石墨結(jié)構(gòu)是由 sp2雜化軌道形成的，即1個(gè)s電子和2個(gè)p電子雜化形成等價(jià)的雜化軌道，位于同一平面上，交角為 120。，它們相互結(jié)合形成σ鍵，而1個(gè)未參加雜化的2p電子則垂直于平面，形成π鍵，由此構(gòu)成石墨的六角平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以平行于基面的方向堆砌，見(jiàn)圖 1-3。

在石墨平面網(wǎng)狀層內(nèi)是σ鍵疊加π鍵，而在六角平面網(wǎng)層間則以較弱的范德華分子鍵結(jié)合。石墨有兩種堆砌形式：一種以AB—AB三維空間有序排列（圖 1-3a ）稱(chēng)為六方晶系石墨，其碳原子間鍵長(zhǎng)為 1.4211×10-10m ，層間距 d=3.3538 x10 -10m，晶胞邊長(zhǎng)α＝2.4612×10-10m。晶胞高 c =6.7079×10-10m；另一種是以注ABC—ABC 三維空間有序排列，稱(chēng)為斜方晶系石墨（圖 1-3b ) ，這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上是六方晶系的變態(tài)，是由于晶體缺陷造成的。這種石墨在天然石墨中占 20%～30% ，當(dāng)經(jīng)過(guò)3000 ℃熱處理后，就成為六方晶系，故這種結(jié)構(gòu)在人造石墨中不存在。具有理想石墨晶體結(jié)構(gòu)的巨大石墨單晶是不存在的，即使從天然鱗片石墨中精選出來(lái)的單晶，其尺寸也僅幾毫米。但它作為一個(gè)科學(xué)模型，對(duì)炭素材料來(lái)說(shuō)具有重要的指導(dǎo)意義。

石墨有天然石墨和人造石墨兩種。天然石墨根據(jù)其外觀形狀又可分為鱗片狀和土狀石墨。鱗片狀石墨，其顆粒外形為鱗片狀，外觀呈銀灰色，有閃閃光澤，手摸有滑膩感，并留有深灰色痕跡；土狀石墨，顆粒外形為土粒狀，呈深灰色，手摸有較少滑膩感。

天然石墨一般含有較多雜質(zhì)，較好的天然石墨含炭量可達(dá)到90％左右。但大多數(shù)低于此值。人造石墨純度要高得多，一般含炭量可達(dá)99％以上。石墨具有良好的導(dǎo)電性，雖然石墨的導(dǎo)電性不能與銅鋁金屬相比，但與其他非金屬材料相比，石墨的導(dǎo)電性是相當(dāng)高的，石墨的導(dǎo)熱性甚至超過(guò)了鐵、鋼、鋁等金屬材料，石墨又有很好的耐腐蝕性，無(wú)論是有機(jī)溶劑或無(wú)機(jī)溶劑，都不能溶解它。在常溫下，各種酸和堿與石墨都不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是在500℃以上的溫度時(shí)，才與硝酸或氧氣以及強(qiáng)氧化介質(zhì)等起反應(yīng)。

石墨又是一種能耐高溫的材料。一般材料在2000℃以上早已化為氣體或熔融狀態(tài)，就是一些難熔金屬在2500℃左右也會(huì)軟化而失去強(qiáng)度，鎢是已知金屬材料中熔點(diǎn)最高的，熔點(diǎn)達(dá)3410℃，但石墨在此溫度下，如果在還原性氣氛中，是不會(huì)熔化的，只是在3900℃(常壓下)時(shí)升華為氣體。2000℃時(shí)其強(qiáng)度反而較常溫時(shí)提高一倍。石墨的弱點(diǎn)是抗氧化性能差，隨著溫度的提高，氧化速度加劇。如：石墨在450℃的空氣中或在700℃蒸汽中，或在900℃的二氧化碳中，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間都會(huì)不同程度的失重。

1.3.3.煤炭和焦炭——無(wú)定形炭

煤炭是泥煤、褐煤、煙煤及無(wú)煙煤等的統(tǒng)稱(chēng)。煤炭是幾百萬(wàn)年以前的古代植物在地殼變動(dòng)時(shí)被埋在地下，受到一定的溫度壓力炭化而形成的。各種煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，因此，泥煤中含有大量的揮發(fā)物，結(jié)構(gòu)疏松，無(wú)煙煤炭化程度較高，所以無(wú)煙煤的揮發(fā)物含量較少，密度與強(qiáng)度都比較高。各種煤炭的成煤過(guò)程見(jiàn)表1-3。

焦炭是煙煤(煉焦煤)或某些含炭量高的物質(zhì)(如石油、瀝青或渣油、煤瀝青等) 在高溫下，基本隔絕空氣加熱使之焦化的產(chǎn)物。例如：用煤焦化后可得到冶金焦；用煤瀝青焦化可得瀝青焦等。

焦炭具有一些和一般煤炭不同的理化性質(zhì)，如強(qiáng)度大、耐磨、含炭量高，多數(shù)焦炭在2000℃以上高溫處理后都能轉(zhuǎn)化為石墨。

各種不同品種的煤炭(或焦炭)其理化性質(zhì)相差很大，這種差別與各種煤炭(或焦炭)的初始原料的種類(lèi)炭化過(guò)程或熱處理溫度及雜物含量有直接關(guān)系。炭化程度越低(或熱處理溫度越低)或雜質(zhì)含量越高，則煤炭(或焦炭)的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性就差。測(cè)定煤炭(或焦炭)中元素炭的含量及揮發(fā)物的含量可以間接了解各種煤炭(或焦炭)的炭化程度(或熱處理溫度)。

煤炭和焦炭的主要成份是元素碳。實(shí)際上它們是由碳、氫、氧三種元素為主體，并以芳香烴縮合環(huán)為基本單元所構(gòu)成的一種非常復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物。煤炭中氧與氫元素的含量與炭化程度成反比。炭化程度越高，則氧與氫的含量越少，煤炭中的其它元素含量比氧與氫還要少得多。幾種主要煤炭和焦炭的元素組成見(jiàn)表1-4。

無(wú)煙煤、石油焦、瀝青焦和冶金焦，是生產(chǎn)各種炭制品主要原料，特別是石油焦和瀝青焦是生產(chǎn)人造石墨的主要原料，用石油焦和瀝青焦為原料生產(chǎn)的人造石墨，其質(zhì)量比用天然石墨生產(chǎn)的要好得多。