炭和石墨材料是以碳元素为主的非金属固体材料，其中炭材料基本上由非石墨质碳组成的材料，而石墨材料则是基本上由石墨质碳组成的材料。为了简便起见，有时也把炭和石墨材料统称为炭素材料（或碳材料）。

简介

炭和石墨材料是以碳元素为主的非金属固体材料，其中炭材料基本上由非石墨质碳组成的材料，而石墨材料则是基本上由石墨质碳组成的材料。为了简便起见，有时也把炭和石墨材料统称为炭素材料（或碳材料）。

炭素制品按产品用途可分为石墨电极类、炭块类、石墨阳极类、炭电极类、糊类、电炭类、炭素纤维类、特种石墨类、石墨热交换器类等。石墨电极类根据允许使用电流密度大小，可分为普通功率石墨电极。高功率电极、超高功率电极。炭块按用途可分为高炉炭块、铝用炭块、电炉块等。炭素制品按加工深度高低可分为炭制品、石墨制品、炭纤维和石墨纤维等。炭素制品按原料和生产工艺不同，可分为石墨制品、炭制品、炭素纤维、特种石墨制品等。炭素制品按其所含灰分大小，又可分为多灰制品和少灰制品（含灰分低于l％）。

我国炭素制品的国家技术标准和部颁技术标准是按产品不同的用途和不同的生产工艺过程进行分类的。这种分类方法，基本上反映了产品的不同用途和不同生产过程，也便于进行核算，因此其计算方法也采用这种分类标准。下面介绍炭素制品的分类及说明。

材料及其分类

1、金刚石：是目前所知自然界中最硬的物）质，其晶体构造基本上为面心立方格子，每个碳原子都被周围四个碳原子所围绕，以共价键相连，强度高，莫氏硬度为10，所以通常用作切削、磨削和切割材料。当金刚石中含有微量杂质时，有半导体的性能，可以做高温整流器或固体微波器件等。天然金刚石又是贵重宝石(金刚钻)。金刚石分为Ⅰ型、Ⅱ型和六方型三种。Ⅰ型的杂质含量较高，其中氮的含量在0.0025%～0.2%,绝大多数天然金刚石属此型。Ⅱ型是极纯的金刚石，结晶完整，氮的含量少于0.001%，导热性良好,具有半导体性能。天然金刚石中1%～2%属此型。用特殊的人工方法（如超高压高温法）可以将非金刚石结构的碳转化为金刚石，即人造金刚石。

2、石墨：碳原子以四配位多面体组成网层，网层之间以分子键联结，形成六方晶片。石墨是特殊的无机非金属材料，兼有金属和塑料的性能和其他一系列特性，在冶金、化工、电力和电子、机械、纺织和原子能等工业部门获得广泛应用。

石墨的用途与其性质密切关联。①耐高温、热稳定性良好，在3600℃下也不熔化，因此用作冶金工业中坩埚、炉内的耐火材料等。②有良好的导热和导电性（比不锈钢高4倍）,导电系数随温度升高而降低。用来制造电极、电刷、碳棒、换热器、冷却器等。③化学稳定性好，能耐酸、碱和有机介质的侵蚀，普遍用以制造酸碱工业、石油化工、纺织、造纸等工业的换热器、燃烧塔、反应槽、冷却器、吸收塔、泵和加热器等。④润滑性能与二硫化钼相近，耐磨，摩擦系数小于0.1,可在-200～2000℃和100m/s转速下使用，用来制作密封圈和轴承时，不用加润滑剂。⑤可塑性好，能延展成透光、透气的薄片。⑥有良好的中子减速性，用做原子反应堆中减速材料。此外，还用做固体燃料火箭中的喷嘴、航天设备的零件、隔热和防射线材料。石墨最大的缺点是在高温下易氧化，需要在保护气氛下使用。

