石墨有何特殊之處？出口管制有哪些科技考量？
編輯：2023-11-08 16:36:13
當(dāng)前，高端市場(chǎng)的石墨消費(fèi)量正在逐步增加，其中，新能源汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域已躍升為石墨第一大消費(fèi)領(lǐng)域。被稱(chēng)為“黑金”的石墨，還廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、航空、航天、國(guó)防、電力等諸多領(lǐng)域。那么，石墨有何特殊之處？它為什么會(huì)出現(xiàn)在國(guó)家出口材料限制名單中？對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展，石墨又有哪些重要作用呢？
涉足機(jī)械化工航空航天的“黑金”
石墨又被稱(chēng)為碳素，從外觀上看是灰黑色、不透明的固體，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，不易與酸、堿等藥劑發(fā)生反應(yīng)。它包括天然和人造（加工）兩類(lèi)，天然石墨來(lái)自石墨礦藏，而人造石墨是以石油焦、瀝青焦等為原料，經(jīng)過(guò)一系列工序加工制成。
說(shuō)到石墨的用途，*廣為人知的就是制作鉛筆，但實(shí)際上，它能廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、航空、航天、國(guó)防、電力、冶金、紡織等多個(gè)領(lǐng)域，因而也被譽(yù)為“黑金”。
經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，石墨被證明具備耐高溫、高導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性、抗熱震性、阻燃性、高抗壓強(qiáng)度、高抗腐蝕性、摩擦力低與自潤(rùn)滑等多種物理和化學(xué)特性。在機(jī)械工業(yè)中，由于石墨的潤(rùn)滑性，它常用作軸承潤(rùn)滑劑的填料，如用于制備石墨密封圈、石墨齒輪等；在化學(xué)工業(yè)中，石墨可制成化學(xué)熱交換器、閥門(mén)、反應(yīng)罐、管件、壓縮機(jī)、耐腐蝕材料等；在冶金工業(yè)中，石墨用作耐火材料的原料，可制備電爐煉鋼中的石墨坩堝、耐高溫石墨磚、滲碳劑、涂層劑、防銹涂料、鑄型涂料等；在電力電氣工業(yè)中，石墨常用于生產(chǎn)鋰電池等新能源電池的負(fù)極材料，如在太陽(yáng)能、焊接碳、碳管、水銀整流器中應(yīng)用；在核工業(yè)中，當(dāng)石墨純度為99.99%時(shí)，可應(yīng)用于原子反應(yīng)堆的反原子輻射外殼或中子減速劑；在航空領(lǐng)域，石墨由于具有高強(qiáng)度、高剛度和優(yōu)異的耐腐蝕性，可用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件和燃料儲(chǔ)存器、導(dǎo)電陶瓷、電磁屏蔽材料、導(dǎo)熱材料等；在航天領(lǐng)域，石墨可以用于制造航天器結(jié)構(gòu)件、熱控制材料、導(dǎo)熱材料、導(dǎo)電材料等，以及用于制造航天器的熱保護(hù)材料和隔熱材料，以提高航天器的熱控制性能和安全性能。
新能源車(chē)鋰電池的關(guān)鍵原材料
現(xiàn)在，石墨廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)，因?yàn)樾履茉措妱?dòng)車(chē)需要電池驅(qū)動(dòng)，而鋰離子電池需要石墨。
鋰離子電池是將兩種不同的能夠可逆地嵌入和脫嵌的鋰嵌入化合物，分別用作電池的正極和負(fù)極。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，通過(guò)電解液和隔膜，嵌入負(fù)極；反之，在放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，嵌入正極。
其中，鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)極活性物質(zhì)、黏結(jié)劑和添加劑混合制成糊狀膠水，均勻地鋪在銅箔的兩面，經(jīng)干燥、壓延而成。而石墨就是極好的負(fù)極材料，它具有電子導(dǎo)電率高、嵌鋰前后層狀結(jié)構(gòu)體積變化小、嵌鋰容量高、嵌鋰電位低等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為全球主流的鋰離子電池負(fù)極材料。
石墨負(fù)極材料包括人造石墨、天然石墨、硬碳、軟碳及中間相碳球等，鋰離子電池采用的石墨材料一般由55%的合成石墨和45%的低純度天然石墨混合制成。過(guò)去，合成石墨更受青睞，因?yàn)樗木鶆蛐院图兌葍?yōu)于天然石墨。但是，隨著現(xiàn)代化學(xué)提純方法的改進(jìn)和優(yōu)化，已經(jīng)可以通過(guò)熱處理獲得純度為99.9%的天然石墨，而合成石墨的純度現(xiàn)在*高為99%，因此天然石墨的受歡迎度大幅提高。
