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石墨行業中的“領軍者”——等靜壓石墨

發布日期:2023-09-13 16:49瀏覽次數:

以石墨為主的碳基新材料產業作為戰略新興產業,擁有廣闊的發展前景,具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱震、易于精密加工等特性,逐漸成為石墨領域當中的“領軍者”,被稱為新材料領域的第四大類材料。


2021年8月24日,工信部將碳基新材料納入“十四五”原材料工業相關發展規劃。目前我國亟待攻克的“卡脖子”碳基材料品種有三大類:一是碳纖維及其制品(如高性能聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、碳纖維預浸料、復合材料和碳紙等);二是特種石墨(如電火花加工用特種石墨、模具特種石墨、各向同性特種石墨、核石墨等);三是功能炭材料(如中間相碳微球、電容炭、硬炭、硅炭、石墨烯導熱膜和導電炭黑等)。

其中,特種石墨是指碳的質量分數大于99.99%的石墨,又稱“三高石墨”(高強度、高密度、高純度)。具有高強度、高密度、高純度、化學穩定性高、導熱和導電率高、耐高溫、耐輻射、潤滑性強和易加工等特點。


等靜壓石墨具有的性能

1、耐熱性好,在惰性氣氛下,隨溫度的升高其機械強度升高,在2500℃左右時達到最大值;

2、與普通石墨相比,均勻性好,而且結構精細致密;

3、熱膨脹系數低,抗熱震性能好;

4、各向同性,在各個方向上性能一致;

5、耐化學腐蝕性強,能經受住熔融金屬和玻璃的滲透侵蝕;導電性、導熱性良好;具有優異的機械加工性能,幾乎可以加工成任意形狀的物品。

因此等靜壓石墨被廣泛應用于制作CZ型單晶直拉爐熱場石墨部件(坩堝、加熱器、導流筒、保溫罩等),多晶硅熔煉爐,化合物半導體制造用加熱器、坩堝等部件,火箭點火極、激勵極、噴嘴和舵板、核反應堆堆芯結構、放電加工用電極、連鑄金屬用石墨結晶器等。

等靜壓石墨的主要成型方法

目前的成型方法有:擠壓成型、模壓成型、振動成型和等靜壓成型四種。市場上常見的炭/石墨材料,多數是采用熱擠壓和模壓(冷的或熱的)成型的,等靜壓成型是一種成型性能具有領先優勢的方法。振動成型一般用于制造中粗結構石墨,粒徑在0.5-2mm粒徑之間,一般以二焙石墨化產品為主,密度在1.55-1.75kg/m3之間,顆粒較粗,表面較粗糙,不能用于精密加工。主要用于化工、金屬冶煉為主。

等靜壓石墨材料的特點

等靜壓石墨材料具有各向同性好,特性與形狀、尺寸、取樣方向無關;材料組織結構致密,機械強度高、表面硬度高、抗氧化性能強、耐高溫;材料抗熱震性好,在急冷急熱的工作條件下不易開裂。


(1)各向同性

成型方法不同,不同方向上的性能有差異。主要表現在:電阻率、導熱率、機械性能、熱膨脹系數等。一般測定方法是:在產品上按垂直于壓力面方向和水平于壓力面方向取樣,分別測定性能,然后用最小一方的數據,除以最大一方的數據,便可得到各向同行比。

(2)大規格

市場對產品尺寸規格的要求越來越大。以直拉單晶硅為例,單晶硅產品由原來6、8寸,發展到目前12寸,熱場用石墨材料尺寸也在增加。相關其他行業也類似,電火花加工用石墨、連鑄石墨、核反應堆用石墨亦需大規格制品。而采用模壓和擠壓方法是難以實現的。

大規格產品生產中出現的主要問題是焙燒開裂,規格越大。焙燒開裂的幾率也就越高。

(3)細結構

作為結構材料,要求有較高的物化性能。

一方面構成炭/石墨材料的基礎炭顆粒粒度越細,則其質地越致密,機械強度亦越高。另外一方面炭質骨料的顆粒越細,表面積越大,粘結劑要均勻地包覆在每個顆粒表面,在配方中使用的粘結劑量就越多。這增加了燒結的廢品率,石墨化度也很難提高。

等靜壓石墨的生產工藝流程

等靜壓石墨的生產要經過原料的破碎、篩分、磨粉,粘接劑的融化,以及配料、混捏、成型、焙燒、浸漬、石墨化等工序的處理。


國內等靜壓石墨領域發展現狀分析

我國的特種石墨行業起步較晚,對產品應用技術及相關基礎理論研究不夠深入,大部分國產產品與世界領先水平尚存在一定的差距。

國內特種石墨上期處于供給不足,盡管當前國內特種石墨的產能已經大幅上升,但是高端產品仍較少,尤其是大規格細顆粒的高端特種石墨產品(如核石墨、航空航天用石墨)目前主要還是依賴國外進口,存在國產替代空間。

我國等靜壓石墨的研制始于20世紀60年代初,初期主要為科研院所試制。20世紀80年代,上海碳素廠等企業首次嘗試批量生產等靜壓石墨,但由于技術基礎薄弱,加之國外企業的技術封鎖,中國等靜壓石墨的整體水平遠落后于美、德、法、日等國。

經過多年發展,國內等靜壓石墨市場已形成國產廠商和海外石墨巨頭多極競爭的格局,以五星新材、成都炭材、中鋼新型材料為代表的國產等靜壓石墨龍頭企業已成功打破國外等靜壓石墨企業在華壟斷的局面,通過自主研發不斷突破各類等靜壓石墨產品的核心技術,部分國產產品的性能參數和質量已不遜色于法國美爾森、德國西格里等國際巨頭。

目前,由于生產成本更低、生產工序更齊全,國產廠商在等靜壓石墨的重要下游“光伏熱場”行業競爭力已明顯超過國際巨頭,等靜壓石墨領域的國產化替代正式處于加速期。


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