天然高纯石墨和人造高纯石墨

天然高纯石墨

工业上通常将天然石墨按照晶体直径划分为晶质石墨（晶体直径大于1μm）与隐晶质石墨或称非晶质石墨（晶体直径小于1μm）。晶质石墨一般指鳞片石墨，按照其粒径不同，划分为大鳞片石墨（晶体直径大于147μm）与小鳞片石墨（晶体直径小于147μm）。天然鳞片石墨具有较高的石墨化程度。其特点是轻质、硬度低、加工性能好、电阻率低、热导率高，具有一定的磁导率。鳞片石墨与其他类型的石墨相比，虽品位不高，常与石英、石榴子石、云母、长石和方解石等伴生，但具有较好的可浮性、可塑性和润滑性，可通过反复磨矿和多次选别、富集等方法，获得较高品位的石墨精矿，含碳量一般可以达到80%~99.5%，拥有较高的工业应用价值。

隐晶质石墨，晶体直径小于1μm，是微晶集合体，其矿石品位普遍较高，但选矿难度较大，提纯效果差。隐晶质石墨的传统利用方式是生产铅笔、炭棒、耐火材料及铸造等。这些下游产品主要利用土状石墨价格低廉且碳元素含量较高，并未真正利用土状石墨的独特形貌和物性。隐晶质石墨和晶质石墨最大的区别是粒径细小，且呈近似球形，作为各向同性石墨的原料具有先天性优势。中国科学院山西煤化所、清华大学等科研单位将隐晶质石墨用于各向同性石墨的成型过程中，发现隐晶质石墨的引入对石墨制品的孔隙和各向同性均有积极作用。这一发现给非晶质石墨的利用提供了新的可能性。

自然界中没有纯净的石墨，石墨矿中往往含有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，还有水、沥青、CO2、H2、CH4，N2等气体部分。因此，石墨的分析除了测定固定碳含量之外，还必须测定挥发分和灰分的含量。石墨的提纯工艺就是取有效的手段除去这部分杂质。石墨纯度越高，即含碳量越高，其价值也越高，应用范围越广。

利用天然石墨制备高纯石墨往往是先利用浮选方法对石墨矿进行初步提纯，而后利用碱酸法、氢氟酸法对浮选精矿进一步提纯，最终利用高温法或高温氯化法获得高纯石墨产品。

人造高纯石墨

人造石墨通常是指利用优质石油焦、沥青焦作为骨料，加入煤沥青作为粘结剂及其他辅料通过一系列高温石墨化处理获得的石墨材料。一般是将原料经过初步处理后放入特制高温反应炉中进行石墨化和提纯，主要炉型有艾奇逊石墨化炉、内热串接石墨化炉和连续式石墨化电炉三类。主要是利用高温炉的超高温度将石油焦和沥青焦石墨化并通入卤素气体与杂质反应使之气化而挥发，从而获得高纯石墨。

人造高纯石墨生产过程中虽然可以利用高温煅烧过程，除去部分石油焦和沥青焦中的杂质，但对石油焦原料中硫含量和灰分有着明确要求。伴随着目前高硫原油的使用量逐渐增多，高硫石油焦也逐渐增多，为了使石油焦硫含量满足人造高纯石墨生产用低硫石油焦硫含量要求，合理高效的石油焦脱硫工艺被众多学者进行深入探索。

石墨纯度决定石墨深加工产品的使用性能和综合性能，石墨纯度越高，应用价值越高。例如石墨作为负极材料被大量应用于锂离子电池生产行业，纯度要求99.98%以上；天然石墨用于合成人造金刚石，纯度要求99.999%以上，其中B含量更是要求小于0.01×10-6；用于航空航天、国防、核工业的特种石墨，纯度要求99%~99.99%甚至更高；石墨粉用于合成第三代半导体SiC晶圆，纯度要求更是高达99.9995%以上。石墨的提纯是制备所有石墨材料的基础，是石墨材料发展的共性问题。能耗低、产能高、污染少的石墨提纯工艺是目前研发的重点。