商務(wù)部、海關(guān)總署近日發(fā)布了關(guān)于優(yōu)化調(diào)整石墨物項臨時出口管制措施的公告，其中指出，滿足以下特性的物項未經(jīng)許可不得出口：高純度(純度>99.9%)、高強度(抗折強度>30Mpa)、高密度(密度>1.73克/立方厘米)的人造石墨材料及其制品;天然鱗片石墨及其制品(包含球化石墨、膨脹石墨等)。

當(dāng)前，高端市場的石墨消費量正在逐步增加，其中，新能源汽車動力電池領(lǐng)域已躍升為石墨第一大消費領(lǐng)域。被稱為“黑金”的石墨，還廣泛應(yīng)用于機械、化工、航空、航天、國防、電力等諸多領(lǐng)域。那么，石墨有何特殊之處?它為什么會出現(xiàn)在國家出口材料限制名單中?對于現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展，石墨又有哪些重要作用呢?

涉足機械化工航空航天的“黑金”

石墨又被稱為碳素，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，天然石墨來自石墨礦藏，而人造石墨是以石油焦、瀝青焦等為原料，經(jīng)過一系列工序加工制成。

說到石墨的用途，最廣為人知的就是制作鉛筆，但實際上，它能廣泛應(yīng)用于機械、化工、航空、航天、國防、電力、冶金、紡織等多個領(lǐng)域，因而也被譽為“黑金”。

經(jīng)過無數(shù)科學(xué)實驗，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、高抗壓強度、高抗腐蝕性、摩擦力低與自潤滑等多種物理和化學(xué)特性。在機械工業(yè)中，由于石墨的潤滑性，它常用作軸承潤滑劑的填料，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、反應(yīng)罐、管件、壓縮機、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極材料，如在太陽能(5.740, -0.03, -0.52%)、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，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，石墨由于具有高強度、高剛度和優(yōu)異的耐腐蝕性，可用于制造飛機結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機部件和燃料儲存器、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，因為新能源電動車需要電池驅(qū)動，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極。充電時，鋰離子從正極脫嵌，通過電解液和隔膜，嵌入負極;反之，在放電時，鋰離子從負極脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜，嵌入正極。

其中，鋰離子電池的負極是由負極活性物質(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，目前已成為全球主流的鋰離子電池負極材料。

石墨負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。過去，合成石墨更受青睞，因為它的均勻性和純度優(yōu)于天然石墨。但是，隨著現(xiàn)代化學(xué)提純方法的改進和優(yōu)化，已經(jīng)可以通過熱處理獲得純度為99.9%的天然石墨，而合成石墨的純度現(xiàn)在最高為99%，因此天然石墨的受歡迎度大幅提高。

根據(jù)聯(lián)合國能源署的報告，2022年，全球新車銷量中約有14%是電動車，超過1000萬輛，中國、歐洲和美國市場主導(dǎo)了全球銷量。其中，中國再次成為領(lǐng)跑者，電動車銷量約占全球電動車銷量的60%。另一數(shù)據(jù)顯示，2022年全球電動車消費支出超過4250億美元，比前一年增長50%，其中僅有10%由政府支持，其余均來自消費者。由此可見，石墨的產(chǎn)業(yè)需求非常之大。

電動車采用的是清潔能源，有助于緩解氣候變暖、實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》控制全球升溫2℃以內(nèi)的目標(biāo)，毫無疑問，清潔能源將是未來能源和交通的重要發(fā)展方向。

石墨烯青出于藍而勝于藍

提到“黑金”，就不得不說一說石墨烯。石墨烯是從石墨中分離出來的，其名聲在科學(xué)界非常響亮，因為2010年諾貝爾物理學(xué)獎的主角就是它。

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，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

過去，人們認為石墨烯這種物質(zhì)是無法單獨存在的。因為這種只有一個原子厚度的二維材料，一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫貢獻了一種非常簡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，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。這樣不斷操作，使薄片越來越薄，最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。

那么，石墨烯有什么作用呢?從人類使用材料的歷史來看，先后經(jīng)歷了石器、陶器、銅器、鐵器時代，現(xiàn)正行進在以硅為主要物質(zhì)載體的信息時代，而硅正是信息時代芯片的主要制造材料。但是，在下一個量子時代，可能就是石墨烯的時代。

