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一文看懂等静压石墨:国产材料的又一“卡脖子”之痛
来源:石墨盟 2020-11-30 14:57  点击:
  等静压石墨是指采用等静压成型方式生产的石墨材料。等静压石墨由于成型过程中通过液体压强均匀不变施压,制得的石墨材料性质优异,具有:成型规格大、坯料组织结构均匀、密度高,强度高,各向同性(特性与尺寸、形状、取样方向无关)等优点,因此等静压石墨也被称为“各向同性”石墨。
 
等静压成型技术的特点



(1)等静压成型的制品密度高,一般要比单向和双向模压成型高5%-15%,热等静压制品相对密度可达99.80%-99.99%。
 
(2)压坯的密度均匀一致。在模压成型中,无论是单向、还是双向压制,都会出现压坯密度分布不均现象。这种密度的变化在压制复杂形状制品时,往往可达到10%以上。这是由于粉料与钢模之间的摩擦阻力造成的。等静压流体介质传递压力,在各方向上相等。包套与粉料受压缩大体一致,粉料与包套无相对运动,它们之间的摩擦阻力很少,压力只有轻微地下降,这种密度下降梯度一般只有1%以下,因此,可认为坯体密度是均匀的。
 
(3)因为密度均匀,所以制作长径比可不受限制,这就有利于生产棒状、管状细而长的产品。
 
(4)等静压成型工艺,一般不需要在粉料中添加润滑剂,这样既减少了对制品的污染,又简化了制造工序。
 
(5)等静压成型的制品,性能优异,生产周期短,应用范围广。
 
(6)等静压成型工艺的缺点是,工艺效率较低,设备昂贵。
等静压石墨的生产特点



炭素制品的成型方法主要有模压成型、振动成型、挤压成型和等静压成型。等静压石墨的成型方法是采用等静压机进行成型。等静压机的工作步骤是先将要成型的粉料装入弹性模具内,然后将模具口封闭后置于充满液体或气体的高压容器内,最后将高压缸口封闭并推动至机架中,通过超高压泵打入液体或气体介质对弹性模具从各个方向均匀加压,使模具内的粉料向中心密实。
(1)液体或气体加压,成型压力高,可以压制大尺寸制品。压粉用橡胶、塑料、玻璃或金属模具装着,密封后置于液体或气体中加压,制品表面在均匀受压的条件下等比例收缩,生坯密度大。成型压力大,目前最大工作压力可达1050Mpa,压缩强度高,因此,可压制大规格制品。
 
(2)由于可选择保压时间以及控制泄压速度,释放压力后制品弹性后效小,使压制超细结构产品成为现实,而不会因弹性后效太大出现冷模压出现的制品因弹性后效大而压型坯开裂现象。
 
(3)可以压制异形制品。可改变模具形状直接压制成异形坯。
 
等静压石墨材料的特点
(1)各向同性
 
一般将各向同性度为1.0~1.1的材料称为各向同性材料。由于采用等静压成型,等静压石墨的各向同性度可在1.0~1.1内。等静压石墨的各向同性度受热处理工艺、粉料颗粒的各向同性度和成型工艺等因素的影响。
 
等静压石墨在热处理过程中,热量是从外部逐渐向内部传递,温度从外部向内部逐渐降低,外部温度的均匀性要好于内部温度的均匀性,因而热处理后的等静压石墨外部的各向同性度好于内部。
 
粘结剂沥青经过石墨化后,形成的微晶组织对石墨块体的各向同性度影响不大,如果粉料颗粒的各向同性度较好,即使采用模压成型,也能制备出各向同性度好的石墨。
 
成型工艺方面,如果粘结剂沥青和粉料混捏不均匀,也会影响等静压石墨的各向同性度。
 
(2)大规格细结构
 
采用模压成型制备大规格细结构的炭素制品是无法完成的。在一定程度上,等静压成型能克服模压成型导致产品体积密度不均匀的缺点,大大降低了产品开裂的几率,使大规格细结构产品的生产成为现实。
 
(3)均质性
 
等静压石墨的内部结构比较均匀,各部分的体积密度、电阻率和强度等性能相差不大,可以看成一种均质石墨材料。等静压石墨的均质性是由等静压成型的加压方式所决定的。采用等静压成型时,压力沿压制方向的传递效果是相同的,因而等静压石墨各个部位的体积密度是均匀的。



等静压石墨的应用及发展趋势



(1)半导体工业
等静压石墨各向同性好、导热性优良、抗热振动好、热膨胀系数低、抗折和抗压强度高,并且能够有效地减小材料受急冷急热而产生的内应力,从而能够延长设备或器具的使用寿命,所以在半导体、太阳能光伏发电领域被用来深加工为硅晶生长设备用石墨部件,如石墨坩埚、石墨热场、石墨盖板、硅片外延用石墨座、石墨保温罩和炭素保温材料等。
 
随着集成电路的高速发展,硅晶体的尺寸由2英寸发展到18英寸,所用石墨坩埚尺寸随之增大,技术要求也不断加强,尤其需要高纯度的石墨。所以随硅晶尺寸技术的发展,硅生长设备用石墨部件要求石墨坩埚、石墨热场等材料向高纯度、大型化和高端化技术发展。
 
(2)电火花加工
 
电火花加工具有传统的切削加工所不具备的优势,能加工超硬、耐高温合金等难加工的材料。目前,国内电火花加工采用的电极材料,大约70%是紫铜,30%左右是石墨电极。采用等静压石墨作为石墨电极,具有铜电极所不具备的一些优势:高温条件下不熔化,而且能保持一定的强度;在电火花加工过程中电极消耗小;加工速度快;切削时材料热稳定好,不易变形;质量轻;能保证加工件的表面质量和尺寸精度,表面容易处理。

