引言

石墨由于特殊的性質，是傳統(tǒng)工業(yè)和戰(zhàn)略性新興產業(yè)所必須的礦物原料，廣泛應用于科技工程領域。歐美等國家將天然石墨列為戰(zhàn)略資源，嚴格限制其開采及技術出口。

而我國石墨產業(yè)面臨著開采秩序混亂，資源浪費嚴重；采選工藝落后，產能過剩，污染嚴重；原礦出口貿易失衡等問題。石墨產業(yè)發(fā)展得到了眾多專家的高度重視，聯名上書呼吁把石墨產業(yè)發(fā)展納入國家戰(zhàn)略地位。

未來天然石墨將越來越被廣泛地應用到高新技術領域，成為支撐高新技術發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。因此，石墨資源能否持續(xù)充足穩(wěn)定供應關乎國家可持續(xù)發(fā)展。

石墨是我國的優(yōu)勢礦產資源，產量、出口量在世界市場上占主導地位。出口是以天然石墨精礦及初級產品為主，而進口則以高、精、尖工藝需要的石墨產品為主。

在石墨的應用方面，早期有學者預測了石墨在耐火材料、坩堝、鑄造、煉鋼等傳統(tǒng)行業(yè)的需求發(fā)展態(tài)勢，同時也指明了未來發(fā)展膨脹石墨、制動襯片、碳纖維等產品。

隨著近些年來對石墨結構性能的深入研究，石墨將跨越傳統(tǒng)行業(yè)的應用，成為新興環(huán)保材料、新興熱交換材料、儲能、導電材料、石墨烯及新型超級電容器材料等。

石墨的歷史消費量保持相對穩(wěn)定，但未來高技術產業(yè)和新能源領域將是石墨消費的主要增長領域。

未來石墨戰(zhàn)略意義也將凸顯。基于以上研究，本文將從石墨消費的主要部門，核算產業(yè)未來發(fā)展對石墨的需求量，以期展望中國未來石墨的需求態(tài)勢，并根據未來石墨在傳統(tǒng)和新領域的發(fā)展形勢，刻畫未來中國石墨產業(yè)鏈的發(fā)展方向，為中國石墨產業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

02 中國石墨供需現狀

2.1石墨應用領域

天然石墨是碳質元素結晶礦物，有晶質和隱晶質兩種形態(tài)。其中，晶質石墨的可浮性、潤滑性、可塑性均優(yōu)于其他類型石墨。在19世紀以前，由于其耐高低溫和導電性，石墨主要用于耐火材料、顏料等的原料。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(yè)用石墨、石墨纖維、浸硅石墨等。特別是近些年來石墨烯的發(fā)現，引起了電子通訊、鋰離子電池、航天軍工、生物醫(yī)藥、環(huán)保、太陽能、光電等新興領域的廣泛關注。這些新材料的發(fā)展，構成天然石墨產業(yè)現代化的重要內容。

2.2中國晶質石墨生產、出口及消費情況

中國是世界上石墨的生產、消費和出口大國。截止2013年底，中國石墨儲量5500萬t，是僅次于巴西的第二大國，占世界儲量的42.31%。2012年底，中國晶質石墨礦物儲量2000萬t，查明資源儲量約2億t；隱晶質石墨礦石儲量約500萬t，資源儲量約3500萬t。

中國是世界最大的石墨生產國，石墨產量由2000年的165萬t，上升到2006年的192萬t,而后逐漸降低。但不同種類的石墨生產呈現不同的態(tài)勢：晶質石墨產量逐年遞增，而隱晶質石墨產量呈減少態(tài)勢。2012年中國石墨產量為87萬t，其中：晶質石墨47萬t，微晶石墨40萬t。

中國是石墨資源大國，但是長期以來卻以生產原礦和低端產品為主。中國是世界石墨的主要出口國，占2000年以來世界出口規(guī)模63%以上。近年來受國際政治及經濟環(huán)境影響，以及我國石墨產業(yè)的整合，石墨出口放緩，2012年中國石墨出口約26萬t。在深加工方面，向石墨高端應用產品發(fā)展。雖然我國在石墨資源整合和深加工方面已經實施了一些措施，但與發(fā)達國家的差距還很明顯。

十多年來中國天然石墨消費量呈增長的態(tài)勢，由2002年的43萬t增長到2012年的67萬t（圖2），年均增長4%。消費結構由傳統(tǒng)耐火材料、鑄造、鉛筆等領域轉向新能源新材料領域。