石墨矿有晶质和隐晶质之分。晶质石墨矿有致密结晶和鳞片结晶两种，前者晶粒大于0.1mm,含碳量在60%～65%，甚至高达80%～90%，但可塑性、可浮选性差。鳞片结晶石墨矿的品位虽低（3%～5%或10%～25%），但性能好。隐晶质石墨又称土状石墨,含碳量可高达90%以上，但性能差。世界上所产石墨半数为土状。苏联是石墨矿储量和产量最大的国家。中国石墨资源也较丰富，多半是鳞片和隐晶石墨。由于石墨矿品位不高,需经选矿和提纯，常用的浮选法（石墨为疏水性）和重选法（石墨相对密度小，为1.9～2.3），可使成品中的含碳量达90%,有些制品还需采用化学提纯,使含碳量提高到97%～99%或高温提纯至99.9%。

3、无定形碳 ：碳原子排列无序，或构成的晶粒过小。煤、天然气、石油或其他有机物在1000℃左右碳化得到的无定形碳是多孔材料，其表面积很大。产品有炭黑、活性炭等。

内容

一、炭和石墨制品

(一)石墨电极类

主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。石墨电极包括：

（1）普通功率石墨电极。允许使用电流密度低于17A／厘米2的石墨电极，主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。

（2）抗氧化涂层石墨电极。表面涂覆一层抗氧化保护层的石墨电极，形成既能导电又耐高温氧化的保护层，降低炼钢时的电极消耗。

（3）高功率石墨电极。允许使用电流密度为18～25A／厘米2的石墨电极，主要用于炼钢的高功率电弧炉。

（4）超高功率石墨电极。允许使用电流密度大于25A／厘米2的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。

（二）石墨阳极类

主要以石油焦为原料，煤沥青作粘结剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、浸渍、石墨化、机加工而制成。一般用于电化学工业中电解设备的导电阳极。包括：

（1）各种化工用阳极板。

（2）各种阳极棒。

（三）特种石墨类

主要以优质石油焦为原料，煤沥青或合成树脂为粘结剂，经原料制备、配料、混捏、压片、粉碎、再混捏、成型、多次焙烧、多次侵渍、纯化及石墨化、机加工而制成。一般用于航天、电子、核工业部门。

它包括光谱纯石墨，高纯、高强、高密以及热解石墨等。

（四）石墨热交换器

将人造石墨加工成所需要的形状，再用树脂浸渍和固化而制成的用于热交换的不透性石墨制品，它是以人造不透性石墨为基体加工而成的换热设备，主要用于化学工业。包括：

（1）块孔式热交换器；

（2）径向式热交换器；

（3）降膜式热交换器；

（4）列管式热交换器。

（五）炭电极类

以炭质材料如无烟煤和冶金焦（或石油焦）为原料、煤沥青为粘结剂，不经过石墨化，经压制成型而烧成的导电电极。它不适合熔炼高级合金钢的电炉。包括：

（l）多灰电极（用无烟煤、冶金焦、沥青焦生产的电极）；

（2）再生电极（用人造石墨、天然石墨生产的电极）；

（3）炭电阻棒（即炭素格子砖）；

（4）炭阳极（用石油焦生产的预焙阳极）；

（5）焙烧电极毛坯。

（六）炭块类

以无烟煤、冶金焦为主要原料，煤沥青为粘结剂，经原料制备、配料、混粘、成型、焙烧、机加工而制成。其中高炉炭块作为耐高温抗腐蚀材料用于砌筑高炉内衬；底部炭块、侧部炭块、电炉块则用于铝电解槽和铁合金电炉等。包括：

（1）高炉炭块；

（2）铝槽炭块（底部炭块及侧部炭块）；

（3）电炉炭块。

（七）炭糊类

以石油焦、无烟煤、冶金焦为主要原料，煤沥青为粘结剂而制成。有的用于各种连续自焙电炉作为导电电极使用的电极糊；有的用于连续自焙式铝槽作为导电阳极使用的阳极糊；有的用于高炉砌筑的填料和耐火泥浆的粗缝糊和细缝糊。高炉用自焙炭块虽用途不同，但和糊类制品的生产工艺相仿，暂归在糊类制品内。包括：

