孟 弘

( 中國科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究院，北京 100038)

1 引言

石墨是碳材料的重要組成部分，具有良好的導電、導熱、潤滑、耐高溫、化學穩(wěn)定、可塑、抗熱震等特殊性能，已廣泛應用于冶金、化工、機械、電子、航空航天、國防軍工等行業(yè)，是國民經(jīng)濟建設、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和國防科技工業(yè)發(fā)展的重要基礎原材料，在其應用的諸多行業(yè)中具有產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度高和不可替代性等特征［1］。我國是世界上石墨儲量最豐富的國家，已探明儲量占世界總儲量的70%，也是第一生產(chǎn)大國和出口大國［2］，在世界石墨行業(yè)中占有重要地位。然而，在整個石墨產(chǎn)業(yè)鏈中，我國仍然處于價值鏈低端［3］，產(chǎn)品以礦產(chǎn)原料和初級產(chǎn)品為主，深加工產(chǎn)品較少，環(huán)境污染較嚴重，資源回收率較低，與發(fā)達國家石墨產(chǎn)業(yè)相比存在較大的差距。

2 我國石墨產(chǎn)業(yè)轉型升級的科技需求

在產(chǎn)業(yè)競爭日趨激烈且新需求不斷涌現(xiàn)的情況下，我國石墨產(chǎn)業(yè)正面臨著轉型升級的迫切需求。而要轉變我國石墨產(chǎn)業(yè)附加值低、利潤流失的“資源—產(chǎn)品—廢棄物”線性發(fā)展模式，就必須依靠科技創(chuàng)新，突破深加工技術瓶頸，通過深加工延長產(chǎn)業(yè)鏈進而走向價值鏈的高端，形成從采礦、選礦、提純、深加工到循環(huán)利用的全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)集群，實現(xiàn)我國石墨產(chǎn)業(yè)的轉型升級。

2.1 實現(xiàn)清潔高效開發(fā)

當前，我國石墨產(chǎn)業(yè)高能耗、高污染、低效率的問題依然嚴重。在采礦環(huán)節(jié)，小規(guī)模掠奪式開采模式普遍存在，開采技術力量薄弱，生產(chǎn)工藝落后，缺少專業(yè)化協(xié)作分工和規(guī)模效應，缺乏正規(guī)的礦山開采設計，采富棄貧現(xiàn)象嚴重，剝采比例嚴重失調(diào)，甚至只采不剝;在選礦和提純環(huán)節(jié)，主要采用多級浮選法進行初選，再通過多級強酸強堿法進行提純，浮選和提純廢水含有大量劇毒有害物質(zhì)，嚴重威脅地表水和地下水安全;在深加工環(huán)節(jié)，由于技術、工藝和裝備的落后導致深加工產(chǎn)品的技術標準不高、批次質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低下［4］;在尾礦環(huán)節(jié)，基本采取堆積的方式，不僅占用大量的地表面積，而且尾礦中有毒有害物質(zhì)對水資源威脅巨大，缺乏資源綜合利用的系統(tǒng)考慮。

因此，實現(xiàn)石墨產(chǎn)業(yè)轉型升級首先就要實現(xiàn)清潔高效開發(fā)，這就需要在采礦環(huán)節(jié)開發(fā)能耗低、環(huán)境友好、生產(chǎn)能力強的綠色保護性開采技術和工藝，研制自動化、大型化的石墨礦專用開采裝備;在選礦環(huán)節(jié)，開發(fā)高效清潔且能保護石墨大鱗片的浮選技術及工藝，研制全流程自動化綠色選礦系統(tǒng);在提純環(huán)節(jié)，開發(fā)節(jié)能環(huán)保型提純技術工藝，研制配套的大型連續(xù)式提純關鍵裝備;在深加工環(huán)節(jié)，突出應用導向，充分利用高技術增加石墨產(chǎn)品的價值，增加深加工產(chǎn)品的比重，真正做到石墨產(chǎn)業(yè)的高效開發(fā);在資源綜合利用環(huán)節(jié)，開發(fā)適用于石墨及伴生元素綜合回收技術、尾礦資源化利用技術、礦山生態(tài)治理與修復技術。

