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特种石墨的分类及用途概述

作者:Las Vegas 日期:2020-11-06 08:09 人气:

  特种石墨的覆盖范围广阔,中国电炭制品行业、天然石墨制品行业和冶金用炭制品行业对此有不同理解和分类方法,若用冶金用炭制品行业的习惯分类解释来说,特种石墨主要指高强度、高密度、高纯度石墨制品(简称三高石墨)。

  三高石墨从材料组织结构上可以分为粗颗粒结构、细颗粒结构和特细颗粒结构三种,从成型方法上区分主要有模压成型特种石墨、挤压成型特种石墨和等静压成型特种石墨三类,此外,振动成型也可用于生产特种石墨。高品质的特种石墨——各向同性石墨是用等静压工艺生产的特种石墨。

  并非所有特种石墨都必须达到同样的高密、高强、高纯指标,使用于不同场合的特种石墨有特定的强度、密度要求,即强度、密度指标不一样。许多特种石墨不需要达到高纯,灰分并非主要质量指标。有的特种石墨不需要高强、高密但需要高纯。有的特种石墨如电火花加工用石墨根据不同的加工工艺和加工对象需要不同理化指标的细颗粒结构石墨或特细颗粒结构石墨。

  电火花加工是机械制造工业中的一种新型加工工艺,电火花加工可以对许多硬度较大的金属进行加工,并可加工形状复杂、精度要求较高的零部件,作为阳极的工具电极可以使用铜质材料,也可使用石墨材料。用作电火花加工的工具电极的石墨材料必须具备下列条件:

  (2)有较高的机械强度,又有良好的加工性能,能加工出复杂的形状或锐角、薄片状;

  (3)石墨质工具电极,在电火花加工过程中有一定损耗,这种损耗应尽可能低;

  (4)放电特性稳定,加工速度较快。因此电火花加工用石墨一般都采用细颗粒结构石墨或特细颗粒结构石墨,在物理性能上最好是各向同性。所以当前中国电火花加工石墨材料市场上用得较多的是细颗粒结构的各向同性石墨。

  2005年国内需要电火花加工石墨估计为4000T,其中使用高档石墨约占25%,使用中低档石墨约占75%。今后可能以10%的年增涨幅度上升。使用进口高档石墨(主要是等静压成型的各向同性石墨)约占全部用量10%。国外电火花加工用各向同性石墨的品种较多,可分别用于粗加工、半精加工、精加工、精细加工、超精细加工和精密加工(线切割等模具的加工)。

  机械工业中的铸造行业大量使用石墨材料作为加压铸造、离心铸造、超硬合金的热挤压等加工的模具,大到火车车轮,小到精密零件都可以使用石墨模具。石墨模具可多次重复使用,脱模后的铸件具有较高的光洁度,有的无需进一步加工即可使用。

  用作铸造模具的石墨材料应该是质地致密、热膨胀系数较低、抗氧化性能较好的石墨,用于铸造尺寸较大的铸件的石墨可以用较粗的粒度组成,而用于铸造小型精密零件的石墨必须使用细颗粒结构的石墨。

  中国用于制造模具的石墨数量较大,2005年连续铸造用石墨约1500t、烧结模用石墨估计需要4000t。

  在模具石墨中以金属连续铸造石墨的质量要求最严,要求其热导率高,热稳定性和耐热冲击性好,润滑性好,不与熔融金属浸润,不与铸造金属反应,容易加工成尺寸精确的模具。连续铸造石墨的特性一般如下:体积密度1.7-1.9g/cm,抗折强度30-40MPa,抗拉强度20-30MPa,热导率100130W/(m·K)。

  纵形角板的规格为1260mmX200mmX280mm;横形板材的规格为1000mmX70mmX240mm;铸造速度根据铸板的尺寸不同而异,取值范围为0.7~4m/min。冷模压细颗粒结构石墨或等静压成型的细颗粒结构石墨都可以加工成金属连续铸造用石墨件。

  高纯石墨一般指含碳量在99.99%以上的石墨,在组织结构上可分为粗颗粒结构、细颗粒结构和超细颗粒结构三类,高纯石墨大量用于直拉单晶硅炉中。

  集成电路的基础材料主要是硅单晶芯片,当前硅单晶的成长工艺主要采用直拉(CZ)法,其他方法还有磁场直拉法(MCZ)、区域(FZ)法以及双坩埚拉晶法,全球电子工业用直拉单晶硅约占单晶硅总用量的80%,直拉单晶硅炉中的石墨件是消耗品,采用高纯石墨材料加工成直拉单晶硅炉的加热系统。2005年中国需要直拉硅单晶炉用石墨约800t。

  高纯石墨另一重要用途是加工成各类坩埚,用于生产贵金属、稀有金属或高纯金属、非金属材料。光谱分析用石墨电极也是一种高纯石墨,可用于除碳素以外的所有元素的光谱化学分析,光谱分析用石墨电极用挤压方法成型。

  成品的杂质元素含量应不大于6*10在光谱分析中制备标准样品和用化学方法捕集杂质时需用光谱纯炭粉或光谱纯石墨粉,这两种高纯材料对杂质含量的要求都是在6*10;在某些用途方面,需要含碳量达到99.9995%,总灰分含量小于5*10。高纯石墨的成型方法有挤压成型、模压成型及等静压成型三种。

  石墨是建造核反应堆使用的减速材料和反射材料之一,早期的反应堆都是石墨堆。作为结构材料使用的核反应堆用石墨在选用原料、工艺控制、成品检验上比石墨电极严格得多,也昂贵得多,核反应堆用石墨必需具备下列性能:对慢中子的吸收量小、高温强度好、抗热震性高、对快中子的减速性能好、在辐照下尺寸稳定、杂质含量极少。硼、镉等易于吸收中子的元素要严格控制其含量。

  核石墨必需有较高的体积密度M因为石墨对快中子的减速作用是依靠快中子对碳原子的碰撞作用而实现的M单位体积内碳原子越多M减速效果越好M所以体积密度是核石墨的主要指标之一M体积密度也与石墨的气孔率和渗透率直接有关M为了避免核燃料及载热体的损失M要将气孔率及渗透率降低到一定水平。石墨的机械强度也与其体积密度有关,一般石墨堆使用的核石墨的体积密度在1.7-1.75g/cm。

  用于发电的核反应堆当前主要是不需要用石墨的压水堆,但专家预计高温气冷堆很有发展前途,高温气冷堆则需要大量的高级石墨材料9在高温气冷堆中由于用氦气作为冷却剂,用炭素及陶瓷材料作为燃料的包覆材料,用石墨或炭质材料作为减速材料和炉芯结构材料,可以把接近(---5的高温气体导出反应堆外作为能源使用。国际上已经建立了多座开发研究用高温气冷堆。

  虽然国际上对各向同性石墨的定义有待于进一步明确,一般是测量产品直径方向和长度方向的某些物理性能指标并计算其比值,有的用热膨胀系数的比值表示,最简单的是以电阻率的比值表示,其异向比在1.0~1.1范围内称为各向同性 产品,超过1.1称为各向异性产品。

  日本等工业技术先进国家用等静压成型方法生产的大型各向同 性石墨直径达1.5 m,长度达3%,体积密度达到 1.95-2.0 g/cm,各向异性比缩小到1.05。制造各向同性石墨除使用一般石油焦外,还使用改性 沥青焦、天然沥青焦、氧化石油焦、不经煅烧的生石油焦、天然石墨等。

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