（1）阳极糊；

（2）电极糊（包括标准、非标准电极糊）；

（3）底糊（包括多灰、少灰底糊）；

（4）密闭糊（包括多灰、少灰密闭糊）；

（5）其它糊（包括粗缝糊、细缝糊、自焙炭砖等）。

（八）非标准炭、石墨制品类

这是指用炭、石墨制品经过进一步加工而改制成的各种异型炭、石墨制品。包括铲型阳极、制氟阳极以及各种规格的坩埚、板、棒、块等异型品。

（九）不透性石墨类

这是指经树脂及各种有机物浸渍、加工而制成的各种石墨异型品，包括热交换器的基体块。

（十）电炭产品类

这是指炭精棒、电刷等产品。

二、炭素纤维

它包括各种炭纤维、石墨纤维、预氧丝、炭布、炭带、炭绳、炭毡及其复合材料。其中炭纤维为含碳量高于93％的纤维。用聚丙烯睛纤维、粘胶丝和沥青纤维经碳化制成。热处理温度由低至高，可分别制成耐热纤维、碳化纤维和石墨纤维。

结构分析

1、针状焦

针状焦是制造高功率和超高功率电极的优质材料，用针状焦制成的石墨电极具有耐热冲击性能强、机械强度高、氧化性能好、电极消耗低及允许的电流密度大等优点。

目前生产的针状焦根据使用的原料可分为石油系和煤系两类。以石油渣油为原料生产的针状焦为油系针状焦；以煤焦油沥青及其馏分为原料生产的针状焦为煤系针状焦。两种针状焦生产工艺不完全相同，但用途基本相同。

现在全球只有美国、英国和日本能生产石油系针状焦。煤系针状焦只有日本能生产，且已形成油系、煤系生产针状焦共存局面。日本的三菱化成和新日化公司的生产装置于20世纪70年代末和80年代初投产。美国大湖炭素公司却在1950年首先开发成功。1964年美国联合碳化物公司成功地以针状焦为原料制造出超高功率电极。

目前全球针状焦产量约120万t左右，而我国产量只有5万t，我国每年针状焦需求量约30～40万t，80％～90%依赖进口。目前国产针状焦价格波动在1.5～1.8万元/t,比去年上涨了40%。加大投入开发研究生产针状焦及引进先进技术，扩大产量是发展方向。因进口的针状焦数量有限，锦州石化公司的产量也只有3万t/a。因此国内超高功率电极的产量只好由针状焦的数量来决定。

2、煤沥青

在石墨电极生产中作为粘结剂，主要分中温沥青与改质沥青。中温沥青是焦油蒸馏残液部分，产率占焦油的54~56%。改质沥青是以中温沥青为原料制取的。

国内煤沥青价格在年后呈先稳后扬的趋势，其上涨的主要原因仍是原料价格的上涨，加之下游接货较为积极，使得煤沥青价格小幅走高。中温沥青主流成交价在2400-2500元/吨，改质沥青主流成交价在2500-2750元/吨。西北地区受地域的影响，煤沥青价格相对较低。华北、华东地区原料煤焦油市场年后持上涨的势头，焦油深加工企业在成本的压力下，纷纷上调煤沥青价格，上涨幅度100-150元/吨。

3、石油焦：

在石墨电极生产中作为骨料。

石油焦是以原油经蒸馏后的重油或其它重油为原料，以高流速通过500℃加热炉的炉管,使裂解和缩合反应在焦炭塔内进行，再经生焦到一定时间冷焦、除焦生产出石油焦。

普通焦用于制造电极、绝缘材料，碳化硅和冶炼工业燃料。优质焦主要用作炼钢高功率和超高功率的石墨电极。特种焦是生产反应堆用核石墨套管原料。