2.2 適應戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展

2012 年7 月9 日，國務院發(fā)布了《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，對節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術、生物、高端裝備制造、新能源、新材料、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)進行了部署。鑒于石墨在新能源、節(jié)能環(huán)保等領域的廣闊應用前景，《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的發(fā)布對我國石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展既是一個難得的機遇，也是一個重大的挑戰(zhàn)。目前，我國天然石墨在大型動力型鋰離子電池和儲能型鋰離子電池中的使用尚處于研究開發(fā)階段，主要是在循環(huán)壽命、倍率特性與低溫性能等方面達不到動力電池負極材料要求，因此為了降低成本，急需研發(fā)符合要求的天然石墨基鋰離子電池負極材料;我國只能生產(chǎn)低品質(zhì)的各向同性石墨，高品質(zhì)各向同性石墨完全依賴進口且受國外出口限制［5］，我國大力發(fā)展核電的客觀需求使得高質(zhì)量各向同性石墨的國產(chǎn)化的要求更加迫切;我國在柔性石墨密封材料上與國際水平的差距是高檔產(chǎn)品少、品牌效益差、缺乏明確的質(zhì)量技術標準，需要對不同用途的柔性石墨密封材料研發(fā)通用級、高導熱級、核能級、緩蝕級、高純級等不同的技術標準。

因此，在新能源領域，我國石墨產(chǎn)業(yè)需要突破動力型和儲能型鋰離子電池用石墨負極材料的制備技術和成型技術，攻克核反應堆用各向同性石墨、鋰氟電池用氟化石墨的制備技術等。在節(jié)能環(huán)保領域，我國石墨產(chǎn)業(yè)需要突破低硫高抗氧化可膨脹石墨的制備技術，研制用于油污處理、污水凈化等民生領域的高效吸附材料，開發(fā)高強型、高導熱型、緩蝕型、超薄型、高純型、高導電型等系列高端柔性石墨密封材料制備技術、工藝及生產(chǎn)裝備。

2.3 創(chuàng)造新的應用需求

石墨產(chǎn)業(yè)作為典型的資源型原材料產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)的轉型升級必須以應用為牽引，以提升自主創(chuàng)新能力為重點，充分依托全國科技和工業(yè)基礎，在基礎科學和核心關鍵技術取得重大突破的基礎上，開發(fā)新的產(chǎn)品，開拓新的應用領域，創(chuàng)造新的應用需求。目前，石墨烯是石墨產(chǎn)業(yè)最前沿的科技和產(chǎn)業(yè)概念之一［6］，在電池材料領域如鋰離子電池正負極材料、燃料電池催化劑及其載體、超級電容器材料以及太陽能電池材料等方面已經(jīng)取得了較大的進展，且很有希望成為最先獲得產(chǎn)業(yè)化應用的領域。但目前的研究多為將石墨烯與現(xiàn)有材料的復合，發(fā)揮石墨烯的優(yōu)點以提高材料的宏觀性能［7］，而針對石墨烯在相關領域的基礎研究相對薄弱，如石墨烯的嵌脫鋰機制、電催化過程中的作用機理、界面電荷輸運動力學、光電轉換增強機制等方面亟需開展系統(tǒng)深入的理論研究工作，進而拓展石墨烯的應用領域。

因此，我國石墨產(chǎn)業(yè)的轉型升級還需要不斷地創(chuàng)造新的應用需求，推動石墨產(chǎn)業(yè)持續(xù)向高端發(fā)展。這就需要跟蹤國外發(fā)達國家石墨應用領域的高技術發(fā)展態(tài)勢，積極研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的新技術、新工藝和新設備。根據(jù)國外石墨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和我國的現(xiàn)狀，需要突破石墨烯規(guī)?；苽浼夹g，面向納米電路技術、石墨烯晶體管、石墨烯電容觸摸屏、新能源電池宏觀組裝、新型顯示技術、納米復合材料制備技術等領域開展石墨烯在新型功能復合材料中的應用研究;突破浸硅石墨的規(guī)模化制備技術，開發(fā)高導熱/導電/耐高溫石墨復合材料的制備工藝，攻克金屬/石墨的界面設計和調(diào)控技術等，進而創(chuàng)造更多的應用需求。

3 對策建議

為了實現(xiàn)我國石墨產(chǎn)業(yè)的轉型升級，完成深加工技術的突破，全面提升我國石墨產(chǎn)業(yè)的科研技術水平和生產(chǎn)保障能力，建議近期我國科技主管部門在以下方面進行重點部署:

3.1 基礎研究方面

以解決石墨采選、深加工和應用中的關鍵科學問題為目標，開展天然石墨礦物結構與性能、石墨烯的制備與應用、石墨改性等方面的基礎研究，為關鍵技術攻關和新產(chǎn)品研發(fā)提供堅實的理論保障。重點研究方向如下:

