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          一文看懂等靜壓石墨:國產材料的又一“卡脖子”之痛
          來源:石墨盟 2020-11-30 14:57  點擊:
            等靜壓石墨是指采用等靜壓成型方式生產的石墨材料。等靜壓石墨由于成型過程中通過液體壓強均勻不變施壓,制得的石墨材料性質優異,具有:成型規格大、坯料組織結構均勻、密度高,強度高,各向同性(特性與尺寸、形狀、取樣方向無關)等優點,因此等靜壓石墨也被稱為“各向同性”石墨。
           
          等靜壓成型技術的特點



          (1)等靜壓成型的制品密度高,一般要比單向和雙向模壓成型高5%-15%,熱等靜壓制品相對密度可達99.80%-99.99%。
           
          (2)壓坯的密度均勻一致。在模壓成型中,無論是單向、還是雙向壓制,都會出現壓坯密度分布不均現象。這種密度的變化在壓制復雜形狀制品時,往往可達到10%以上。這是由于粉料與鋼模之間的摩擦阻力造成的。等靜壓流體介質傳遞壓力,在各方向上相等。包套與粉料受壓縮大體一致,粉料與包套無相對運動,它們之間的摩擦阻力很少,壓力只有輕微地下降,這種密度下降梯度一般只有1%以下,因此,可認為坯體密度是均勻的。
           
          (3)因為密度均勻,所以制作長徑比可不受限制,這就有利于生產棒狀、管狀細而長的產品。
           
          (4)等靜壓成型工藝,一般不需要在粉料中添加潤滑劑,這樣既減少了對制品的污染,又簡化了制造工序。
           
          (5)等靜壓成型的制品,性能優異,生產周期短,應用范圍廣。
           
          (6)等靜壓成型工藝的缺點是,工藝效率較低,設備昂貴。
          等靜壓石墨的生產特點



          炭素制品的成型方法主要有模壓成型、振動成型、擠壓成型和等靜壓成型。等靜壓石墨的成型方法是采用等靜壓機進行成型。等靜壓機的工作步驟是先將要成型的粉料裝入彈性模具內,然后將模具口封閉后置于充滿液體或氣體的高壓容器內,最后將高壓缸口封閉并推動至機架中,通過超高壓泵打入液體或氣體介質對彈性模具從各個方向均勻加壓,使模具內的粉料向中心密實。
          (1)液體或氣體加壓,成型壓力高,可以壓制大尺寸制品。壓粉用橡膠、塑料、玻璃或金屬模具裝著,密封后置于液體或氣體中加壓,制品表面在均勻受壓的條件下等比例收縮,生坯密度大。成型壓力大,目前最大工作壓力可達1050Mpa,壓縮強度高,因此,可壓制大規格制品。
           
          (2)由于可選擇保壓時間以及控制泄壓速度,釋放壓力后制品彈性后效小,使壓制超細結構產品成為現實,而不會因彈性后效太大出現冷模壓出現的制品因彈性后效大而壓型坯開裂現象。
           
          (3)可以壓制異形制品?筛淖兡>咝螤钪苯訅褐瞥僧愋闻。
           
          等靜壓石墨材料的特點
          (1)各向同性
           
          一般將各向同性度為1.0~1.1的材料稱為各向同性材料。由于采用等靜壓成型,等靜壓石墨的各向同性度可在1.0~1.1內。等靜壓石墨的各向同性度受熱處理工藝、粉料顆粒的各向同性度和成型工藝等因素的影響。
           
          等靜壓石墨在熱處理過程中,熱量是從外部逐漸向內部傳遞,溫度從外部向內部逐漸降低,外部溫度的均勻性要好于內部溫度的均勻性,因而熱處理后的等靜壓石墨外部的各向同性度好于內部。
           
          粘結劑瀝青經過石墨化后,形成的微晶組織對石墨塊體的各向同性度影響不大,如果粉料顆粒的各向同性度較好,即使采用模壓成型,也能制備出各向同性度好的石墨。
           
          成型工藝方面,如果粘結劑瀝青和粉料混捏不均勻,也會影響等靜壓石墨的各向同性度。
           
          (2)大規格細結構
           
          采用模壓成型制備大規格細結構的炭素制品是無法完成的。在一定程度上,等靜壓成型能克服模壓成型導致產品體積密度不均勻的缺點,大大降低了產品開裂的幾率,使大規格細結構產品的生產成為現實。
           
