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石墨行业中的“领军者”——等静压石墨

          以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);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。


 

 

 

 

一、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。

二、、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。

三、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。

1、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。

2、等静压石墨的生产工艺流程:等静压石墨的生产要经过原料的破碎、筛分、磨粉,粘接剂的融化,以及配料、混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化等工序的处理。


3、国内等静压石墨领域发展现状分析:我国的特种石墨行业起步较晚,对产品应用技术及相关基础理论研究不够深入,大部分国产产品与世界领先水平尚存在一定的差距。

1)国内特种石墨上期处于供给不足,尽管当前国内特种石墨的产能已经大幅上升,但是高端产品仍较少,尤其是大规格细颗粒的高端特种石墨产品(如核石墨、航空航天用石墨)目前主要还是依赖国外进口,存在国产替代空间。

2)我国等静压石墨的研制始于20世纪60年代初,初期主要为科研院所试制。20世纪80年代,上海碳素厂等企业首次尝试批量生产等静压石墨,但由于技术基础薄弱加之国外企业的技术封锁,中国等静压石墨整体水平远落后于美、德、法、日等国。

3)经过多年发展,国内等静压石墨市场已形成国产厂商和海外石墨巨头多极竞争的格局,以五星新材、成都炭材、中钢新型材料为代表的国产等静压石墨龙头企业已成功打破国外等静压石墨企业在华垄断的局面,通过自主研发不断突破各类等静压石墨产品的核心技术,部分国产产品的性能参数和质量已不逊色于法国美尔森、德国西格里等国际巨头。

4)目前,由于生产成本更低、生产工序更齐全,国产厂商在等静压石墨的重要下游“光伏热场”行业竞争力已明显超过国际巨头,等静压石墨领域的国产化替代正式处于加速期。

 

发布时间:2023/9/21 4:30:22 查看:244次

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