根據(jù)聯(lián)合國(guó)能源署的報(bào)告，2022年，全球新車(chē)銷(xiāo)量中約有14%是電動(dòng)車(chē)，超過(guò)1000萬(wàn)輛，中國(guó)、歐洲和美國(guó)市場(chǎng)主導(dǎo)了全球銷(xiāo)量。其中，中國(guó)再次成為領(lǐng)跑者，電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量約占全球電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量的60%。另一數(shù)據(jù)顯示，2022年全球電動(dòng)車(chē)消費(fèi)支出超過(guò)4250億美元，比前一年增長(zhǎng)50%，其中僅有10%由政府支持，其余均來(lái)自消費(fèi)者。由此可見(jiàn)，石墨的產(chǎn)業(yè)需求非常之大。
電動(dòng)車(chē)采用的是清潔能源，有助于緩解氣候變暖、實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》控制全球升溫2℃以?xún)?nèi)的目標(biāo)，毫無(wú)疑問(wèn)，清潔能源將是未來(lái)能源和交通的重要發(fā)展方向。
石墨烯青出于藍(lán)而勝于藍(lán)
提到“黑金”，就不得不說(shuō)一說(shuō)石墨烯。石墨烯是從石墨中分離出來(lái)的，其名聲在科學(xué)界非常響亮，因?yàn)?010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的主角就是它。
石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。
過(guò)去，人們認(rèn)為石墨烯這種物質(zhì)是無(wú)法單獨(dú)存在的。因?yàn)檫@種只有一個(gè)原子厚度的二維材料，一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫貢獻(xiàn)了一種非常簡(jiǎn)單的獲得石墨烯的方法，即從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。這樣不斷操作，使薄片越來(lái)越薄，*后便能得到僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，即石墨烯。為此，兩位科學(xué)家共同獲得了2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
那么，石墨烯有什么作用呢？從人類(lèi)使用材料的歷史來(lái)看，先后經(jīng)歷了石器、陶器、銅器、鐵器時(shí)代，現(xiàn)正行進(jìn)在以硅為主要物質(zhì)載體的信息時(shí)代，而硅正是信息時(shí)代芯片的主要制造材料。但是，在下一個(gè)量子時(shí)代，可能就是石墨烯的時(shí)代。
石墨烯是目前世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的*薄、*堅(jiān)硬的物質(zhì)。它的電子不僅能在晶格中無(wú)障礙地移動(dòng)，而且速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度，的確是極好的導(dǎo)電材料。此外，石墨烯的導(dǎo)熱性也超過(guò)了現(xiàn)有一切已知物質(zhì)。因此，石墨烯具有的導(dǎo)電更好、傳熱更快、更堅(jiān)硬、更輕薄、更強(qiáng)韌、更透光等優(yōu)點(diǎn)，注定了它在電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等方面均可大展拳腳。
如同石墨可以制成電池供電動(dòng)汽車(chē)使用一樣，石墨烯也有這個(gè)用途，且充電更快，可重復(fù)使用幾萬(wàn)次。據(jù)悉，目前國(guó)內(nèi)已有車(chē)企研發(fā)石墨烯基超級(jí)快充電池，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)8分鐘將電量充至80%，續(xù)駛里程達(dá)1000公里。相信未來(lái)隨著充電設(shè)施的日益完善和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，石墨烯電池將擁有更廣闊的發(fā)展前景，推動(dòng)電動(dòng)車(chē)行業(yè)的發(fā)展。此外，石墨烯還可應(yīng)用于日常生活中，如石墨烯復(fù)合膜阻氧、阻水性能好，用于包裝材料可提高食品保質(zhì)期；石墨烯纖維可制成發(fā)熱服飾和醫(yī)療保健用品；石墨烯電熱膜電熱轉(zhuǎn)換效率高，可逐步代替暖氣供熱；石墨烯導(dǎo)熱膜可用于手機(jī)*散熱等。