          (3)均質性
           
          等靜壓石墨的內部結構比較均勻,各部分的體積密度、電阻率和強度等性能相差不大,可以看成一種均質石墨材料。等靜壓石墨的均質性是由等靜壓成型的加壓方式所決定的。采用等靜壓成型時,壓力沿壓制方向的傳遞效果是相同的,因而等靜壓石墨各個部位的體積密度是均勻的。



          等靜壓石墨的應用及發展趨勢



          (1)半導體工業
          等靜壓石墨各向同性好、導熱性優良、抗熱振動好、熱膨脹系數低、抗折和抗壓強度高,并且能夠有效地減小材料受急冷急熱而產生的內應力,從而能夠延長設備或器具的使用壽命,所以在半導體、太陽能光伏發電領域被用來深加工為硅晶生長設備用石墨部件,如石墨坩堝、石墨熱場、石墨蓋板、硅片外延用石墨座、石墨保溫罩和炭素保溫材料等。
           
          隨著集成電路的高速發展,硅晶體的尺寸由2英寸發展到18英寸,所用石墨坩堝尺寸隨之增大,技術要求也不斷加強,尤其需要高純度的石墨。所以隨硅晶尺寸技術的發展,硅生長設備用石墨部件要求石墨坩堝、石墨熱場等材料向高純度、大型化和高端化技術發展。
           
          (2)電火花加工
           
          電火花加工具有傳統的切削加工所不具備的優勢,能加工超硬、耐高溫合金等難加工的材料。目前,國內電火花加工采用的電極材料,大約70%是紫銅,30%左右是石墨電極。采用等靜壓石墨作為石墨電極,具有銅電極所不具備的一些優勢:高溫條件下不熔化,而且能保持一定的強度;在電火花加工過程中電極消耗;加工速度快;切削時材料熱穩定好,不易變形;質量輕;能保證加工件的表面質量和尺寸精度,表面容易處理。

          隨著科學技術的發展和實際生產加工的需求,電火花加工逐漸向加工的精密性、微細化、高速化和高效率、綠色加工以及復合加工方面發展。但是在這些加工中,電火花工具電極會有嚴重的損耗,從而影響產品的表面質量和尺寸精度。因此如何降低工具電極的損耗,從而實現高速、低損耗的精密加工是電火花加工不斷追求的目標。等靜壓石墨需向更細小的顆粒和大規格尺寸方向發展。
           
          (3)原子能工業
          (4)連鑄行業
          連鑄結晶器是連鑄設備中的重要部件,因為等靜壓石墨具有耐高溫、耐腐蝕、導電性和導熱性好、抗氧化和自潤滑等性能,常常被用作連鑄結晶器。石墨連鑄結晶器具有許多金屬連鑄結晶器沒有的特點,如:工作中液態金屬無法浸蝕結晶器,鑄件移動時與結晶器的摩擦小,生產的鑄件表面質量好以及不用再加工。
           
          (5)其他應用
          等靜壓石墨的摩擦系數低、導熱性能好,常用作軸承、機械密封用密封環、活塞環等特殊工程材料。此外,等靜壓石墨還用于制作金剛石工具,光纖拉絲機的熱場部件(加熱器、保溫筒等),真空熱處理爐的熱場部件(加熱器、承載框等),以及精密石墨熱交換器。



          等靜壓石墨的生產工藝



          等靜壓石墨的生產工藝包括:細磨、篩分、配料、混捏、成型、焙燒、浸漬、石墨化和提純等工藝。
          (1)原料及破碎
          制備等靜壓石墨所用的粉料有石油焦、瀝青焦、各向同性焦、中間相炭微球等焦炭。石油焦和瀝青焦是易石墨化焦,常被用來制備等靜壓石墨,其中石油焦制備的等靜壓石墨強度略低于瀝青焦制備的等靜壓石墨強度。石油焦需用破碎設備和氣流粉碎設備對其進行粉碎處理,以期獲得粒度適合的石油焦粉。
           