中國與世界天然石墨消費結構基本相同，主要為耐火材料、冶金鑄造、導電、潤滑等領域（圖3）。但在功能材料生產與應用方面與先進國家有一定的差距。

03 未來石墨資源需求形勢

本研究從部門未來發(fā)展趨勢、石墨在各行業(yè)產品的單位需求量來預測2020年中國的石墨需求量。依據中國石墨消費格局，將石墨消費的主要領域分為：耐火材料、鋼鐵、密封、制動、電池等領域分別進行部門預測。并依據現階段石墨烯發(fā)展現狀，判斷了石墨烯發(fā)展對未來石墨需求的影響。

3.1天然石墨在傳統(tǒng)領域的需求

天然石墨的一個主要用途是生產耐火材料，使得石墨需求與耐火材料和鋼鐵業(yè)緊密相連。雖然近年來石墨行業(yè)在其他新應用領域已經有長足的發(fā)展，鋼鐵、耐火材料行業(yè)石墨占總消費量的比重由20世紀80年代末期的67%~68%，減少為2012年的42%，但它仍然是石墨消費量最大的工業(yè)部門。而在鉛筆行業(yè)石墨的需求仍將保持現在的狀態(tài)。

3.1.1耐火材料（鎂碳磚）石墨的需求

耐火材料石墨的需求量與鎂碳磚產量及其石墨加入量相關。石墨是生產鎂碳磚所用的一種主要碳原料，其種類和純度對鎂碳磚的性能影響十分敏感。一般選擇固定碳含量93%~95%，粒度0~100目晶質石墨。

石墨的需求量隨鋼爐種類、使用部位和操作條件不同而異（表1）。歐洲多采用碳含量10%左右的鎂碳磚，而我國、日本一般都使用含碳量為12%~20%的鎂碳磚。

近年來，低碳鎂碳磚成為人們研究和應用的熱點。李培等建議冶煉低碳鋼應選擇碳含量在6%~8%的鎂碳磚。低鎂碳磚正在我國主要大型鋼鐵企業(yè)推廣應用，并將并逐步替代高碳鎂碳磚。

依此估算到2020年中國鎂碳磚的石墨加入量將減少為7%。依據近5年來鎂碳磚產量的年均增長率2.5%，預計2020年中國鎂碳磚的產量將達到214萬t。耐火材料產業(yè)對石墨的需求量降低到15萬t，略低于現階段的需求量。

耐火材料的主要碳源為晶質石墨，但一些鎂碳磚廠還附帶加入一些電極粉、土狀石墨等。電極粉粉碎后，少量加入時可以得到致密度較高的耐火材料制品。土狀石墨晶粒小，晶形不明顯，雜質高，只能用來制造低檔鎂碳磚。

3.1.2鋼鐵鑄造增碳劑、電極的需求

（1）鑄件對增碳劑的需求。鑄鐵是工程領域中的基礎合金之一。我國是鑄鐵生產大國，但不是鑄鐵生產強國。2010年我國鑄件總產量達到3690萬t，鑄鐵件材料約占世界的40%，人均鑄鐵產量約為30kg，顯著的小于德國（53kg）、美國（45kg），這也說明我國的鑄造生產尚有很大發(fā)展空間，特別是新風電、軌道交通對球墨鑄鐵鑄件、以及汽車行業(yè)對蠕墨、灰鑄鐵需求。有學者分析到2020年中國將從鑄鐵大國真正變成鑄鐵強國。

對1989-2010年中國鑄鐵件產量進行擬合回顧，預測到2020年中國鑄件產量將達到7000萬t（Y=728.5e0.07x，R2=0.912），屆時人均產量將達到53kg。對于不同的鑄鐵，其增碳劑的加入量也各不相同（表2）。噸鑄件增碳劑加入量為2%，則鑄件增碳劑需求量將為140萬t。

（2）煉鋼對電極、增碳劑的需求。鋼鐵的規(guī)模、結構及電爐電極單耗、增碳劑使用量等均決定了對石墨的需求。中國是世界鋼鐵生產第一大國，2013年粗鋼產量達到8.22億t，電爐鋼產量為7200萬t，電爐鋼所占比例為8.76%。依據《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》預測我國粗鋼需求量最高峰（7.7~8.2億t）可能出現在2015-2020年期間，此后峰值弧頂區(qū)仍將持續(xù)一個時期。