中國(guó)也早就開(kāi)始布局石墨烯產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用。2018年3月，中國(guó)首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能光電子器件生產(chǎn)線(xiàn)在山東菏澤啟動(dòng)，該項(xiàng)目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能電池，以破解目前太陽(yáng)能發(fā)電的三大難題，即應(yīng)用局限、對(duì)角度敏感、不易造型。另外，科研成果也在不斷涌現(xiàn)，如浙江大學(xué)納米高分子團(tuán)隊(duì)通過(guò)近十年研究，開(kāi)發(fā)出了石墨烯纖維、石墨烯連續(xù)組裝膜、石墨烯超輕氣凝膠及石墨烯無(wú)紡布等；中國(guó)電科55所研制出了世界上電子運(yùn)行速度*快的柔性石墨烯晶體管等。
截至目前，石墨烯的制備根據(jù)原料的不同分為兩類(lèi)：一類(lèi)是以天然石墨作為原料，經(jīng)過(guò)氧化還原法、液相剝離法、微機(jī)械剝離等方法制備；另一類(lèi)是以甲烷、乙烯、乙炔等碳?xì)浠衔餅樵喜捎脷庀喑练e法、SiC（碳化硅）外延生長(zhǎng)法等制備。相較而言，利用天然石墨制備石墨烯是現(xiàn)在商業(yè)化程度*高的方式，作為重要原料的石墨，自然也就成為了石墨烯產(chǎn)業(yè)版圖的重要助力。因此，穩(wěn)定石墨的資源和重視石墨烯的研發(fā)，是滿(mǎn)足一國(guó)未來(lái)發(fā)展之需的關(guān)鍵。
支撐高新技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源
石墨資源在全球的分布比較集中，僅有少數(shù)國(guó)家擁有豐富的石墨礦產(chǎn)。截至2022年底，全球已探明天然石墨資源儲(chǔ)量約為3.3億噸，其中，土耳其石墨資源儲(chǔ)量排名世界第一，占比27.3%；巴西排名第二，占比22.4%；中國(guó)位列第三，占比15.8%；馬達(dá)加斯加排名第四，占比7.9%。
隨著科技發(fā)展，目前在新能源汽車(chē)、電子信息和核工業(yè)等高科技行業(yè)的高端市場(chǎng)，石墨消費(fèi)量正在逐步增加，僅新能源汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域消費(fèi)鏈占比已超50%，成為石墨第一大消費(fèi)領(lǐng)域。天然石墨主要用于小型鋰電池和一般用途的電子產(chǎn)品鋰電池，人造石墨則憑借優(yōu)良的循環(huán)性能、大倍率充放電效率和電解液相容性等顯著優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)和中高端電子產(chǎn)品領(lǐng)域。
不夸張地說(shuō)，石墨是保障新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定、提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要原材料之一。無(wú)論是天然石墨還是人造石墨，對(duì)于現(xiàn)代科技發(fā)展都各有用處。以發(fā)展的眼光來(lái)看，未來(lái)一是要注重保護(hù)和量入為出地利用天然石墨，二是可以通過(guò)人造石墨來(lái)彌補(bǔ)天然石墨的不足。
特定石墨物項(xiàng)被限制出口還在于對(duì)軍事和國(guó)防的考量。在核武器的研制中，石墨作為良好的中子減速劑用于原子反應(yīng)堆中，目前鈾-石墨反應(yīng)堆是應(yīng)用較多的一種原子反應(yīng)堆。在原子反應(yīng)堆使用的石墨純度要求很高，雜質(zhì)含量不能超過(guò)幾十個(gè)ppm（百萬(wàn)分之一），特別是其中的硼含量要少于0.5ppm。更重要的是，石墨還可用來(lái)制造一種“人道”炸彈，也稱(chēng)軟炸彈、斷電炸彈和電力殺手。這種石墨炸彈不殺傷敵方人員，主要攻擊城市的電力輸配系統(tǒng)，使其癱瘓。石墨炸彈由經(jīng)過(guò)特殊處理的純石墨纖維絲制成，每根石墨纖維絲的直徑僅有幾千分之一厘米。在目標(biāo)上空炸開(kāi)后，石墨炸彈會(huì)釋放出100至200個(gè)易拉罐大小的罐體，當(dāng)罐內(nèi)的爆炸裝置起爆后，置于其中的石墨纖維線(xiàn)團(tuán)就會(huì)散開(kāi)、降落在裸露的高壓電力線(xiàn)或變電站變壓器等電力設(shè)施上，這些具有極好導(dǎo)電性能的石墨纖維可使電力設(shè)施發(fā)生短路燒毀，造成大范圍停電。