          制備炭石墨材料所用的粘結劑有:煤瀝青、煤焦油、蔥油以及各種樹脂。由于煤瀝青能和粉料充分混捏形成可塑性的糊料并且炭化能與粉料顆粒很好的粘結,所以是制備等靜壓石墨常用的粘結劑。
           
          (2)配料及混捏
          將提純后粒度合適的石油焦粉與粘結劑按照一定的比例進行混合,為了使配好的物料分布均勻并形成具有塑性的糊料,必須經過混捏處理。在制備等靜壓石墨的工藝流程中,混捏具有重要的作用。為了獲得比較高的成品率,需要嚴格控制混捏設備的升降溫度程序與混捏時間。
           
          炭素工業常用的混捏設備有雙軸混捏機、單軸混捏機、逆流高速混捏機,特種石墨制備采用逆流高速混捏機。
           
          此外,混捏后的糊料需要經軋片工藝處理,糊料經煉膠機軋成1~3mm薄片(1~2次軋片),使得黏結劑與焦粉更加有效的進行結合。糊料經軋片后用萬能粉碎機磨成糊料粉供等靜壓成型使用。
           
          (3)成型
          等靜壓成型有兩種方式:一種是將物料裝入彈性模具中直接等靜壓成型;另一種是先將物料模壓預成型后再等靜壓成型。等靜壓石墨的生產采用冷等靜壓成型。目前,國內有生產冷等靜壓和熱等靜壓設備的廠家,生產的設備可滿足特種石墨成型的要求。
           
          (4)浸漬及焙燒
          (5)石墨化及提純
          為了提高坯體的導熱和導電性能,等靜壓石墨需要進行石墨化處理。石墨化過程實際上是一個溫度控制過程。溫度在1250℃之前,坯體重復焙燒階段,未發生結構的改變。溫度為1250~1800℃時,坯體的物理結構發生了很大的改變,無定形炭的亂層結構有向石墨的晶體結構轉變的趨勢,同時無定形炭結構邊緣不穩定的原子基團不斷分解逸出。溫度在1800℃之后,石墨的晶體結構基本形成,繼續升高溫度,坯體的石墨化程度進一步提高。
           
          石墨化爐有艾奇遜爐、串接式爐、感應石墨化爐和炭管爐。但在工業上應用的僅有艾奇遜爐和串接式爐。




          國內外等靜壓石墨的生產工藝差距



          (1)原料和配方
           
          我國生產等靜壓石墨的生產原料基本上與生產其它石墨產品所釆用的原料相同,即石油焦和瀝青焦。國外具體的生產原料和配方對我國一直是保密的。
           
          (2)國內外工藝方面的差距
           
          我國的生產工藝為:配料→壓型→一焙→一浸→二焙→二浸→三焙(三浸→四焙→)石墨化。
           
          國外的生產工藝為:配料→壓型→一焙(一浸→二焙→)石墨化。與國外相比,我國的生產工藝流程復雜、自動化程度低、生產成本高且成品率低。而且,由于我國目前等靜壓石墨材料生產企業大多是民營小企業,所以在工藝裝備方面與國外也有較大的差距。
           
          (3)產品性能差異
           
          國內外部分特種石墨產品性能比較

           
          小結
           
          等靜壓石墨是新型石墨材料,是石墨材料中的精品,由于具有一系列優良特性,它必然會與高新技術、國防尖端技術緊密相聯,成為21世紀最有價值的新材料之一。隨著科技、經濟的發展,等靜壓石墨的國內外市場容量與日俱增,發展潛力巨大。

          國內等靜壓石墨生產企業需要朝大規格、細結構(超細結構)、高強度、高純度、多功能方向發展,順應半導體、光伏產業、機械制造、核能利用各行業發展趨勢,為中國國民經濟的發展更好地服務。(信息來源:中國粉體網)
           


          交通路線

          蘇州中材非礦設計研究院

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