基于以上研究成果，并同時考慮到出口等因素，本文設定峰值年2016年和2020年中國的粗鋼產量分別為8.4億t和8.2億t。

一些學者預測2020年中國電爐鋼比例可望達到25%，但2010年后中國電爐鋼發(fā)展緩慢，基于現階段中國電爐鋼占比重和人均鋼鐵消費量將達到峰值后廢鋼產量的增加，本文預計到2020年中國電爐鋼所占比重將達到15%，噸電爐鋼的電極消耗量由5.82kg/t降低為4.98kg/t，噸鋼的增碳劑添加量為0.1%~0.4%時（增碳劑需求量取均值計算），預計到2020年煉鋼電極和增碳劑的需求量分別為61萬t和205萬t。

（3）鋼鐵鑄造對石墨的需求預測。天然石墨制成的電極難以用于使用條件較苛刻的電爐煉鋼，電爐用石墨電極主要是人造石墨。石墨和其他雜質材料用于煉鋼工業(yè)時可作為增碳劑，而用作增碳劑的替代材料很多。

20世紀90年代初期，我國開始試用微晶石墨作增碳劑。此后，國內開發(fā)出了生產優(yōu)質石墨化石油焦增碳劑的技術。雖然石墨化石油焦的產量已完全滿足了國內冶煉用優(yōu)質石墨化石油焦的需要，但微晶石墨由于成本優(yōu)勢仍是增碳劑的來源之一。

以2010年天然石墨占增碳劑消費總量的比重，預測了2020年天然石墨作為鋼鐵增碳劑的需求量為55.2萬t。

3.2新能源新材料領域的石墨需求預測

3.2.1密封材料對石墨的需求

膨脹石墨保持了天然鱗片石墨原有的優(yōu)良化學性能，又增加了許多獨特的機械性能，是一種理想的密封材料。密封材料功能作用決定了國家在經濟結構調整中將是予以重點支持的工業(yè)領域。

隨著中國汽車、石油、化工、電力產業(yè)的發(fā)展，石墨密封產業(yè)將具有廣闊的發(fā)展前景。2010年密封行業(yè)總產量為7萬t，預計到2015年中國密封材料總產量達到10萬t左右，年均增長率與中國汽車產量增速相當。

隨著汽車、電力、化工等產業(yè)的發(fā)展，依據主要設備石墨需求參數，本文預計到2020年中國密封材料產業(yè)將消耗石墨5.4~5.6萬t左右（表3），其中汽車行業(yè)是主要的消費領域。

3.2.2制動材料石墨需求展望

剎車片產品的市場需求增長與汽車工業(yè)的發(fā)展息息相關。統(tǒng)計數據顯示，2010年我國摩擦材料行業(yè)年產摩擦材料制品42.6萬t，其中汽車用摩擦材料占總量的80%左右。

隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，汽車工業(yè)近幾年來迅猛增長以及國外市場需求大幅增加，摩擦材料行業(yè)也得到了快速的發(fā)展，預計到2015年我國摩擦材料總產量將達到80萬t。

根據中國汽車產業(yè)發(fā)展增速7.8%，到2020年中國摩擦材料總產量將達到115萬t，制動車片石墨需求量0.4%~1.3%，預計消費石墨0.5~1.62萬t。

3.2.3潤滑、吸附對石墨的需求

石墨材料良好的潤滑性源于石墨晶體結構，因此，應用生產干粉石墨潤滑劑、水基石墨潤滑劑、油劑石墨潤滑劑等產品。

一些學者也研究了關于石墨在不同潤滑劑中的添加量的問題。如水基石墨潤滑劑中，石墨微粒的含量一般在20%~40%。在石墨吸附劑石墨含量研究方面，不同的配比基于不同的原料，石墨的混合比例也顯示出了巨大的差別。石墨潤滑劑、石墨吸附劑種類多種多樣，且未有詳盡的現狀及預測資料。

本研究分別基于制動、密封材料的發(fā)展狀況，對其未來石墨的需求狀況進行了粗略的判斷。預計到2020年中國應用于潤滑劑、吸附劑的石墨需求量為5.5萬t和3.1萬t。

3.2.4電池電極對石墨的需求

石墨導電性能顯著地優(yōu)于其它非金屬材料，是目前應用最廣泛的鋰離子電池負極材料。我國的鋰離子電池產業(yè)近些年來發(fā)展迅速。2013年，我國的鋰離子電池年產量已達到47.68億只。

近年因消費類電子產品市場趨于飽和，鋰離子電池需求的增幅將會持續(xù)下降。而在電動汽車領域鋰離子電池市場將進入飛速發(fā)展的階段。因此，電池電極對石墨的需求大致會經歷一個“V”字型過程。