中國(guó)對(duì)石墨這種新世紀(jì)的高端和戰(zhàn)略材料早已謀篇布局。2015年5月國(guó)務(wù)院頒布了《中國(guó)制造2025》，確立了新一代信息技術(shù)、節(jié)能與新能源汽車(chē)、電力裝備、新材料等十個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。其中，石墨高端材料和前沿材料石墨烯廣泛應(yīng)用于《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)發(fā)展的多個(gè)領(lǐng)域，在許多高科技產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，中國(guó)在高純石墨、石墨負(fù)極材料等高端石墨材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)上也取得了一些突破。中國(guó)部分企業(yè)在石墨高純技術(shù)上日臻成熟，已掌握化學(xué)酸堿法和物理高溫法生產(chǎn)高純石墨，產(chǎn)品碳含量可達(dá)到99.99%，甚至99.999%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。中國(guó)的球形石墨產(chǎn)業(yè)也已延伸至鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域。
在當(dāng)今國(guó)際社會(huì)，石墨被公認(rèn)為“21世紀(jì)支撐高新技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源”，其重要性不言而喻。2010年，歐盟將石墨列為14種緊缺礦產(chǎn)資源之一；2013年，美國(guó)將石墨列為難以獲得的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)之一；2016年，我國(guó)將晶質(zhì)石墨列入戰(zhàn)略性礦產(chǎn)目錄……正如此前商務(wù)部有關(guān)負(fù)責(zé)人在答記者問(wèn)中所說(shuō)的，中國(guó)政府依據(jù)《出口管制法》規(guī)定，對(duì)石墨物項(xiàng)作出有進(jìn)有出優(yōu)化調(diào)整的決定，有利于更好履行防擴(kuò)散等國(guó)際義務(wù)，有利于保障全球供應(yīng)鏈產(chǎn)業(yè)鏈安全穩(wěn)定，有利于更好維護(hù)國(guó)家安全和利益。（張?zhí)锟保?/span>
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石墨有何特殊之處？出口管制有哪些科技考量？
編輯：2023-11-08 16:36:13
當(dāng)前，高端市場(chǎng)的石墨消費(fèi)量正在逐步增加，其中，新能源汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域已躍升為石墨第一大消費(fèi)領(lǐng)域。被稱(chēng)為“黑金”的石墨，還廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、航空、航天、國(guó)防、電力等諸多領(lǐng)域。那么，石墨有何特殊之處？它為什么會(huì)出現(xiàn)在國(guó)家出口材料限制名單中？對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展，石墨又有哪些重要作用呢？
涉足機(jī)械化工航空航天的“黑金”
石墨又被稱(chēng)為碳素，從外觀上看是灰黑色、不透明的固體，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，不易與酸、堿等藥劑發(fā)生反應(yīng)。它包括天然和人造（加工）兩類(lèi)，天然石墨來(lái)自石墨礦藏，而人造石墨是以石油焦、瀝青焦等為原料，經(jīng)過(guò)一系列工序加工制成。
說(shuō)到石墨的用途，*廣為人知的就是制作鉛筆，但實(shí)際上，它能廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、航空、航天、國(guó)防、電力、冶金、紡織等多個(gè)領(lǐng)域，因而也被譽(yù)為“黑金”。
經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，石墨被證明具備耐高溫、高導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性、抗熱震性、阻燃性、高抗壓強(qiáng)度、高抗腐蝕性、摩擦力低與自潤(rùn)滑等多種物理和化學(xué)特性。