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除了负极,还有一个热场——等静压石墨丨行业研究

时间:2023-10-19 16:05:19 点击:220次

作者 | 研究中心

静压石墨是20世纪60年代开发的一种新型石墨材料。 具有成型规格大、毛坯结构均匀、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。 ,所以等静压石墨也称为“各向同性”石墨。 由于它具有一系列优良性能,因此与当今高科技、国防尖端技术紧密相连。 是制造单晶硅炉、金属连铸石墨结晶器、电火花加工用石墨电极等不可替代的材料,也是制造火箭点火极、激励极、喷嘴和舵板以及石墨核的优良材料。反应堆减速材料和反光材料。 同时,它也无法被其他劣质石墨产品替代。

等静压石墨的基本概念

特种石墨材料是指碳质量分数大于99.99%的石墨,又称“三高石墨”(高强度、高密度、高纯度),是一种新型碳材料。 根据适用领域不同或工艺性能不同,主要可分为等静压石墨和模压石墨,两者采用不同的成型方法。 其中,成型时垂直于压力面的方向和水平于压力面的方向所受的应力不同,从而产生不同的性能。 因此,模压石墨具有“各向异性”的特点; 在等静压过程中,产品在各个方向上受到应力。 均匀且相对均匀的体积密度,因此等静压石墨具有“各向同性”的特性。

等静压是指对被密封材料在各个方向上同时施加相等的压力; 等静压成型是将被压制的材料密封后置于高压容器中,利用液体介质不可压缩和压力传递均匀的性质,从各个方向对材料均匀加压。 当液体介质通过压力泵注入压力容器时,根据流体力学原理,其压力保持不变,均匀地向各个方向传递。 因此,高压容器内的粉末是各个方向的。 各方向压力均匀、大小一致。 采用上述方法将粉末致密化成坯体的方法称为等静压成型。 等静压石墨材料具有各向同性的特性,材料的特性与尺寸、形状、取样方向无关。

通过模压成型无法制备大尺寸、精细结构的碳制品。 等静压在一定程度上可以克服压缩成型造成的制品体积密度不均匀的缺点,大大减少制品开裂的机会,使大尺寸、细结构制品的生产成为现实。 同时,等静压工艺一般不需要在粉末中添加润滑剂,不仅减少了对产品的污染,而且简化了制造工艺。

等静压石墨生产工艺

等静压石墨的生产工艺流程包括:细磨、筛分、配料、捏合、成型、焙烧、浸渍、石墨化、提纯等。

(一)原料及破碎

用于制备等静压石墨的粉体材料有石油焦、沥青焦、各向同性焦、中间相碳微球等焦炭。 石油焦和沥青焦是易于石墨化的焦炭,常用于制备等静压石墨。 由石油焦制备的等静压石墨的强度略低于由沥青焦制备的等静压石墨。 石油焦需要采用破碎设备和气流破碎设备进行破碎,才能得到合适粒度的石油焦粉。

(2)配料及混合

将纯化后的合适粒度的石油焦粉与粘结剂按一定比例混合。 为了使配制好的材料分布均匀,形成塑性糊状,必须进行捏炼。 在制备等静压石墨的工艺流程中,混合和捏炼起着重要的作用。 为了获得较高的产量,需要严格控制混合设备的升降温程序和捏合时间。

(3) 成型

等静压的方法有两种:一种是将材料放入弹性模具中,直接压制成等静压形式; 另一种是将材料模制成预成型件,然后将其压制成等静压形式。 等静压石墨是通过冷等静压生产的。

(4)浸渍、焙烧

在烘烤过程中,由于气体的排出和体积的收缩,青胚中留下了微小的气孔。 大量孔隙的存在必然会对胚体的物理机械性能产生负面影响。 为了进一步提高生胚的堆积密度、机械强度、导热系数等性能,等静压石墨需要经过一次或多次沥青浸渍和焙烧处理。

(5)石墨化与提纯

为了提高坯体的导热性和导电性,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的过程。 在温度达到1250°C之前,生坯会重复烘烤阶段,结构不会发生变化。 当温度为1250~1800℃时,坯体的物理结构发生较大变化。 无定形碳的乱层结构倾向于转变为石墨的晶体结构。 与此同时,无定形碳结构边缘的不稳定原子团继续形成。 分解并逃脱。 温度达到1800℃后,石墨的晶体结构基本形成。 如果温度继续升高,坯体的石墨化程度将进一步增加。

等静压石墨的应用领域

等静压石墨的下游应用在半导体工业、原子能工业、电火花加工、连铸冶金工业、光伏等生产领域。

1、半导体、光伏领域晶硅制造热场系统

在半导体工业领域,等静压石墨具有良好的各向同性、优良的导热性、良好的抗热震性能、较高的抗弯、抗压强度,能有效降低材料急冷急热产生的内应力,从而延长使用寿命。设备或器具的使用寿命,因此用于半导体和太阳能光伏发电领域的硅晶体生长设备的石墨部件的深加工。 随着光伏产业的快速发展,单晶硅热场尺寸已从24英寸发展到36英寸。 所使用的石墨热场元件的尺寸也随之增大,技术要求也不断强化,特别是高纯石墨。

在直拉单晶硅热场中,等静压石墨组件包括坩埚、加热器、电极、隔热屏蔽板、籽晶支架、旋转坩埚底座、各种圆板、热反射板等30多种。 其中,80%的等静压石墨用于制造坩埚和加热器。 近年来,对单晶硅棒直径的要求越来越高,硅片的生产也日益成为主流。 因此,单晶炉加热区的直径大多为。 为了保护炉内放置的石英坩埚,石墨坩埚的直径已达到,加热器的直径约为960~,其他部件的直径已达到最大。 在太阳能电池用多晶硅片的制造过程中,首先必须将多晶硅碎片熔化并浇铸成多晶硅方锭。 铸锭炉的加热器需要采用等静压石墨制成。