未來鋰離子電池市場需求高速增長的動力主要來自交通工具及工業(yè)儲能領域。電子市場的石墨消費量在趨于飽和狀態(tài)后呈下降態(tài)勢，到2020年電子產品市場石墨消費量約為2.4萬t。而交通工具領域消費則快速增長。

基于新能源汽車規(guī)劃生產能力，預計到2020年電動汽車產量將達到140萬輛左右，交通工具領域石墨的需求量將達到6.5萬t（表3）。

3.3石墨烯產業(yè)對天然石墨的需求態(tài)勢分析

石墨烯是由單層碳原子組成的二維材料，其強度是已測試材料中最高的，是鋼的100多倍；載流子遷移率是商用硅片遷移率的10倍；熱導率是金剛石的3倍。石墨烯是一種應用潛力廣泛的碳材料，在電子器件、新能源、航天軍工、生物醫(yī)藥等領域擁有廣闊的應用前景，將成為下一個萬億級的新興產業(yè)。

世界主要國家都在進行石墨烯的前沿研究，但多處于材料研發(fā)的初級階段，距大規(guī)模生產應用仍有一段距離。

學者預測石墨烯首先應用于電子觸摸屏，用作儲能材料也將于近些年實現，但用作高頻電路、邏輯電路則在更遠的將來才能走向市場。

3.3.1石墨烯應用發(fā)展展望

石墨烯具備完整的較強導電性、透光性、柔性及微電子等屬性，可作為感應層或者驅動層，被使用在觸摸屏的模組里。2015年全球首臺石墨烯手機已經在重慶發(fā)布。2014年全球對透明導電薄膜的市場需求量約為4000萬m2，根據機構預測，5年后需求量將翻一番，猛增至8000萬m2。其最大的市場為觸控領域，應用于顯示器、平板電腦、智能手機等產品。

石墨烯具有極高的比表面積，這使得石墨烯可成為潛力巨大的儲能材料。石墨烯電池在比容量、成本、壽命等較其他產品有顯著的卓越性，2015年石墨烯聚合材料電池將在西班牙實現產業(yè)化。石墨烯電池負極材料具有優(yōu)良的比容量。專業(yè)人士預計到2020年，中國儲能產業(yè)的市場規(guī)模至少可達6000億元。

石墨烯有望成為市場潛力巨大的電極材料。石墨烯材料能有效去除水中重金屬、染料和氟化物。吳艷等研究得到當亞甲基藍初始濃度為100mg/L，石墨烯吸附劑投加量的最適濃度2g/L。

2012年中國工業(yè)廢水排放量為221.6億t。這表明石墨烯吸附材料在水處理領域上也有巨大的應用前景?？茖W家正在研究石墨烯的新應用領域，主要集中于超輕型材料、太空線纜、石墨烯光電探測器等。

3.3.2石墨烯產業(yè)對天然石墨需求的判斷

石墨烯的制備主要有四種方法。機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法的原材料為天然石墨，而氣相沉積法原材料多為甲烷。電阻觸摸屏石墨烯材料，多采用氫氣、甲烷等原材料先在金屬表面上催化生長石墨烯。

在作為吸附材料，不同的學者應用氧化石墨烯和還原性石墨烯均取得了不錯的效果。制約石墨烯廣泛應用的瓶頸在于難以大規(guī)模、低成本、可控的制備高品質的石墨烯。

現在氧化還原法和化學沉積法均實現了石墨烯制備的產業(yè)化，并且產量也已達到噸級。但對于未來石墨烯的巨大需求，何種方法能大規(guī)模、低成本、可控的合成石墨烯，將主導未來天然石墨需求態(tài)勢。

隨著石墨烯研發(fā)的深入和產業(yè)化的推進，中國涌現了幾十家石墨烯高科技企業(yè)。如上海新池、南京科孚納米、深圳貝特瑞等。

中國現階段石墨烯生產線在江蘇常州、泰州、浙江寧波、重慶、山東、寧夏等地投產，生產規(guī)模在30~300t之間，且采用的原料多種多樣，江蘇第六元素公司采用石墨粉氧化還原、二維碳素公司采用甲烷等化學氣相沉積，而寧夏平羅采用碳化硅生產下腳料作為原料。由此可見，在2020年前石墨烯產業(yè)對天然石墨的需求量將保持在萬噸的規(guī)模，難以撼動天然石墨的消費結構。