随着科学技术的发展和实际生产加工的需求,电火花加工逐渐向加工的精密性、微细化、高速化和高效率、绿色加工以及复合加工方面发展。但是在这些加工中,电火花工具电极会有严重的损耗,从而影响产品的表面质量和尺寸精度。因此如何降低工具电极的损耗,从而实现高速、低损耗的精密加工是电火花加工不断追求的目标。等静压石墨需向更细小的颗粒和大规格尺寸方向发展。
 
(3)原子能工业
(4)连铸行业
连铸结晶器是连铸设备中的重要部件,因为等静压石墨具有耐高温、耐腐蚀、导电性和导热性好、抗氧化和自润滑等性能,常常被用作连铸结晶器。石墨连铸结晶器具有许多金属连铸结晶器没有的特点,如:工作中液态金属无法浸蚀结晶器,铸件移动时与结晶器的摩擦小,生产的铸件表面质量好以及不用再加工。
 
(5)其他应用
等静压石墨的摩擦系数低、导热性能好,常用作轴承、机械密封用密封环、活塞环等特殊工程材料。此外,等静压石墨还用于制作金刚石工具,光纤拉丝机的热场部件(加热器、保温筒等),真空热处理炉的热场部件(加热器、承载框等),以及精密石墨热交换器。



等静压石墨的生产工艺



等静压石墨的生产工艺包括:细磨、筛分、配料、混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化和提纯等工艺。
(1)原料及破碎
制备等静压石墨所用的粉料有石油焦、沥青焦、各向同性焦、中间相炭微球等焦炭。石油焦和沥青焦是易石墨化焦,常被用来制备等静压石墨,其中石油焦制备的等静压石墨强度略低于沥青焦制备的等静压石墨强度。石油焦需用破碎设备和气流粉碎设备对其进行粉碎处理,以期获得粒度适合的石油焦粉。
 
制备炭石墨材料所用的粘结剂有:煤沥青、煤焦油、葱油以及各种树脂。由于煤沥青能和粉料充分混捏形成可塑性的糊料并且炭化能与粉料颗粒很好的粘结,所以是制备等静压石墨常用的粘结剂。
 
(2)配料及混捏
将提纯后粒度合适的石油焦粉与粘结剂按照一定的比例进行混合,为了使配好的物料分布均匀并形成具有塑性的糊料,必须经过混捏处理。在制备等静压石墨的工艺流程中,混捏具有重要的作用。为了获得比较高的成品率,需要严格控制混捏设备的升降温度程序与混捏时间。
 
炭素工业常用的混捏设备有双轴混捏机、单轴混捏机、逆流高速混捏机,特种石墨制备采用逆流高速混捏机。
 
此外,混捏后的糊料需要经轧片工艺处理,糊料经炼胶机轧成1~3mm薄片(1~2次轧片),使得黏结剂与焦粉更加有效的进行结合。糊料经轧片后用万能粉碎机磨成糊料粉供等静压成型使用。
 
(3)成型
等静压成型有两种方式:一种是将物料装入弹性模具中直接等静压成型;另一种是先将物料模压预成型后再等静压成型。等静压石墨的生产采用冷等静压成型。目前,国内有生产冷等静压和热等静压设备的厂家,生产的设备可满足特种石墨成型的要求。
 
(4)浸渍及焙烧
(5)石墨化及提纯
为了提高坯体的导热和导电性能,等静压石墨需要进行石墨化处理。石墨化过程实际上是一个温度控制过程。温度在1250℃之前,坯体重复焙烧阶段,未发生结构的改变。温度为1250~1800℃时,坯体的物理结构发生了很大的改变,无定形炭的乱层结构有向石墨的晶体结构转变的趋势,同时无定形炭结构边缘不稳定的原子基团不断分解逸出。温度在1800℃之后,石墨的晶体结构基本形成,继续升高温度,坯体的石墨化程度进一步提高。
 
石墨化炉有艾奇逊炉、串接式炉、感应石墨化炉和炭管炉。但在工业上应用的仅有艾奇逊炉和串接式炉。




国内外等静压石墨的生产工艺差距



(1)原料和配方
 
我国生产等静压石墨的生产原料基本上与生产其它石墨产品所釆用的原料相同,即石油焦和沥青焦。国外具体的生产原料和配方对我国一直是保密的。
 
(2)国内外工艺方面的差距
 
我国的生产工艺为:配料→压型→一焙→一浸→二焙→二浸→三焙(三浸→四焙→)石墨化。
 
国外的生产工艺为:配料→压型→一焙(一浸→二焙→)石墨化。与国外相比,我国的生产工艺流程复杂、自动化程度低、生产成本高且成品率低。而且,由于我国目前等静压石墨材料生产企业大多是民营小企业,所以在工艺装备方面与国外也有较大的差距。
 
(3)产品性能差异
 
国内外部分特种石墨产品性能比较

 
小结
 
等静压石墨是新型石墨材料,是石墨材料中的精品,由于具有一系列优良特性,它必然会与高新技术、国防尖端技术紧密相联,成为21世纪最有价值的新材料之一。随着科技、经济的发展,等静压石墨的国内外市场容量与日俱增,发展潜力巨大。

国内等静压石墨生产企业需要朝大规格、细结构(超细结构)、高强度、高纯度、多功能方向发展,顺应半导体、光伏产业、机械制造、核能利用各行业发展趋势,为中国国民经济的发展更好地服务。(信息来源:中国粉体网)
 


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