——单晶拉丝炉热场系统

单晶拉丝炉热场系统主要应用于光伏行业、半导体行业单晶硅的生长和拉丝工艺。 是制备单晶硅的关键设备。

光伏硅单晶制造工艺是由半导体硅单晶演变而来。 两者在设备、工艺、热场系统等方面架构相同。 主要区别体现在硅单晶产品的纯度和热场材料的纯度要求不同。 半导体用硅单晶纯度要求高于99.%,太阳能光伏硅单晶纯度高于99.%。 在热场材料的灰分含量要求方面,太阳能光伏P型单晶:<; N型单晶:<;半导体硅单晶要求<。

——多晶铸锭炉热场系统

多晶铸锭炉热场系统是光伏行业多晶铸锭的关键设备。 主要包括顶板、加热元件、盖板、护板等部件。

2. 放电加工

放电加工具有传统切削加工所不具备的优点。 可加工超硬、耐高温合金等难加工材料。 目前国内电火花加工所用电极材料约70%为铜,约30%为石墨电极。 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点:在高温条件下不熔化,能保持一定的强度; 电火花加工时电极消耗小; 处理速度快; 切割时材料热稳定,不易变形; 重量轻; 能保证加工件的表面质量和尺寸精度,且表面易于处理。

随着科学技术的发展和实际生产加工的需要,电火花加工逐渐向精密化、小型化、高速高效、绿色加工、复合加工方向发展。 然而,在这些过程中,电火花加工工具电极会遭受严重的损失,从而影响产品的表面质量和尺寸精度。 因此,如何减少工具电极的损耗,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。 等静压石墨需要向更细颗粒、大尺寸方向发展。

3、核工业

核反应堆的工作条件十分恶劣,要求材料具有高密度、高强度、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、热稳定性好等特点。 因此,等静压石墨被用于核反应堆。 等静压石墨具有慢化和反射中子的作用,可用作原子能反应堆的结构材料,如支撑柱、热气管道、燃料元件和其他热结构件,并用于生产石墨球、芯材、电机等核石墨制品。

等静压石墨代表企业

国外生产等静压石墨的公司,如日本东洋、德国西格里、法国罗兰、法国默森、美国布科等,技术先进,可生产各种大尺寸、高纯、细结构的等静压石墨。压制石墨制品。 这些企业所属国家对我国实行严格的技术封锁,甚至对我国设置长期的产品出口限制。 特别是用于国防、航天、核能等领域的高端石墨产品目前被严格禁止出口到中国。

国内厂家有五星新材、成都炭素、中钢集团、东方炭素、博翔炭素、开封炭素、福仓新材等。

五星新材料(原宝丰县五星石墨有限公司)一直致力于高纯石墨的研发、生产、销售和技术服务,位居国内高纯石墨制造行业的领先地位。 产品主要应用于光伏及半导体、氢能源、航空航天、军工及核工业等领域。 2022年6月,五星新材料“超细结构各向同性等静压石墨”项目已建成投产。 项目总投资3.2亿元。 取得成效后,可实现产值6亿元,利税2亿元以上。

l 方大炭素(.SH)于2022年9月5日召开第八届董事会第十六次临时会议,审议通过了《关于子公司成都方大炭素复合材料有限公司申请国家高新技术企业认定的方案》 《中小企业》《关于企业股份转让系统挂牌的议案》,成都炭素股份有限公司于1994年开始生产等静压石墨,专注于等静压石墨的研发,拓展等静压石墨的应用领域石墨。 2005年等静压石墨年产量为612吨,2010年达到1489吨。 2010年底,方大集团与成都市政府签署战略合作投资建设协议,投资1700元在成都经济技术开发区建立方大科技产业园,占地面积​​占地约411亩,新建3万吨/年专用设备石墨制造加工基地。

l 中钢集团产品广泛应用于核电、半导体、光伏等热门行业领域。 是国内规模最大、质量最高、规格最全的特种石墨材料研发生产的高新技术企业。 中钢新材料(宁夏)有限公司年产特种石墨2万吨。 首批石墨化炉于2021年底成功点火并测试。年产2万吨特种石墨产能项目占地483.6亩,总投资估算17亿元。 建设周期为24个月。 项目达产后,年产特种石墨材料2万吨。 达产后,年产值不低于11亿元。

东方炭素是一家集特种石墨产品和新型石墨材料委托加工为一体的国家高新技术龙头企业。 主要包括以下产品类型:等静压特种细结构石墨、冷成型特种细结构石墨、振动成型中粗石墨材料、热成型中粗石墨材料和挤压细结构石墨材料等石墨制品。 公司还不断提高等静压细结构石墨产品的生产比例。

l 易城新能(.SZ)全资子公司开封炭素拥有1万吨等静压石墨产品,目前处于小批量生产状态。

l 博翔炭素于2009年投资3.7亿元,建设年产1.6万吨特种高纯石墨项目。 是生产电火花石墨、光伏石墨等行业高纯石墨的龙头企业。

福坦新材料是一家研发、生产半导体级先进等静压石墨材料及器件的企业。 已实现工业化批量生产,产品质量达到国际先进水平。 2022年7月,福坛集团福建生产基地5000吨石墨化车间成功点火,标志着福坛集团在推进高端等静压石墨产品研发和生产方面迈出了重要一步。

附加内容

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