04 未來中國石墨需求格局及產業(yè)發(fā)展方向

4.1未來中國石墨需求規(guī)模及格局

基于以上對石墨需求的主要部門的分析和未來趨勢判斷，得出：到2020年中國天然石墨的需求規(guī)模將達到100萬t，比2010年增長42.5%。并且石墨烯制備方法、應用的不確定性將對石墨的需求造成巨大的影響（圖4）。

在剔除石墨烯發(fā)展的不確定性情況下，到2020年耐火材料的石墨量為15萬t，呈現下降的態(tài)勢，所占比重為14.93%；隨著鋼鐵需求的逐步回落，鋼鐵鑄造的石墨消費量預計為55萬t，仍舊是消費的最大行業(yè)。而密封材料、摩擦材料、潤滑劑、吸附劑對石墨的需求將保持快速的增長態(tài)勢，到2020年各部門對石墨的消費量將是2010年的2倍以上。

電池電極對石墨消費量也呈現快速增長態(tài)勢，其增長主要來源于未來電動汽車對石墨的需求增長，電動汽車石墨消費量將是2013年的46倍。

4.2中國石墨未來發(fā)展方向

科學利用和保護天然石墨資源，開發(fā)深加工技術和發(fā)展高端產品將是必然的選擇。中國石墨發(fā)展要依據未來石墨的需求格局變化，調整發(fā)展方向。從未來石墨的消費結構來看，傳統(tǒng)領域對石墨的需求趨于穩(wěn)定，新能源新材料領域對石墨的需求增長強勁，而石墨烯產業(yè)將對石墨的需求帶來巨大的不確定性。

隨著科技創(chuàng)新的發(fā)展，為滿足新能源、新材料領域對高性能、專業(yè)化石墨材料的需求，石墨產業(yè)應從材料級向專業(yè)級產品和深加工產業(yè)方向發(fā)展的趨勢。

未來中國石墨需求在傳統(tǒng)應用領域將保持穩(wěn)定。而在高精尖領域將得到越來越廣泛的應用，成為戰(zhàn)略性新興材料。石墨的市場需求將會持續(xù)增加，戰(zhàn)略意義越發(fā)凸顯。

未來在鋰離子電池、密封、制動、潤滑等新能源、新材料領域應用潛力巨大。雖然中國是石墨資源大國，但也應具有強烈的危機意識和戰(zhàn)略意識。

調整產品結構，鼓勵支持發(fā)展高附加值產品，帶動石墨產業(yè)鏈后向一體化發(fā)展，提升我國石墨產業(yè)的國際競爭力，努力使我國發(fā)展成為石墨資源強國。

05 結論與討論

在現階段石墨的應用領域和技術情況下，本研究主要從石墨在耐火材料、鑄造等傳統(tǒng)領域和密封、制動材料、潤滑劑、吸附劑、電池電極等新能源新材料領域的產業(yè)部門需求的角度，研究了這些部門未來對石墨的需求情況，主要結論有：

（1）到2020年中國石墨的需求量將達到100萬t，比2010年增長42.5%。

（2）從消費格局來看，傳統(tǒng)領域仍然是石墨的主要消費領域，但所占比重將逐漸減低；新能源新材料領域石墨消費將快速增長，其中電動汽車增長尤為明顯。

（3）在現在技術條件下，石墨烯對天然石墨的需求將保持在萬噸水平，難以改變已有天然石墨消費格局。

中國主要石墨烯生產線的規(guī)模、工藝和原材料的差異，弱化了石墨烯產業(yè)對天然石墨的需求規(guī)模。石墨烯作為在儲能、吸附材料很大程度上將依賴于天然石墨，而觸摸屏利用則可能以甲烷等為原料。

（4）從本文的趨勢判斷來看，天然石墨生產企業(yè)的未來發(fā)展將以電池電極負極材料、膨脹石墨、柔性石墨等密封材料、及氟化石墨、各向同性石墨為主。

從產業(yè)需求的范圍來看，本研究重點分析了主要傳統(tǒng)和新型領域對石墨的需求，而其他石墨功能性材料：導電油墨、抗靜電橡膠和塑料、防輻射材料等均未包含在本研究內，研究范圍待拓寬；對鉛筆、潤滑、吸附等領域的應用，

由于知識和相關文獻的制約，一些參數的設置如吸附劑、潤滑劑的消費量、天然石墨在其中的比重、石墨烯天然石墨的消費強度、石墨烯在主要應用領域