在機(jī)械工業(yè)中，由于石墨的潤(rùn)滑性，它常用作軸承潤(rùn)滑劑的填料，如用于制備石墨密封圈、石墨齒輪等；在化學(xué)工業(yè)中，石墨可制成化學(xué)熱交換器、閥門(mén)、反應(yīng)罐、管件、壓縮機(jī)、耐腐蝕材料等；在冶金工業(yè)中，石墨用作耐火材料的原料，可制備電爐煉鋼中的石墨坩堝、耐高溫石墨磚、滲碳劑、涂層劑、防銹涂料、鑄型涂料等；在電力電氣工業(yè)中，石墨常用于生產(chǎn)鋰電池等新能源電池的負(fù)極材料，如在太陽(yáng)能、焊接碳、碳管、水銀整流器中應(yīng)用；在核工業(yè)中，當(dāng)石墨純度為99.99%時(shí)，可應(yīng)用于原子反應(yīng)堆的反原子輻射外殼或中子減速劑；在航空領(lǐng)域，石墨由于具有高強(qiáng)度、高剛度和優(yōu)異的耐腐蝕性，可用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件和燃料儲(chǔ)存器、導(dǎo)電陶瓷、電磁屏蔽材料、導(dǎo)熱材料等；在航天領(lǐng)域，石墨可以用于制造航天器結(jié)構(gòu)件、熱控制材料、導(dǎo)熱材料、導(dǎo)電材料等，以及用于制造航天器的熱保護(hù)材料和隔熱材料，以提高航天器的熱控制性能和安全性能。
新能源車(chē)鋰電池的關(guān)鍵原材料
現(xiàn)在，石墨廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)，因?yàn)樾履茉措妱?dòng)車(chē)需要電池驅(qū)動(dòng)，而鋰離子電池需要石墨。
鋰離子電池是將兩種不同的能夠可逆地嵌入和脫嵌的鋰嵌入化合物，分別用作電池的正極和負(fù)極。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，通過(guò)電解液和隔膜，嵌入負(fù)極；反之，在放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，嵌入正極。
其中，鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)極活性物質(zhì)、黏結(jié)劑和添加劑混合制成糊狀膠水，均勻地鋪在銅箔的兩面，經(jīng)干燥、壓延而成。而石墨就是極好的負(fù)極材料，它具有電子導(dǎo)電率高、嵌鋰前后層狀結(jié)構(gòu)體積變化小、嵌鋰容量高、嵌鋰電位低等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為全球主流的鋰離子電池負(fù)極材料。
石墨負(fù)極材料包括人造石墨、天然石墨、硬碳、軟碳及中間相碳球等，鋰離子電池采用的石墨材料一般由55%的合成石墨和45%的低純度天然石墨混合制成。過(guò)去，合成石墨更受青睞，因?yàn)樗木鶆蛐院图兌葍?yōu)于天然石墨。但是，隨著現(xiàn)代化學(xué)提純方法的改進(jìn)和優(yōu)化，已經(jīng)可以通過(guò)熱處理獲得純度為99.9%的天然石墨，而合成石墨的純度現(xiàn)在*高為99%，因此天然石墨的受歡迎度大幅提高。
根據(jù)聯(lián)合國(guó)能源署的報(bào)告，2022年，全球新車(chē)銷(xiāo)量中約有14%是電動(dòng)車(chē)，超過(guò)1000萬(wàn)輛，中國(guó)、歐洲和美國(guó)市場(chǎng)主導(dǎo)了全球銷(xiāo)量。其中，中國(guó)再次成為領(lǐng)跑者，電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量約占全球電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量的60%。另一數(shù)據(jù)顯示，2022年全球電動(dòng)車(chē)消費(fèi)支出超過(guò)4250億美元，比前一年增長(zhǎng)50%，其中僅有10%由政府支持，其余均來(lái)自消費(fèi)者。由此可見(jiàn)，石墨的產(chǎn)業(yè)需求非常之大。
電動(dòng)車(chē)采用的是清潔能源，有助于緩解氣候變暖、實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》控制全球升溫2℃以?xún)?nèi)的目標(biāo)，毫無(wú)疑問(wèn)，清潔能源將是未來(lái)能源和交通的重要發(fā)展方向。
石墨烯青出于藍(lán)而勝于藍(lán)
提到“黑金”，就不得不說(shuō)一說(shuō)石墨烯。石墨烯是從石墨中分離出來(lái)的，其名聲在科學(xué)界非常響亮，因?yàn)?010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的主角就是它。
石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。
過(guò)去，人們認(rèn)為石墨烯這種物質(zhì)是無(wú)法單獨(dú)存在的。因?yàn)檫@種只有一個(gè)原子厚度的二維材料，一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫貢獻(xiàn)了一種非常簡(jiǎn)單的獲得石墨烯的方法，即從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。這樣不斷操作，使薄片越來(lái)越薄，*后便能得到僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，即石墨烯。為此，兩位科學(xué)家共同獲得了2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