(1)天然石墨礦物結構與性能研究。研究天然石墨的地質(zhì)特征和礦石礦物學，研究天然石墨的礦物結構、雜質(zhì)元素的賦存規(guī)律及其對天然石墨理化性能的影響，研究不同礦物在選礦和深度提純進程中的性狀及其行為，建立石墨工藝礦物學數(shù)據(jù)庫及工藝礦物學研究方法。

(2)石墨烯的制備與應用基礎研究。開展石墨烯的特性、生長機理和采用鱗片石墨的規(guī)模化制備方法研究，突破石墨烯層數(shù)控制和理化分離的理論與技術;研究石墨烯的修飾、改性及其功能化原理與方法，研究石墨烯表面缺陷、摻雜、官能團的表征方法和形成機理;開展石墨烯在新型功能復合材料中的應用基礎研究。

(3)石墨改性的基礎研究。研究石墨在化學改性、層間化合物改性、物理改性等過程中電子鍵合和晶體結構的變化規(guī)律，并研究其對改性產(chǎn)物的性能影響機制，突破系列高性能改性石墨材料和新型石墨功能材料制備及應用的關鍵科學問題。

3.2 前沿技術方面

瞄準石墨提純的節(jié)能環(huán)保和未來高端應用需求，探索石墨提純的新路徑和新方法，開發(fā)高性能石墨/M 復合負極材料、各向同性石墨、浸硅石墨、高性能石墨復合材料，研制相關裝備，提升產(chǎn)業(yè)關鍵環(huán)節(jié)的技術能力。重點研究方向如下:

(1)高效磁電提純工藝技術。開發(fā)石墨射頻介電分選提純技術及配套裝備;研究石墨聚磁永磁超強磁(3T)分選提純技術，石墨微波加熱淬火裂解技術及石墨高溫除雜技術，開發(fā)配套裝備;研究石墨射頻介電分選提純用介電液體回收技術;建立石墨射頻電選—聚磁永磁超強磁選—微波除雜綜合深加工工藝流程;研究石墨及其雜質(zhì)礦物射頻、微波場中介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、比磁化系數(shù)的測試技術。

(2)高性能石墨/M 復合負極材料開發(fā)。研究石墨/M (包括硅、錫、金屬氧化物等)復合鋰離子電池負極材料的結構設計、可控制備和改性技術，研制配套的材料制備及電極制作裝備;開發(fā)儲能型高能量密度負極材料，動力型高功率密度負極材料，研究提高材料充放電效率和長期循環(huán)穩(wěn)定性、降低負極材料成本的工藝技術，研究石墨復合負極材料與正極材料、復合負極材料與電解液體系的匹配集成技術，開發(fā)相關的鋰離子電池制造技術和提高負極材料充放電效率及長期循環(huán)穩(wěn)定性的綜合技術。

(3)各向同性石墨制備技術及裝備開發(fā)。研究天然石墨制備各向同性石墨的技術，突破天然石墨制備各向同性石墨的成型技術和加工技術，開展鱗片石墨和微晶石墨制備各向同性石墨材料的產(chǎn)業(yè)化技術研究。

(4)浸硅石墨制備技術及裝備開發(fā)。研究浸硅石墨的規(guī)模化制備技術，研究制備工藝對浸硅石墨抗氧化性能、抗熱震性能、摩擦性能及力學性能的影響，開展天然石墨制備浸硅石墨的產(chǎn)業(yè)化技術研究，開發(fā)配套的生產(chǎn)裝備。

(5)高導熱/導電/耐高溫石墨復合材料制備技術。研究高導熱/導電/耐高溫石墨復合材料的制備工藝，突破石墨復合材料的界面改性技術和低成本制備技術，開展石墨及其復合材料的異質(zhì)連接產(chǎn)業(yè)化技術研究，建立石墨復合材料導電、導熱、高溫力學等綜合性能評價體系。

3.3 應用技術方面

以清潔高效加工和搶占高端應用為目標，攻克清潔高效采選、連續(xù)提純的技術和裝備，開發(fā)高性能膨脹石墨、高端柔性石墨密封材料、動力型鋰離子電池用天然石墨負極材料、氟化石墨、高端金屬/石墨復合材料等產(chǎn)品，推動其在相關行業(yè)中的應用。重點研究方向如下:

(1)石墨礦清潔高效采選技術工藝及裝備開發(fā)。開發(fā)能耗低、環(huán)境友好、生產(chǎn)能力強的綠色保護性開采技術和工藝，研制自動化、大型化的石墨礦專用開采裝備;研究選礦各環(huán)節(jié)對石墨大鱗片的損害規(guī)律，開發(fā)高效清潔且能保護石墨大鱗片的浮選技術及工藝，研發(fā)全流程自動化綠色選礦系統(tǒng)。

(2)石墨綜合利用及尾礦資源化利用技術。開發(fā)適用于石墨及伴生有價元素綜合回收的新型、高效、綠色藥劑的開發(fā)和藥劑配伍技術;研究石墨尾礦制備新型建材等產(chǎn)業(yè)化資源利用技術;研究石墨礦山生態(tài)治理與修復技術。

(3)節(jié)能環(huán)保型提純技術工藝。開發(fā)改進型堿熔法-混酸法石墨提純工藝及產(chǎn)業(yè)化集成技術，研制配套的高效清潔提純關鍵裝備;研究天然石墨微波化學提純技術，中低溫物理化學提純技術，開發(fā)石墨提純新工藝;研究高溫提純爐的加熱、爐體材料、雜質(zhì)分離等關鍵技術，研制配套的大型連續(xù)式提純關鍵裝備。

(4)高性能膨脹石墨制備與應用技術。開發(fā)低硫高抗氧化可膨脹石墨的制備技術及工藝，研制新型可膨脹石墨生產(chǎn)設備;研究細粒膨脹石墨的制備技術，開發(fā)使用細粒膨脹石墨的系列阻燃材料;研究膨脹石墨吸附材料制備技術，開發(fā)用于油污處理、污水凈化等民生領域的吸附材料，研制能夠現(xiàn)場生產(chǎn)吸附材料的可移動裝備。

(5)高端柔性石墨密封材料研究。開發(fā)高強型、高導熱型、緩蝕型、超薄型、高純型、高導電型等系列高端柔性石墨密封材料制備技術、工藝及生產(chǎn)裝備;制定不同用途柔性石墨密封材料的質(zhì)量技術標準。

(6)動力型鋰離子電池用天然石墨負極材料開發(fā)。研究石墨粉體改性技術、粉碎技術，突破小顆粒鱗片石墨球形化技術及工藝，開發(fā)節(jié)能高效的連續(xù)化生產(chǎn)設備;開發(fā)球形石墨及新型負極材料中有害磁性物質(zhì)的高強去除技術;開展動力型鋰離子電池用天然石墨負極材料的成分和結構設計，開發(fā)天然石墨負極材料的制備技術和成型技術，研發(fā)提高天然石墨負極材料倍率特性、低溫性能和循環(huán)壽命的新技術及新工藝。

(7)氟化石墨關鍵技術研究。研究不同氟源的石墨插層技術，不同催化條件下前驅(qū)體合成技術，突破氟化石墨的低溫合成關鍵技術，開發(fā)安全高效的合成工藝方法和專用設備。

(8)高端金屬/石墨復合材料開發(fā)。開展金屬/石墨復合材料的制備工藝及產(chǎn)品服役性能評價研究，突破金屬/石墨的界面設計和調(diào)控技術，建立金屬/石墨復合材料產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)示范線。

［1］尹麗文. 世界石墨資源開發(fā)利用現(xiàn)狀［J］.國土資源情報，2011，(6):29 -32.

［2］崔源聲，李輝，徐德龍. 世界天然石墨生產(chǎn)、消費與國際貿(mào)易［J］.中國非金屬礦工業(yè)導刊，2012，(4):48 -51.

［3］苑金生. 我國石墨行業(yè)發(fā)展存在問題及改進措施［J］.中國非金屬礦工業(yè)導刊，2008，(1):20 -22.

［4］沈萬慈. 石墨產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化與天然石墨的精細加工［C］.第28 屆全國炭素技術信息交流會論文集，2012.

［5］沈萬慈，康飛宇. 天然石墨精細加工技術及新材料的研發(fā)［C］.第十屆全國新型炭材料學術研討會論文集，2011.

［6］張麗娟. 歐洲著力推進石墨烯商業(yè)化進程［J］.科學中國人，2013，(7):14 -15.

［7］王國華，周旭峰，劉兆平. 石墨烯技術專利分析［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2013，(11):37 -45.