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          人類高科技發展中的“黑馬”——石墨
          
      
          
		來源：
?地球雜志 | 作者： | 時間：2023-02-15 14:54:39 | 人氣：
             
      
          
      
      
          
  
      
       
          
          
		  
		  

       
          		
           
   
           
       
          　　樣如金蹙小能輕，微潤將融紫玉英。石墨一研為鳳尾，寒泉半勺是龍睛。這是唐代詩人皮日休對石墨的描述。石墨在我國有悠久的應用歷史。我國迄今所見最早的墨，是1975年在湖北云夢秦墓出土的墨塊。據李孝美在《墨譜》中記載，最早的墨是用漆和石粉所做。陶宗僅在《輟耕錄》卷二十九中說，中古時期出現了用石頭磨墨。古人對利用石墨，開創了文明的新篇章。未來，它仍將是改變世界的秘密武器。
          


          　　自然界中的碳和石墨
          


          　　石墨是自然界中天然存在的最軟的礦物之一，但它和最硬的金剛石有著相同的化學組成——碳元素。它們都是由地質作用形成的天然產物，只是內部結構的不同導致了他們的物理性質完全不同。隨著科技的發展，石墨用途愈加廣泛，也充分展示了現代科技的力量。
          


          　　石墨在許多工業和技術應用領域都能大顯神通。由于耐高低溫和導電性，石墨可用于耐火材料、顏料等原料。隨著對石墨抗腐蝕、抗輻射、自潤滑等性質認識的深入，其應用領域也愈加廣泛，出現了高純石墨、核工業用石墨、石墨纖維、浸硅石墨等。
          


          　　世界生產天然石墨的國家有20多個，主要是中國、印度、墨西哥、馬達加斯加和巴西。中國石墨資源豐富，總保有量多年居世界之首。主要分布于黑龍江、內蒙古、山西、四川、山東、湖南和新疆等省區。
          


          　　我國墨礦床根據成因分為區域變質型、接觸變質型和巖漿熱液型。
          


          　　區域變質型主要與區域變質作用密切相關，分布在古老地臺周緣的元古代地層中，以產出晶質石墨為主，是最重要的石墨礦產類型。
          


          　　接觸變質型主要分布在濱太平洋構造域活動大陸邊緣活動帶，與加里東期、燕山期巖漿活動有關，礦體分布在巖體外接觸帶，品位高但規模較小，以產出隱晶質石墨為主。
          


          　　巖漿熱液型石墨礦較少，產于堿性花崗巖中，新疆蘇吉泉石墨礦床最為典型，以鱗片狀結構，含鱗片狀晶質石墨為主。
          


           
          


          　　新疆黃羊山石墨礦——找礦突破行動成果
          


          


          

          　　新疆昌吉州奇臺縣黃羊山石墨礦，是迄今為止國內規模最大的晶質石墨礦床。2015～2017年，中國地質調查局在奇臺縣黃羊山地區實現晶質石墨礦找礦重大突破，在Ⅰ-1找礦靶區新發現兩個礦體，共估算晶質石墨礦物資源量7264萬噸，達超大型礦床規模，超過目前國內所有晶質石墨礦床晶質石墨礦物資源量的總和。黃羊山石墨礦床由8個礦體組成，均賦存于不同期次的花崗巖中。石墨礦床發育典型的球狀構造，礦石質量高，可選性好，具有較好的開發利用前景。 
          


          　　在顯微鏡下觀察，黃羊山石墨礦石成纖維狀、束狀，并發育磁鐵礦、黃銅礦和磁黃鐵礦等金屬礦物。在石墨礦的巖芯中，發育球狀石墨和硫化物，利用微米CT掃描技術，顯示石墨與金屬硫化物具有密切共生關系，有些黃銅礦和磁黃鐵礦顆粒被石墨簇穿切，表明石墨的形成晚于金屬硫化物。
          


          　　地質學家研究認為，黃羊山石墨礦床形成于堿性巖漿上侵過程中同化混染有機碳質，在結晶分異過程中發生流體不混溶作用，最終形成球狀石墨，屬于巖漿型礦床。這是我國發現的首個超大型巖漿巖型晶質石墨礦，是自然資源部會同科技部共同實施找礦突破行動的巨大成果，開辟了巖漿巖型晶質石墨礦找礦新領域，改變了新疆石墨資源稀缺的局面和我國晶質石墨資源“東多西少”的分布格局。
          


           
          


          

          　　石墨的應用
          


          　　在高端裝備制造領域，石墨用作原子彈反應堆中的中子減速劑和防護材料。柔性石墨用于原子能閥門密閉；制造固體燃料火箭的噴嘴，導彈的鼻錐，宇宙航行設備的零件，隔熱材料和防射線材料，人造衛星上的無線電鏈接和導電結構材料等。
          


          　　在新能源制造領域，核能用高溫氣冷型燃料基體材料需用天然鱗片石墨，利用石墨良好的導電性制成太陽能電池、風力發電儲能用電池, 此外以天然石墨為原料，生產鋰離子電池、新型動力電池、超級電容，用于混合動力汽車、電動汽車、太陽能汽車等領域。
          


          　　在信息技術領域，石墨鋰電池用于通訊基站、筆記本電腦、手機等充電器，石墨烯超級電容為電信和數據通訊提供能量儲存，石墨烯還可制成可折疊的顯示屏，未來石墨烯用于計算機芯片，制造下一代超級計算機。
          


          　　在新材料領域，石墨與其他元素的復合材料，應用于海洋、化工等領域的石墨烯重防腐涂料，新一代石墨烯無機粉末涂料，用于不粘鍋涂料及LED燈具的石墨烯導熱涂料等。
          


           
          


          　　“黑”科技—石墨烯
          


          　　石墨烯的出現，在科學界激起了巨大的波瀾，吸引了世人的目光。世界各高、精、尖領域都出現石墨烯的身影。也促使天然石墨產業現代化發展日新月異，石墨也成了眾多“黑”科技的原材料。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。
          


          　　2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈•海姆和康斯坦丁•諾沃肖洛夫，在實驗中成功地從石墨中分離出石墨烯，從而證實石墨烯可以單獨存在，兩人也因此獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨也一躍成為當今炙手可熱的重大戰略資源。
          


          　　石墨烯作為目前發現的最?。?.142納米）、最堅硬、導電導熱最快的材料之一，被廣泛用于現代高科技領域。一支鉛筆在紙上留下的痕跡，可能都會有幾倍甚至十幾倍的石墨烯的厚度。
          


          　　石墨烯以其獨特的力學和電學特性被稱為“神奇材料”，中國科學技術大學吳恒安教授團隊與諾獎得主的英國曼徹斯特大學安德烈•海姆教授課題組合作，在石墨烯功能材料研究方面取得突破性進展，發現了氧化石墨烯薄膜具有精密快速篩選離子的性能。山西大學激光光譜研究所陳旭遠團隊，利用等離子體增強化學氣相沉積工藝合成了高達80微米的超高豎直石墨烯，并應用于超級電容器中，展現出了優越的電化學性能及儲能能力。
          


          　　美國、中國、歐盟、日本、印度等國家將石墨作為“關鍵礦產”或“戰略性礦產”。有研究人員預計2030年中國石墨需求將會達到138.7萬噸。石墨資源的開發備受世界礦業界關注，石墨的深加工和有效利用日益成為國際新材料領域的科技前沿，石墨成為21世紀名副其實“黑”科技的源泉。
          


           
          


          　　文章來源自《地球》雜志2021年第六期 有刪減