石墨烯是目前世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬的物質(zhì)。它的電子不僅能在晶格中無障礙地移動，而且速度極快，遠遠超過了電子在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動速度，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、更堅硬、更輕薄、更強韌、更透光等優(yōu)點，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汽車使用一樣，石墨烯也有這個用途，且充電更快，可重復(fù)使用幾萬次。據(jù)悉，目前國內(nèi)已有車企研發(fā)石墨烯基超級快充電池，計劃實現(xiàn)8分鐘將電量充至80%，續(xù)駛里程達1000公里。相信未來隨著充電設(shè)施的日益完善和相關(guān)技術(shù)的進步，石墨烯電池將擁有更廣闊的發(fā)展前景，推動電動車行業(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)熱膜可用于手機高效散熱等。

中國也早就開始布局石墨烯產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用。2018年3月，中國首條全自動量產(chǎn)石墨烯有機太陽能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動，該項目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機太陽能電池，以破解目前太陽能發(fā)電的三大難題，即應(yīng)用局限、對角度敏感、不易造型。另外，科研成果也在不斷涌現(xiàn)，如浙江大學(xué)納米高分子團隊通過近十年研究，開發(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紡布等;中國電科55所研制出了世界上電子運行速度最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：一類是以天然石墨作為原料，經(jīng)過氧化還原法、液相剝離法、微機械剝離等方法制備;另一類是以甲烷、乙烯、乙炔等碳氫化合物為原料采用氣相沉積法、SiC(碳化硅)外延生長法等制備。相較而言，利用天然石墨制備石墨烯是現(xiàn)在商業(yè)化程度最高的方式，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)，是滿足一國未來發(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量約為3.3億噸，其中，土耳其石墨資源儲量排名世界第一，占比27.3%;巴西排名第二，占比22.4%;中國位列第三，占比15.8%;馬達加斯加排名第四，占比7.9%。

隨著科技發(fā)展，目前在新能源汽車、電子信息和核工業(yè)等高科技行業(yè)的高端市場，石墨消費量正在逐步增加，僅新能源汽車動力電池領(lǐng)域消費鏈占比已超50%，成為石墨第一大消費領(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，廣泛應(yīng)用于電動車和中高端電子產(chǎn)品領(lǐng)域。

不夸張地說，石墨是保障新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定、提升核心競爭力的重要原材料之一。無論是天然石墨還是人造石墨，對于現(xiàn)代科技發(fā)展都各有用處。以發(fā)展的眼光來看，未來一是要注重保護和量入為出地利用天然石墨，二是可以通過人造石墨來彌補天然石墨的不足。

特定石墨物項被限制出口還在于對軍事和國防的考量。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)含量不能超過幾十個ppm(百萬分之一)，特別是其中的硼含量要少于0.5ppm。更重要的是，石墨還可用來制造一種“人道”炸彈，也稱軟炸彈、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)上空炸開后，石墨炸彈會釋放出100至200個易拉罐大小的罐體，當(dāng)罐內(nèi)的爆炸裝置起爆后，置于其中的石墨纖維線團就會散開、降落在裸露的高壓電力線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。

中國對石墨這種新世紀的高端和戰(zhàn)略材料早已謀篇布局。2015年5月國務(wù)院頒布了《中國制造2025》，確立了新一代信息技術(shù)、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、新材料等十個重點領(lǐng)域。其中，石墨高端材料和前沿材料石墨烯廣泛應(yīng)用于《中國制造2025》重點發(fā)展的多個領(lǐng)域，在許多高科技產(chǎn)品生產(chǎn)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

經(jīng)過多年發(fā)展，中國在高純石墨、石墨負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)品碳含量可達到99.99%，甚至99.999%，達到國際先進水平。中國的球形石墨產(chǎn)業(yè)也已延伸至鋰離子電池負極材料領(lǐng)域。

在當(dāng)今國際社會，石墨被公認為“21世紀支撐高新技術(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，美國將石墨列為難以獲得的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)之一;2016年，我國將晶質(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)負責(zé)人在答記者問中所說的，中國政府依據(jù)《出口管制法》規(guī)定，對石墨物項作出有進有出優(yōu)化調(diào)整的決定，有利于更好履行防擴散等國際義務(wù)，有利于保障全球供應(yīng)鏈產(chǎn)業(yè)鏈安全穩(wěn)定，有利于更好維護國家安全和利益。

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