那么，石墨烯有什么作用呢？從人類(lèi)使用材料的歷史來(lái)看，先后經(jīng)歷了石器、陶器、銅器、鐵器時(shí)代，現(xiàn)正行進(jìn)在以硅為主要物質(zhì)載體的信息時(shí)代，而硅正是信息時(shí)代芯片的主要制造材料。但是，在下一個(gè)量子時(shí)代，可能就是石墨烯的時(shí)代。
石墨烯是目前世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的*薄、*堅(jiān)硬的物質(zhì)。它的電子不僅能在晶格中無(wú)障礙地移動(dòng)，而且速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度，的確是極好的導(dǎo)電材料。此外，石墨烯的導(dǎo)熱性也超過(guò)了現(xiàn)有一切已知物質(zhì)。因此，石墨烯具有的導(dǎo)電更好、傳熱更快、更堅(jiān)硬、更輕薄、更強(qiáng)韌、更透光等優(yōu)點(diǎn)，注定了它在電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等方面均可大展拳腳。
如同石墨可以制成電池供電動(dòng)汽車(chē)使用一樣，石墨烯也有這個(gè)用途，且充電更快，可重復(fù)使用幾萬(wàn)次。據(jù)悉，目前國(guó)內(nèi)已有車(chē)企研發(fā)石墨烯基超級(jí)快充電池，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)8分鐘將電量充至80%，續(xù)駛里程達(dá)1000公里。相信未來(lái)隨著充電設(shè)施的日益完善和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，石墨烯電池將擁有更廣闊的發(fā)展前景，推動(dòng)電動(dòng)車(chē)行業(yè)的發(fā)展。此外，石墨烯還可應(yīng)用于日常生活中，如石墨烯復(fù)合膜阻氧、阻水性能好，用于包裝材料可提高食品保質(zhì)期；石墨烯纖維可制成發(fā)熱服飾和醫(yī)療保健用品；石墨烯電熱膜電熱轉(zhuǎn)換效率高，可逐步代替暖氣供熱；石墨烯導(dǎo)熱膜可用于手機(jī)*散熱等。
中國(guó)也早就開(kāi)始布局石墨烯產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用。2018年3月，中國(guó)首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能光電子器件生產(chǎn)線(xiàn)在山東菏澤啟動(dòng)，該項(xiàng)目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能電池，以破解目前太陽(yáng)能發(fā)電的三大難題，即應(yīng)用局限、對(duì)角度敏感、不易造型。另外，科研成果也在不斷涌現(xiàn)，如浙江大學(xué)納米高分子團(tuán)隊(duì)通過(guò)近十年研究，開(kāi)發(fā)出了石墨烯纖維、石墨烯連續(xù)組裝膜、石墨烯超輕氣凝膠及石墨烯無(wú)紡布等；中國(guó)電科55所研制出了世界上電子運(yùn)行速度*快的柔性石墨烯晶體管等。
截至目前，石墨烯的制備根據(jù)原料的不同分為兩類(lèi)：一類(lèi)是以天然石墨作為原料，經(jīng)過(guò)氧化還原法、液相剝離法、微機(jī)械剝離等方法制備；另一類(lèi)是以甲烷、乙烯、乙炔等碳?xì)浠衔餅樵喜捎脷庀喑练e法、SiC（碳化硅）外延生長(zhǎng)法等制備。相較而言，利用天然石墨制備石墨烯是現(xiàn)在商業(yè)化程度*高的方式，作為重要原料的石墨，自然也就成為了石墨烯產(chǎn)業(yè)版圖的重要助力。因此，穩(wěn)定石墨的資源和重視石墨烯的研發(fā)，是滿(mǎn)足一國(guó)未來(lái)發(fā)展之需的關(guān)鍵。
支撐高新技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源
石墨資源在全球的分布比較集中，僅有少數(shù)國(guó)家擁有豐富的石墨礦產(chǎn)。截至2022年底，全球已探明天然石墨資源儲(chǔ)量約為3.3億噸，其中，土耳其石墨資源儲(chǔ)量排名世界第一，占比27.3%；巴西排名第二，占比22.4%；中國(guó)位列第三，占比15.8%；馬達(dá)加斯加排名第四，占比7.9%。
