石墨结构是由 sp2杂化轨道形成的，即1个s电子和2个p电子杂化形成等价的杂化轨道，位于同一平面上，交角为 120。，它们相互结合形成σ键，而1个未参加杂化的2p电子则垂直于平面，形成π键，由此构成石墨的六角平面网状结构，以平行于基面的方向堆砌，见图 1-3。
在石墨平面网状层内是σ键叠加π键，而在六角平面网层间则以较弱的范德华分子键结合。石墨有两种堆砌形式：一种以AB—AB三维空间有序排列（图 1-3a ）称为六方晶系石墨，其碳原子间键长为 1.4211×10-10m ，层间距 d=3.3538 x10 -10m，晶胞边长α＝2.4612×10-10m。晶胞高 c =6.7079×10-10m；另一种是以注ABC—ABC 三维空间有序排列，称为斜方晶系石墨（图 1-3b ) ，这种结构实际上是六方晶系的变态，是由于晶体缺陷造成的。这种石墨在天然石墨中占 20%～30% ，当经过3000 ℃热处理后，就成为六方晶系，故这种结构在人造石墨中不存在。具有理想石墨晶体结构的巨大石墨单晶是不存在的，即使从天然鳞片石墨中精选出来的单晶，其尺寸也仅几毫米。但它作为一个科学模型，对炭素材料来说具有重要的指导意义。
石墨有天然石墨和人造石墨两种。天然石墨根据其外观形状又可分为鳞片状和土状石墨。鳞片状石墨，其颗粒外形为鳞片状，外观呈银灰色，有闪闪光泽，手摸有滑腻感，并留有深灰色痕迹；土状石墨，颗粒外形为土粒状，呈深灰色，手摸有较少滑腻感。
天然石墨一般含有较多杂质，较好的天然石墨含炭量可达到90％左右。但大多数低于此值。人造石墨纯度要高得多，一般含炭量可达99％以上。石墨具有良好的导电性，虽然石墨的导电性不能与铜铝金属相比，但与其他非金属材料相比，石墨的导电性是相当高的，石墨的导热性甚至超过了铁、钢、铝等金属材料，石墨又有很好的耐腐蚀性，无论是有机溶剂或无机溶剂，都不能溶解它。在常温下，各种酸和碱与石墨都不能发生化学反应，只是在500℃以上的温度时，才与硝酸或氧气以及强氧化介质等起反应。
石墨又是一种能耐高温的材料。一般材料在2000℃以上早已化为气体或熔融状态，就是一些难熔金属在2500℃左右也会软化而失去强度，钨是已知金属材料中熔点最高的，熔点达3410℃，但石墨在此温度下，如果在还原性气氛中，是不会熔化的，只是在3900℃(常压下)时升华为气体。2000℃时其强度反而较常温时提高一倍。石墨的弱点是抗氧化性能差，随着温度的提高，氧化速度加剧。如：石墨在450℃的空气中或在700℃蒸汽中，或在900℃的二氧化碳中，经过一定的时间都会不同程度的失重。
1.3.3.煤炭和焦炭——无定形炭
煤炭是泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤等的统称。煤炭是几百万年以前的古代植物在地壳变动时被埋在地下，受到一定的温度压力炭化而形成的。各种煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，因此，泥煤中含有大量的挥发物，结构疏松，无烟煤炭化程度较高，所以无烟煤的挥发物含量较少，密度与强度都比较高。各种煤炭的成煤过程见表1-3。
焦炭是烟煤(炼焦煤)或某些含炭量高的物质(如石油、沥青或渣油、煤沥青等) 在高温下，基本隔绝空气加热使之焦化的产物。例如：用煤焦化后可得到冶金焦；用煤沥青焦化可得沥青焦等。
焦炭具有一些和一般煤炭不同的理化性质，如强度大、耐磨、含炭量高，多数焦炭在2000℃以上高温处理后都能转化为石墨。
各种不同品种的煤炭(或焦炭)其理化性质相差很大，这种差别与各种煤炭(或焦炭)的初始原料的种类炭化过程或热处理温度及杂物含量有直接关系。炭化程度越低(或热处理温度越低)或杂质含量越高，则煤炭(或焦炭)的导电性、导热性、化学稳定性就差。测定煤炭(或焦炭)中元素炭的含量及挥发物的含量可以间接了解各种煤炭(或焦炭)的炭化程度(或热处理温度)。
煤炭和焦炭的主要成份是元素碳。实际上它们是由碳、氢、氧三种元素为主体，并以芳香烃缩合环为基本单元所构成的一种非常复杂的高分子有机化合物。煤炭中氧与氢元素的含量与炭化程度成反比。炭化程度越高，则氧与氢的含量越少，煤炭中的其它元素含量比氧与氢还要少得多。几种主要煤炭和焦炭的元素组成见表1-4。
无烟煤、石油焦、沥青焦和冶金焦，是生产各种炭制品主要原料，特别是石油焦和沥青焦是生产人造石墨的主要原料，用石油焦和沥青焦为原料生产的人造石墨，其质量比用天然石墨生产的要好得多。
