1、天然石墨深加工定义
天然石墨经开采及浮选工艺后，就形成一些石墨原料及初级加工石墨产品。而天然石墨要想在更宽、更深的领域发展，就需要进行深加工处理。
天然石墨深加工的技术方向主要有纯度、粒度、形状、表面、改性几个方面。纯度，即高纯度石墨，如人造金刚石用的原料石墨，以及核工业中用的的石墨，就是高纯石墨；粒度方面，往往是要微细粉，但柔性石墨要大鳞片；形状方面，要求低比表面积的，如锂离子电池负极，石墨形状近似球状，要求高比表面积的，如某些添加剂。
2、天然石墨深加工定义
目前天然石墨深加工品体系非常丰富，包括高纯石墨、膨胀石墨、球形石墨、氟化石墨、石墨乳、胶体石墨等等。在石墨深加工产品中，高纯石墨、膨胀石墨、球形石墨、氟化石墨是其中应用比较多，产线建设较多的几种，其各自下游应用简况如下图。
图1. 石墨深加工品及其应用图
3、高纯石墨应用及趋势
天然石墨精细加工的第一步是解决纯净度，普通的中高碳石墨是不能在高技术产业中应用的，通常要求达到高纯级。按国家科技部高技术研究发展中心编撰的《中国新材料产品目录(2004)》中界定，鳞片石墨碳含量≥99.9%，微晶石墨≥99%为高纯石墨。某些特殊领域如用于核能、半导体等高新技术产业则要求达到 C≥99.99%。
高纯石墨应用范围非常广泛，同时也是其他高附加值深加工产品的基础原料。比如用于锂电池负极的球形石墨就需要高纯石墨。氟化石墨的生产也需要高纯石墨作为原料。除球形石墨、氟化石墨等以外，高纯各向同性石墨是高纯石墨应用比较重要的两块。
各向同性石墨材料产品是指以天然石墨和石油焦为主要原料的等静压成型的细结构和超细结构石墨，产品为块体状的人工石墨制品。其产品主要有高温气冷堆用石墨反射块、高温气冷堆球状反应堆用石墨球、核级石墨垫片、高温气冷堆用电极石墨粉、半导体石墨等。
图2.核反应堆结构示意图
按照我国石岛示范堆的设计方案，高温气冷堆每万千瓦需就要使用60吨核石墨。截至2016年1月1日，全球在建核反应堆总装机量为67585MW，其中我国在建核反应堆总装机量为26885MW，拟建核反应堆总装机量达46859MW。未来几年，我国仅核石墨一项就需要近30万吨。
4、球形石墨应用及趋势
球形石墨是以优质天然鳞片石墨为原料、采用先进加工工艺对石墨表面进行改性处理，生产的不同细度，形似椭圆球形的石墨产品。球形石墨加工机理：首先把天然鳞片石墨粉粉碎成适宜的粒度，然后再进行去棱角化的加工处理，使之最终形成椭球形或类球形的外形，同时利用分级装置将球形颗粒与去棱角化过程中剥离下来的细粉分离开来，便可得到正态分布的球形石墨。
球形石墨的固定碳含量要达到99.95%以上，根据提纯工艺所处阶段不同有两种方式。一种是直接以高纯石墨为原料，进行球形化；一种则是以高碳石墨为原料，球形化后，由负极材料厂商再进行提纯。下图是以高纯天然石墨为原料生产锂电负极的生产流程图：
图3.以高纯天然石墨为原料生产锂电负极流程图
天然石墨是一种很好的负极材料。它的成本低、结晶程度高，提纯、粉碎、分级技术成熟，这些为其在锂离子电池行业的应用奠定了良好的基础。目前使用的锂电池负极材料中天然石墨负极占比达到55%。近年来锂电池生产及应用发展迅速，从我国锂电负极产量看，2011年锂电负极产量只有2.3万吨，2016年锂电负极产量就达到12.25万吨。可以预见，未来几年锂电池出货量会继续高歌猛进，负极需求也会进一步增长。
图4. 锂电池结构示意图
图5. 不同锂电负极占比
图6. 2011年以来我国锂电池负极材料产量
图7. 2011年以来全球锂电池电芯产值
5、天然石墨深加工定义
膨胀石墨：又叫作蠕虫石墨，是一种利用物理或化学的方法使非碳质反应物插入天然鳞片石墨层间纳米碳材料，与炭素的六角网络平面结合的同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物。
膨胀石墨应用范围比较广泛，膨胀石墨经过进一步加工，做成密封材料、保温发热剂、隔热隔音材料、防火安全材料、新型发热材料、以及核反应慢化剂材料，最终应用于汽车、机械、钢铁冶炼、消防安全、医药、以及核电等领域。下图是石墨巨头西格里集团生产的膨胀石墨应用情况。
图8. 西格里集团膨胀石墨产品
表1.膨胀石墨应用领域一览
在膨胀石墨应用中，密封材料是应用最为成熟的方向。根据学者高天明的预测，到2020年天然石墨密封材料需求将达到5.4-5.6万吨。具体预测如下表：
表2.石墨密封材料需求预测表
随着膨胀石墨在防火、隔热、医疗等领域应用的进一步拓展，需求还会进一步提升。
6、氟化石墨应用
氟化石墨是石墨碳与氟直接反应而制得的一类层间化合物，其化学结构式可用（CFx）n表示，其中F/C比（x）为不定值，变化区间为0<x<1.25。氟化石墨的性质随分子中x值不同而不同，x=1-1.25称为高氟化度石墨，x=0.5-0.99被称之为低氟化度石墨，氟化石墨颜色随着氟含量的增加，由灰黑色变为雪白色。
高氟化度石墨具有优良的热稳定性，是电和热的绝缘体，不受强酸和强碱的腐蚀，润滑性能超过MoS2和鳞片石墨。由于氟化石墨具有许多优异性能，在军事、航空、航天、冶金、机电、化工及特种材料领域具有广泛应用，是当前最具经济前景的新型石墨制品。
氟化石墨主要用于固体润滑剂、电池正极或正极添加剂、核反应堆中子减速剂、反射材料、其他等领域。从全球来看，氟化石墨在各个应用领域的需求比例依次为31%、32%、15%、14%和8%。
虽然氟化石墨目前全球产量只有1000多吨，但是单价却奇高，氟化石墨国家价格在10-30万美元/吨。随着氟化石墨应用的深入，需求还会进一步增加。
图9. 氟化石墨应用情况图
总的来看，随着新能源、核工业、电子信息等新兴产业的发展，石墨深加工品未来市场前景广阔。而我国目前石墨深加工技术与德国、法国、美国、日本等发达国家相比还是有较大差距，因此发展我国石墨深加工产业具有非常重要及长远的意义。
来源：DT新材料一DT高分子在线
编辑整理：中国粉体技术网
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