粉体百科丨“炭”和“碳”有何区别？炭素和石墨有何区别？

01炭和碳的区别与使用

由于汉字的独特性以及长期以来人们对“炭”和“碳”字的区别与用法重视程度不足，造成了长期以来人们在使用炭和碳上较为混乱，这在众多的文章、书刊以及名称的使用上可以清楚地看到。从化学的角度上，炭和碳是有着严格的本质区别和使用范畴的。

• 带石字旁「碳」的规范使用场景

凡是能完全体现碳元素（C）性质的或碳原子性质的，或者由碳原子或碳离子与其他离子或离子团组成的碳化合物的纯净物，在表述上、名称上一律用带石旁的“碳”。如：碳元素、碳原子、碳六十（C₆₀）、纳米碳、碳同位素、碳化物、芳香碳、环烷碳、碳网平面、芳碳率、伯碳、端碳、二氧化碳、碳含量、碳素钢、碳链、碳环、碳水化合物、碳氢化合物、渗碳、碳酸钙、碳酸盐、无定型碳、碳单质、碳的其他化合物等等。

• 无石字旁「炭」的规范使用场景

凡是不能完全体现碳元素性质的或碳原子性质的，或者由碳原子或碳的化合物组成的混合物，在表述上、名称上一律用“炭”。如：木炭、煤炭、焦炭、活性炭、玻璃炭、热解炭、生物炭、炭砖、炭块、炭石墨材料、炭棒、炭杆、同性炭、炭黑、炭糊、炭素厂、炭素技术、炭素工艺、炭渣、炭素材料、炭素学会、炭素年会、炭电极、炭阳极、炭阴极、炭糊、炭素装备等等。

02炭素材料的定义与分类

2.1炭素材料的定义

广义上，炭素材料是所有纯碳材料和含碳的混合物的炭素物质的统称。涵盖自然界中天然存在的含碳物质、人工合成的各类含碳固体材料，是无机非金属材料的核心品类之一。

狭义上，炭素材料是指选用石墨或者无定型碳（焦炭、无烟煤、沥青焦等）作为主要固体原料，根据使用需求辅以粘结剂、浸渍剂、添加剂等辅料，经过配料、混捏、成型、焙烧、石墨化、机加工、浸渍、碳化（纯化）等特定工业生产工艺制备而成的非金属无机固体材料，在工业上，一般都采用后者的概念。

2.2 炭素材料的整体分类

炭素材料包括炭素原料和炭素制品两大类。

二者为上下游衔接的产业链关系，原料的品质直接决定最终制品的性能。

炭素原料是制备各类炭素制品的基础，按原料来源、成型特性及加工程度可分为三大类，均为炭素行业的核心基础物料：

• 基础含碳原料：煤炭（无烟煤为主）、焦炭（冶金焦、石油焦、沥青焦、针状焦、延迟焦）、木炭、竹炭、炭黑等；
• 粘结 / 浸渍类原料：煤沥青、改质沥青、中温沥青、高温沥青、煤焦油、酚醛树脂、呋喃树脂等；
• 高纯碳质原料：天然鳞片石墨、隐晶质石墨、人造石墨粉、金刚石微粉、炭纤维原丝等。

炭素制品种类繁多，规格、型号和物理化学性能迥异，应用场景覆盖多行业多领域。由于产品的用途不同，采用的原料及加工工艺就存在差异，其产品本身的物理化学性能也存在明显的差别。

• 炭素制品按材质分，可分为炭质制品、半石墨质制品、天然石墨制品和人造石墨制品。

（1）炭质制品

未经过高温石墨化处理，碳元素以无定形结构为主，如炭阳极、炭阴极、炭砖、炭糊、自焙电极等；

（2）半石墨质制品

经过中高温热处理，部分无定形碳转化为石墨晶体，兼具炭质与石墨质特性，如半石墨阴极炭块、半石墨质电极等；

（3）天然石墨制品

以天然鳞片石墨、土状石墨为核心原料经提纯、成型和焙烧等加工而成，如天然石墨电极、石墨坩埚、石墨散热片、石墨密封材料、柔性石墨板、高纯石墨等；

（4）人造石墨制品

以石油焦、针状焦、沥青焦等易石墨化碳为原料，经成型、焙烧、高温石墨化（2200~3000℃）处理后制成，石墨化程度高，结晶度好，如石墨电极、等静压高纯石墨、核石墨等。

