每10min 的充电周期内表现出312.1W·h/kg 的超高能量密度，这表明垂直石墨烯薄膜/石墨阳极在保持高能量密度的同时具有极快的充电能力。Mo 等[121]以MgO 为催化剂和模板，通过CVD 法合成高质量的氮掺杂介孔石墨烯（HNMG），制备出了可用于快速充电和高能锂离子电池的高质量石墨烯电极。HNMG 因其独特的结构，具有优异的电化学稳定性、电子和离子导电性，作为阳极使用时具有高可逆容量、优异的倍率性能以及出色的循环稳定性（在2℃条件下循环500 次，容量保持率＞99%），可为锂离子电池提供一种具有高能量功率性能的优异阳极材料。Liang等[122]通过真空诱导干燥（VID）工艺制备出3D 多孔石墨烯骨架（HGF），利用这种无黏结剂的3DHGF制造的电极具有高度互联的分层多孔结构，可实现快速充电和离子传输。质量负载为4mg/cm2的3D-HGF电极具有优异的倍率性能，即使2000次循环后，在8mA/cm2的电流密度下也可提供高达5mA·h/cm2的面容量。这种简单的VID方法促使3D石墨烯基电极材料向实用快速充电储能装置迈进关键一步。

（6）其他领域 除在上述五个领域的应用外，石墨烯还在电池电极材料[123]、储氢/甲烷材料[124]、重金属污水处理[125]、萃取技术[126]、纺织领域[127]、纳米发电机[128]、功能性复合材料[129]等方面具有良好的应用前景。

虽然具有极大的应用前景，但石墨烯的应用还没有形成完整的产业链，目前仍没有出现一种可以实现规模化生产的石墨烯产品，石墨烯的最大需求仍旧是各大高校及科研院所的研究使用，其大规模产业化应用仍然面临着技术、市场、成本等多方面因素的制约。

首先是技术因素。虽然石墨烯的制备方法已达20 多种，但规模化生产品质高、尺寸大、成本低的石墨烯仍未取得实质性突破，难以达到工业化量产的要求。其次是市场因素。目前石墨烯市场还没有统一的产业标准，各种打着石墨烯旗号的产品层出不穷，但绝大多数产品只是用石墨烯作为添加剂，对传统材料进行了改性处理，经过改性后的材料性能提升并不明显，石墨烯并不是非添加不可，并没有出现真正的高品质、高附加值和能体现石墨烯独特性能的产品。一些号称取得了突破性进展的科研机构或企业，也只是停留在样品或实验室产品阶段，并没有形成产业化商品。最后是成本因素。石墨烯研究和产业化应用仍处在探索阶段，其研发周期长、投资成本高，目前还没有可观的资金回报，这都是阻碍石墨烯进一步产业化应用的因素。

石墨烯的应用目前仍处在起步阶段，但鉴于石墨烯优异的性能以及巨大的应用前景，各国政府和企业对石墨烯的有关研究都投入了大量的人力、物力、财力。相信随着研究的不断深入，在不久的将来，石墨烯的奇点必会到来，其作为“新材料之王”的价值也必将体现出来。

4 结语与展望

全球范围内，天然石墨每年的产量不超过150万吨，与黑色金属、有色金属等行业规模无法相比，但是作为重要的战略性非金属矿产资源，石墨具有用途广泛、深加工产品附加值高、产业链条长等特点。我国天然石墨资源禀赋较差，且行业中多为中小企业，多年来对石墨的应用依旧以初级加工产品为主，具有高附加值的精深加工产品不多。近年来，石墨在新兴战略性产业领域的应用显著提高，为了满足新能源、新电子信息技术、新材料工业等新兴产业的发展需求，完成我国石墨产业由初级加工向精深加工转型的目标，可以从以下几个方面加强石墨资源的开发利用。

（1）拓展产业链条，完善产业结构 随着对石墨研究的不断深入，石墨产业由初级加工逐渐向精深加工发展，产业链不断拓展和向下游延伸。我国石墨产业链较短，产业结构不合理，通过整合石墨资源，提高行业标准，加大研发资金对石墨深加工的支持，鼓励有条件的企业进行上下游一体化开发，建立石墨产业统计体系等措施，促进石墨深加工水平的提升和产业上下游协调发展，进而完善产业链条，完成产业升级。

（2）推动产业发展关键技术的创新 我国低价出口石墨初级产品的同时，又高价进口具有高附加值的石墨深加工产品，究其原因，既有国外对我国实行石墨加工的技术封锁，也有我国尚未攻破关键技术的症结。预计到2030 年，我国石墨需求量将达到134.8 万吨，其中新能源领域将达到50.4%，为实现关键技术的突破，应充分发挥我国石墨资源大国的优势，整合各类科研力量，切实加强石墨产业前沿技术和关键技术的研究；构建石墨产业创新平台，发挥科技创新优势，积极推进学、研、产、用的联合攻关，全面提升石墨产业的技术含量；加强知识产权保护，积极开展与国际间的产业合作交流，加快推进石墨产业一体化、高端化发展。

（3）把握市场需求 近年来石墨市场的需求不断扩大，以石墨烯为代表的产品也不断细分、深化，石墨产业正在重新洗牌，我国石墨产业发展迎来了难得的重大机遇。为了抓住这次发展机遇，实现《中国制造2025》中所制定的石墨烯2025 年整体产业规模破千亿的发展目标，应该以市场为主导，瞄准市场需求，专注前沿领域，紧跟发展趋势，抓住发展机遇，提前完成石墨产业布局，才能更好地实现弯道超车、后来居上。

随着我国一系列的政策支持和企业不断的技术积累，石墨作为“万能”的非金属材料，其产业发展必将进入提速阶段，也将迎来以石墨为引领的新材料产业革命的到来，迈入应用领域更为广泛的“石墨时代”。