隨著科技發(fā)展，目前在新能源汽車(chē)、電子信息和核工業(yè)等高科技行業(yè)的高端市場(chǎng)，石墨消費(fèi)量正在逐步增加，僅新能源汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域消費(fèi)鏈占比已超50%，成為石墨第一大消費(fèi)領(lǐng)域。天然石墨主要用于小型鋰電池和一般用途的電子產(chǎn)品鋰電池，人造石墨則憑借優(yōu)良的循環(huán)性能、大倍率充放電效率和電解液相容性等顯著優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)和中高端電子產(chǎn)品領(lǐng)域。
不夸張地說(shuō)，石墨是保障新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定、提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要原材料之一。無(wú)論是天然石墨還是人造石墨，對(duì)于現(xiàn)代科技發(fā)展都各有用處。以發(fā)展的眼光來(lái)看，未來(lái)一是要注重保護(hù)和量入為出地利用天然石墨，二是可以通過(guò)人造石墨來(lái)彌補(bǔ)天然石墨的不足。
特定石墨物項(xiàng)被限制出口還在于對(duì)軍事和國(guó)防的考量。在核武器的研制中，石墨作為良好的中子減速劑用于原子反應(yīng)堆中，目前鈾-石墨反應(yīng)堆是應(yīng)用較多的一種原子反應(yīng)堆。在原子反應(yīng)堆使用的石墨純度要求很高，雜質(zhì)含量不能超過(guò)幾十個(gè)ppm（百萬(wàn)分之一），特別是其中的硼含量要少于0.5ppm。更重要的是，石墨還可用來(lái)制造一種“人道”炸彈，也稱(chēng)軟炸彈、斷電炸彈和電力殺手。這種石墨炸彈不殺傷敵方人員，主要攻擊城市的電力輸配系統(tǒng)，使其癱瘓。石墨炸彈由經(jīng)過(guò)特殊處理的純石墨纖維絲制成，每根石墨纖維絲的直徑僅有幾千分之一厘米。在目標(biāo)上空炸開(kāi)后，石墨炸彈會(huì)釋放出100至200個(gè)易拉罐大小的罐體，當(dāng)罐內(nèi)的爆炸裝置起爆后，置于其中的石墨纖維線(xiàn)團(tuán)就會(huì)散開(kāi)、降落在裸露的高壓電力線(xiàn)或變電站變壓器等電力設(shè)施上，這些具有極好導(dǎo)電性能的石墨纖維可使電力設(shè)施發(fā)生短路燒毀，造成大范圍停電。
中國(guó)對(duì)石墨這種新世紀(jì)的高端和戰(zhàn)略材料早已謀篇布局。2015年5月國(guó)務(wù)院頒布了《中國(guó)制造2025》，確立了新一代信息技術(shù)、節(jié)能與新能源汽車(chē)、電力裝備、新材料等十個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。其中，石墨高端材料和前沿材料石墨烯廣泛應(yīng)用于《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)發(fā)展的多個(gè)領(lǐng)域，在許多高科技產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，中國(guó)在高純石墨、石墨負(fù)極材料等高端石墨材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)上也取得了一些突破。中國(guó)部分企業(yè)在石墨高純技術(shù)上日臻成熟，已掌握化學(xué)酸堿法和物理高溫法生產(chǎn)高純石墨，產(chǎn)品碳含量可達(dá)到99.99%，甚至99.999%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。中國(guó)的球形石墨產(chǎn)業(yè)也已延伸至鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域。
在當(dāng)今國(guó)際社會(huì)，石墨被公認(rèn)為“21世紀(jì)支撐高新技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源”，其重要性不言而喻。2010年，歐盟將石墨列為14種緊缺礦產(chǎn)資源之一；2013年，美國(guó)將石墨列為難以獲得的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)之一；2016年，我國(guó)將晶質(zhì)石墨列入戰(zhàn)略性礦產(chǎn)目錄……正如此前商務(wù)部有關(guān)負(fù)責(zé)人在答記者問(wèn)中所說(shuō)的，中國(guó)政府依據(jù)《出口管制法》規(guī)定，對(duì)石墨物項(xiàng)作出有進(jìn)有出優(yōu)化調(diào)整的決定，有利于更好履行防擴(kuò)散等國(guó)際義務(wù)，有利于保障全球供應(yīng)鏈產(chǎn)業(yè)鏈安全穩(wěn)定，有利于更好維護(hù)國(guó)家安全和利益。（張?zhí)锟保?/span>
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