碳素材料，按其原子在结构中排列不同，碳有三种同素异形体，即金刚石、石墨和无定形碳，它们的物理性能、化学性质及用途也各不相同。

1.钻石:是目前自然界已知的最坚硬的物质。它的晶体结构基本上是面心立方晶格。每个碳原子被四个周围的碳原子所包围，这四个碳原子通过共价键连接。它具有很高的强度，莫氏硬度为10，所以它通常被用作切割，研磨和切削材料。当金刚石含有微量杂质时，具有半导体的性能，可用作高温整流器或固体微波器件。天然钻石也是一种珍贵的宝石(金刚钻)。钻石分为三种:ⅰ型、ⅱ型和六方型。ⅰ型杂质含量高，含氮量在0.0025% ~ 0.2%之间。大多数天然钻石都属于这种类型。ⅱ型是非常纯的金刚石，结晶完整，氮含量小于0.001%，具有良好的导热性和半导体性能。1% ~ 2%的天然钻石属于这种类型。非金刚石结构的碳可以通过特殊的人工方法(如超高压高温法)转化为金刚石，即人造金刚石。

2.石墨:碳原子与四个配位多面体形成一个网络层，网络层之间通过分子键连接形成六边形晶片。石墨是一种特殊的无机非金属材料，具有金属和塑料的性质以及其他一系列特性。广泛应用于冶金、化工、电力电子、机械、纺织、原子能等行业。

石墨的用途与其性质密切相关。(1)耐高温，热稳定性好，3600℃不熔化，所以在冶金工业中用作坩埚。

炉内的耐火材料等。②具有良好的导热性和导电性(比不锈钢高4倍)，导电性随温度升高而降低。用于制造电极、电刷、碳棒、热交换器、冷却器等。③具有良好的化学稳定性，能抵抗酸、碱和有机介质的侵蚀。广泛用于制造酸碱、石油化工、纺织、造纸等行业的换热器、燃烧塔、反应罐、冷却器、吸收塔、泵和加热器。④润滑性能与二硫化钼相似，耐磨，摩擦系数小于0.1。可在-200 ~ 2000℃和100米/秒的速度下使用。当它用于制造密封环和轴承时，不需要润滑剂。⑤可塑性好，可延展成透明透气的片材。⑥具有良好的中子减速性，可用作原子反应堆中的减速材料。此外，它还用作固体燃料火箭的喷管，航空航天设备的一部分，隔热和防辐射材料。石墨最大的缺点是在高温下容易氧化，所以需要在保护性气氛下使用。

石墨可分为结晶石墨和隐晶石墨。有两种类型的结晶石墨矿石:致密晶体和片状晶体。前者粒度大于0.1mm，含碳量为60% ~ 65%，甚至高达80% ~ 90%，但可塑性和可浮性较差。鳞片石墨矿石虽然品位低(3% ~ 5%或10% ~ 25%)，但性能良好。隐石墨又称土状石墨，含碳量超过90%，但性能较差。世界上生产的石墨有一半是土状的。是苏联石墨矿储量和产量最大的国家。中国的石墨资源也很丰富，主要是片状和隐晶质石墨。由于石墨矿石品位不高，需要进行选矿提纯。常用的浮选法(石墨是疏水的)和重选法(石墨的相对密度为1.9 ~ 2.3)可使成品含碳量达到90%。有些产品需要化学提纯，使碳含量在高温下提高到97% ~ 99%或提纯到99.9%。

3.无定形碳:碳原子排列无序，或晶粒过小。由煤、天然气、石油或其他有机物在1000℃左右碳化得到的无定形碳是一种多孔材料，具有较大的表面积。产品包括炭黑、活性炭等。