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石墨行业中的“明珠”——等静压石墨

石墨为主的碳基新材料产业作为战略新兴产业,拥有广阔的发展前景,具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、易于精密加工等特性,逐渐成为石墨领域当中的“领军者”,被称为新材料领域的第四大类材料。

2021年8月24日,工信部将碳基新材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划。目前我国亟待攻克的“卡脖子”碳基材料品种有三大类:一是碳纤维及其制品(如高性能聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、碳纤维预浸料、复合材料和碳纸等);二是特种石墨(如电火花加工用特种石墨、模具特种石墨、各向同性特种石墨、核石墨等);三是功能炭材料(如中间相碳微球、电容炭、硬炭、硅炭、石墨烯导热膜和导电炭黑等)。

石墨模具

其中,特种石墨是指碳的质量分数大于99.99%的石墨,又称“三高石墨”(高强度、高密度、高纯度)。具有高强度、高密度、高纯度、化学稳定性高、导热和导电率高、耐高温、耐辐射、润滑性强和易加工等特点。


等静压石墨具有的性能

1、耐热性好,在惰性气氛下,随温度的升高其机械强度升高,在2500℃左右时达到最大值;

2、与普通石墨相比,均匀性好,而且结构精细致密;

3、热膨胀系数低,抗热震性能好;

4、各向同性,在各个方向上性能一致;

5、耐化学腐蚀性强,能经受住熔融金属和玻璃的渗透侵蚀;导电性、导热性良好;具有优异的机械加工性能,几乎可以加工成任意形状的物品。

因此等静压石墨被广泛应用于制作CZ型单晶直拉炉热场石墨部件(坩埚、加热器、导流筒、保温罩等),多晶硅熔炼炉,化合物半导体制造用加热器、坩埚等部件,火箭点火极、激励极、喷嘴和舵板、核反应堆堆芯结构、放电加工用电极、连铸金属用石墨结晶器等。

等静压石墨的主要成型方法

目前的成型方法有:挤压成型、模压成型、振动成型和等静压成型四种。市场上常见的炭/石墨材料,多数是采用热挤压和模压(冷的或热的)成型的,等静压成型是一种成型性能具有领先优势的方法。振动成型一般用于制造中粗结构石墨,粒径在0.5-2mm粒径之间,一般以二焙石墨化产品为主,密度在1.55-1.75kg/m³之间,颗粒较粗,表面较粗糙,不能用于精密加工。主要用于化工、金属冶炼为主。

等静压石墨材料的特点

等静压石墨材料具有各向同性好,特性与形状、尺寸、取样方向无关;材料组织结构致密,机械强度高、表面硬度高、抗氧化性能强、耐高温;材料抗热震性好,在急冷急热的工作条件下不易开裂。



(1)各向同性

成型方法不同,不同方向上的性能有差异。主要表现在:电阻率、导热率、机械性能、热膨胀系数等。一般测定方法是:在产品上按垂直于压力面方向和水平于压力面方向取样,分别测定性能,然后用最小一方的数据,除以最大一方的数据,便可得到各向同行比。


(2)大规格

市场对产品尺寸规格的要求越来越大。以直拉单晶硅为例,单晶硅产品由原来6、8寸,发展到目前12寸,热场用石墨材料尺寸也在增加。相关其他行业也类似,电火花加工用石墨、连铸石墨、核反应堆用石墨亦需大规格制品。而采用模压和挤压方法是难以实现的。


大规格产品生产中出现的主要问题是焙烧开裂,规格越大。焙烧开裂的几率也就越高。

(3)细结构

作为结构材料,要求有较高的物化性能。


一方面构成炭/石墨材料的基础炭颗粒粒度越细,则其质地越致密,机械强度亦越高。另外一方面炭质骨料的颗粒越细,表面积越大,粘结剂要均匀地包覆在每个颗粒表面,在配方中使用的粘结剂量就越多。这增加了烧结的废品率,石墨化度也很难提高。



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