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其中的C-C键是经典的共价键，键能为354.0kJ/mol，键长为0.1514nm。石墨层间距为0.3364nm，其大小大于碳原子半径的两倍。层间以微弱的范德华力连结，其键能为16.7kJ/mol，石墨晶体呈优尔角平面网状结构，晶体层片上的碳原子是由sp2杂化碳原子构成的，呈优尔元环结构，当一定量具有sp2杂化轨道的碳原子彼此相互连结时，各自的sp2杂化轨道互相结合形成单键，剩下1个未参与杂化的2p电子则相互结合构成π键。在平面网层内，电子可以相对自由的做平行于层面的移动，所形成的范德华力可以将平面网层之间连结起来，构成石墨结构。
石墨的导电机理
C原子sp2杂化后，与周围的三个C原子相连接，形成了独特的石墨片层结构，呈优尔圆环状。碳原子的最外层共有四个电子，所以在Pz轨道上都还剩有一个单电子，这些电子就形成了包含在整个石墨片层内的离域大π键，这是石墨片层导电的缘故。
因为石墨有上述的特殊构造，而具有如下独特性质：
(1） 导电、导热性：石墨的导电性比普通的非金属矿好一百倍。导热性比铝、铜、铅等一般常用金属材料还有好。温度升高，石墨的导热系数下降，甚至当处于极高的温度下时，石墨则变成绝热体。
(2）耐高温性：石墨的熔点为3750±50℃，沸点为4350℃，即使在经受过超高温电弧灼烧后，石墨的重量的损失也很小。石墨的热膨胀系数也很小。温度提高，石墨强度随之增强，加热到2000℃时，石墨强度变为原来的两倍。
(3）润滑性：石墨的润滑机能由石墨鳞片的巨细决定，鳞片越大，摩擦系数越小，此时的石墨润滑效果越好。
(4）化学稳定性：在常温下的石墨化学稳定性能稳定，能耐酸、碱及各种有机溶剂的腐蚀。
(5）可塑性：石墨具有良好的韧性，经碾压后可制成很薄的薄片。
(6）抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的强烈变化而不致损坏，温度发生突变时，石墨的体积不会发生很大变化，不至于导致裂纹的形成。
主要用途
① 作耐火材料：石墨及其制品耐高温、强度高，在炼钢行业中常用石墨作为冶金炉的内衬，钢锭的保护剂；在冶金行业中常常要用来制造石墨坩埚。
② 作导电材料：用来制造电气产业上的电刷、碳棒、电极、碳管以及石墨垫圈、电话零件，水银正流器的正极材料，显示屏上的显像管的涂层等。
③ 石墨还能减少锅炉结垢。此外石墨涂在金属上可以防腐防锈，比如屋顶、桥梁、管道等
④ 石墨可作颜料、铅笔芯、抛光剂。
⑤ 作耐磨润滑剂：在机械工业中石墨常作为润滑材料。润滑油通常在高温、高压、高速的条件下不能发挥润滑作用，而石墨耐磨材料可以在200~2000 ℃温度范围内同时以极高的速度运动，更好的起到润滑的作用。许多输送腐蚀介质的管道设备，大量使用石墨材料。涂有石墨涂层的密封圈，活塞和轴承，它们运转时不需要加入额外的润滑油。石墨乳作为良好的润滑剂，也可用于许多金属加工工业，如拔丝、拉管等。
⑥ 作翻砂、铸造、压模及高温冶金材料：由于石墨具有小的热膨胀系数，而且能经得住急冷急热的巨变，所以可用作玻璃器的铸模，用过石墨所得到的黑色金属铸件表面光洁，尺寸精准，成品率高，不经加工或稍作加工就可利用，因此节省了大量金属材料。另外真空冶炼时的石墨底座和隔热板也可用石墨制作。
⑦ 用于国防产业和原子能产业：石墨可用于原子反应堆作为良好的中子减速剂，铀一石墨反应堆是现在应用较多的一种原子反应堆。石墨可作为原子能反应堆中的减速材料，因为其具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能。在国防工业中石墨还用来制造导弹的鼻锥，宇宙飞行设备的零部件，固体燃料火箭的喷嘴，防射线材料和隔热材料等等。