石墨

石墨 (/ˈɡræfaɪt/) 是元素碳的结晶形式。 它由堆叠的石墨烯层组成。 石墨自然发生，是标准条件下最稳定的碳形式。 合成和天然石墨被大量消耗（300 吨/年，1989 年）用于制造铅笔、润滑剂和电极。 在高压和高温下，它会转化为金刚石。 它是热和电的弱导体。

天然石墨的主要类型，每种都存在于不同类型的矿床中，是

• 石墨的结晶小薄片（或片状石墨）以孤立、扁平、板状颗粒的形式出现，如果未破碎则具有六边形边缘。 断裂时，边缘可能不规则或有棱角；
• 无定形石墨：非常细的片状石墨有时称为无定形；
• 块状石墨（或脉状石墨）产于裂隙脉或裂缝中，表现为纤维状或针状结晶聚集体的块状板状共生，可能是热液成因。
• 高度有序的热解石墨是指石墨片之间的角差小于 1° 的石墨。
• 石墨纤维这个名称有时用于指代碳纤维或碳纤维增强聚合物。

由于变质过程中沉积碳化合物的减少，石墨发生在变质岩中。 它也存在于火成岩和陨石中。 与石墨相关的矿物包括石英、方解石、云母和电气石。

在陨石中，石墨与陨石和硅酸盐矿物一起出现。 陨铁中的小石墨晶体称为斜长石。 一些微观颗粒具有独特的同位素组成，表明它们形成于太阳系之前。 它们是早于太阳系的大约 12 种已知矿物之一，也在分子云中被发现。 这些矿物质是在超新星爆炸或中等大小的恒星在其生命后期排出外壳时在喷射物中形成的。 石墨可能是宇宙中第二或第三古老的矿物。

石墨由三角形平面碳片组成。 各个层称为石墨烯。 在每一层中，碳原子排列成蜂窝状晶格，键长为0.142 nm，面间距为0.335 nm。 层与层之间的结合是相对较弱的范德华键，并且经常被气体占据，这使得类石墨烯层很容易分离并相互滑过。

垂直于各层的电导率因此降低了大约 1000 倍。

石墨的两种形式称为α（六方）和β（菱形）。 它们的属性非常相似。 它们在石墨烯层的堆叠方面有所不同：α 石墨中的堆叠是 ABA，而 ABC 堆叠在能量上不太稳定且不太常见的 β 石墨中。 α 型可通过机械处理转化为 β 型，当加热到 1300 °C 以上时，β 型又恢复为 α 型。

• 石墨表面扫描隧道显微镜图像
• ABA层堆叠侧视图
• 层叠平面图
• α石墨的晶胞

石墨和金刚石之间转变的平衡压力和温度条件在理论上和实验上都得到了很好的确立。 压力在 0 K 时的 1.7 GPa 和 5000 K 时的 12 GPa 之间线性变化（金刚石/石墨/液体三相点）。但是，这些相在这条线附近有一个宽阔的区域，它们可以在那里共存。 在常温常压、20°C (293K) 和 1 个标准大气压 (0.10MPa) 下，碳的稳定相是石墨，而金刚石是亚稳态的，其向石墨的转化率可以忽略不计。 然而，在大约 4500 K 以上的温度下，金刚石会迅速转化为石墨。 石墨快速转化为金刚石需要远高于平衡线的压力：在 2000 K 时，需要 35 GPa 的压力。

石墨的声学和热学特性是高度各向异性的，因为声子沿着紧密结合的平面快速传播，但从一个平面传播到另一个平面的速度较慢。 石墨的高热稳定性和导电性和导热性使其广泛用作高温材料加工应用中的电极和耐火材料。 然而，在含氧气氛中，石墨很容易在 700 °C 及以上的温度下氧化形成二氧化碳。

石墨是电导体，因此可用于弧光灯电极等应用。