• 炭素制品若按使用功能可分成导电材料、结构材料和特殊功能材料3大类：

（1）导电材料

核心特性：高导电率、低电阻率、耐高温、导电稳定，是电化学冶金、电弧放电、能量传导的核心材料，也是炭素行业产量最大的品类。

如电弧炉用超高功率石墨电极、普通功率石墨电极、炭质电极、天然石墨电极；电解铝用预焙炭阳极、炭阴极、石墨阴极、半石墨阴极；铁合金炉 / 电石炉用电极糊、阳极糊（自焙电极）；电解用石墨阳极，电刷及电火花加工用模具材料，干电池炭棒、锂离子电池负极石墨材料等。

（2）结构材料

核心特性：耐高温（耐温可达 3000℃以上）、耐酸碱腐蚀、低膨胀系数、抗热震、耐磨、高强度，兼具结构支撑与耐高温防护双重属性，也被称作炭质耐火材料。

如炼铁还原炉、铁合金炉、电石炉、铝电解槽侧部炭砖、炉底炭块、捣打料；冶金精炼炉、高纯金属冶炼炉的炉衬与保温层；核反应堆的中子减速材料、反射材料；火箭 / 导弹头部、喷管的耐高温内衬炭材料；化工行业的石墨换热器、石墨反应釜、耐腐蚀炭质衬板；机械工业的耐磨石墨轴承、密封环；钢铁 / 有色金属连续铸造用结晶器石墨内衬、石墨坩埚；半导体 / 光伏行业高纯硅冶炼用高纯石墨器件等。

（3）特殊功能材料

核心特性：兼具碳材料的基础属性与特殊物理、化学、生物性能，是炭素材料向高端化、精细化发展的核心方向，技术壁垒高、附加值高，也是行业研发的重点领域。

如生物医用炭材料(人造心脏瓣膜、人工骨、人工肌腱、医用活性炭吸附材料)，航空航天隐身炭材料（隐身飞机用炭基吸波材料）；各类热解炭、热解石墨、再结晶石墨；炭纤维及炭纤维复合材料（碳 / 碳复合材料）；石墨层间化合物、富勒烯（C₆₀）及碳簇族系、纳米碳材料、碳纳米管、石墨烯基炭材料；储能用多孔炭材料、超级电容器炭电极等。

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炭素材料的三大研究热点

炭素材料是材料科学领域的研究重点，其基础特性优异、改性空间大、应用场景广，随着新能源、航空航天、电子信息、节能环保等领域的快速发展，炭素材料的研发方向逐步向高性能、多功能、轻量化、绿色化转型。目前行业内公认的、研究最深入、产业化价值最高的研究热点为：多孔碳材料、纳米碳材料、高纯碳材料、炭基复合材料，几大方向相辅相成，共同推动炭素材料的技术升级与应用拓展

（1）面向新能源与可持续发展的炭材料

如多孔碳材料，从能源角度出发，电化学储能中作为超级电容器电极和电池电极/载体（锂/钠离子电池、金属-空气电池），其性能取决于孔结构设计与表面化学。气体存储与分离中用于氢气/甲烷吸附存储和二氧化碳捕集，核心在于孔隙与气体分子的精准匹配。开发源自生物质的碳材料，实现“以废治废”的高值化利用。

（2）新型纳米与低维炭材料

自1985 年富勒烯（C₆₀）被发现、1991 年碳纳米管问世、2004 年石墨烯成功剥离以来，纳米碳材料成为炭素材料领域的核心前沿研究方向，也是新材料领域的研究热点。石墨烯基纳米碳复合材料、碳纳米管的批量制备技术、纳米碳材料的生物相容性，是当前纳米碳领域的三大细分重点。

（3）高性能与结构功能一体化炭材

高强度高导热炭/石墨材料；超高纯与核级石墨；

如高定向热解石墨（HOPG）、等静压高纯石墨等满足航空航天、核能、半导体装备对材料在极端环境下的需求。

碳/碳复合材料、碳/陶复合材料；

在复合材料的研究中，其抗氧化性能的研究最多，复合材料研究的另一重要内容是其耐磨性，提高复合材料的使用寿命，从而使复合材料能成功地应用于摩擦材料的研究中。抗氧化涂层（如SiC基多层涂层）和致密化工艺（CVI、PIP）是解决这些瓶颈的关键技术路径。

参考资料：

姜玉敬，郎光辉 编著.《铝电解用炭素材料技术与工艺》[M]. 冶金工业出版社；

陈明礼.《炭素材料的研究热点和发展趋势》[J]. 炭素技术，核心期刊；

中国炭素行业协会.《中国炭素材料行业发展白皮书》；

王茂章，贺福 编著.《炭素材料科学与工程》[M]. 科学出版社（行业经典教材）等