中國(guó)粉體網(wǎng)訊 目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家能夠生產(chǎn)出大尺寸、高純度、細(xì)結(jié)構(gòu)的等靜壓石墨，但這些國(guó)家均實(shí)施嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，甚至還會(huì)以國(guó)家安全和國(guó)家利益為由實(shí)施嚴(yán)格的產(chǎn)品出口限制。反觀我國(guó)，雖然不少企業(yè)已經(jīng)可以生產(chǎn)等靜壓石墨，但產(chǎn)品械強(qiáng)度、光潔度、加工性能和使用壽命等和國(guó)外相比還有一定的差距。
特種石墨產(chǎn)品分類、性能、應(yīng)用
從技術(shù)層面分析，等靜壓成型工藝作為等靜壓石墨關(guān)鍵性工藝，它很大程度上決定了產(chǎn)品性能。因此，全面深入的研究、優(yōu)化等靜壓石墨生產(chǎn)工藝仍是重點(diǎn)工作。
1、生產(chǎn)工藝對(duì)等靜壓石墨性能的影響
常見的等靜壓石墨制備方法有單相自燒結(jié)法和二元法。單相自燒結(jié)法就是利用自身具有一定黏結(jié)組分的中間相炭微球或生焦為原材料，經(jīng)等靜壓成型、焙燒和石墨化而制成；二元法則是以瀝青為黏結(jié)劑，煅燒焦粉為骨料，經(jīng)機(jī)械混捏、等靜壓成型、焙燒、浸漬和石墨化而制成。
傳統(tǒng)燒結(jié)方法的工藝流程
自燒結(jié)方法的工藝流程
研究指出，不同工藝參數(shù)對(duì)高密度等靜壓石墨的微觀結(jié)構(gòu)具有顯著影響。在高密度等靜壓石墨制備中，優(yōu)化原料預(yù)處理、調(diào)整加工參數(shù)，能夠有針對(duì)性地控制微觀結(jié)構(gòu)，顯著提升孔隙度、改善晶體排列，從而改良石墨的物理性能，為其廣泛應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。例如，日本東洋炭素采用平均粒徑~20um的石油焦作為骨料,研制的石墨牌號(hào)為IG110,平均孔徑分布在1.86μm,作為中子慢化劑應(yīng)用于高溫氣冷堆。德國(guó)西格里集團(tuán)采用平均粒徑為3μm骨料制備的牌號(hào)為R8710的石墨,其孔徑分布在0.6μm,抗折強(qiáng)度達(dá)到85MPa�？梢�,原料骨料粒徑的減小能夠減小石墨的孔隙尺寸,提高力學(xué)性能。
2、原料、工藝優(yōu)化方向
（1）原料選擇與預(yù)處理。在高密度等靜壓石墨制備的過程中，原料的選擇與預(yù)處理是確保最終產(chǎn)品性能的重要步驟。對(duì)于原料的選擇，通常優(yōu)先考慮天然石墨，其晶格結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，導(dǎo)電性能較好。在選擇天然石墨的基礎(chǔ)上，需注意其顆粒度、晶體結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)含量等參數(shù)，以保障后續(xù)工藝對(duì)材料的高效利用。還可以考慮引入一定比例的人工石墨或添加劑，以調(diào)控最終產(chǎn)品的特定性能。
（2）石墨材料的孔隙控制。石墨材料的孔隙控制是高密度等靜壓石墨制備中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的密度、導(dǎo)熱性能以及力學(xué)性能。在制備過程中，合理的孔隙控制不僅能提高材料的力學(xué)穩(wěn)定性，還能有效改善其導(dǎo)熱性能。為實(shí)現(xiàn)良好的孔隙控制，首先需要在原料的選擇和預(yù)處理階段采取一系列措施。在原料選擇方面，需選擇顆粒均勻、結(jié)晶完整的原料，以減少后續(xù)孔隙形成的可能性。同時(shí)，通過對(duì)原料的細(xì)致預(yù)處理，包括粉碎和篩分等步驟，確保原料顆粒的均勻性，有助于提高等靜壓過程中的均一性。
（3）加工參數(shù)優(yōu)化。加工參數(shù)的優(yōu)化在高密度等靜壓石墨制備中起到關(guān)鍵作用，直接決定了最終產(chǎn)品的致密度、晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。其中，加壓力度的選擇是一個(gè)至關(guān)重要的方面。在等靜壓制備的工藝中，通過機(jī)械力的作用，使石墨顆粒發(fā)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)顆粒的更緊密結(jié)合。為了最大限度地提高致密度，需要在適度提高壓力的同時(shí)，保證壓力均勻分布，避免因不均勻壓制而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不一致的問題。在實(shí)際操作中，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)和分析，確定最佳的加壓力度范圍，以平衡致密度和力學(xué)性能的要求。因此，在工藝中需要通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，確定最佳的保溫時(shí)間，以確保在提高致密度的同時(shí)保持較高的生產(chǎn)效率。
（4）立方壓制與燒結(jié)工藝。立方壓制和燒結(jié)工藝是高密度等靜壓石墨制備的關(guān)鍵步驟，直接決定了最終產(chǎn)品的致密度和晶體結(jié)構(gòu)。在立方壓制階段，通過加壓機(jī)械力的作用，使材料顆粒之間發(fā)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)顆粒的更緊密結(jié)合。為了提高立方壓制效果，需在適度提高壓力的同時(shí)，保證壓力均勻分布，避免因不均勻壓制而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不一致的問題。在實(shí)際操作中，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)和分析，確定最佳的加壓力度范圍，以平衡致密度和力學(xué)性能的要求。
3、工藝研究進(jìn)展
中鋼集團(tuán)南京新材料研究院有限公司李濤等利用響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)可以對(duì)等靜壓成型工藝很好擬合，通過預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定等靜壓成型工藝的最佳條件：成型壓力215MPa、保壓時(shí)間18.4min、泄壓速率1MPa/s，在此條件下成型并進(jìn)行焙燒石墨化，所制得的等靜壓石墨材料具有24.40MPa的抗折強(qiáng)度，其結(jié)果與模型預(yù)測(cè)一致，也證明了響應(yīng)曲面優(yōu)化結(jié)果可靠。
何成林等對(duì)日本瀝青焦、韓國(guó)瀝青焦、國(guó)產(chǎn)瀝青焦進(jìn)行基本性能對(duì)比分析，再用此3種瀝青焦制備等靜壓石墨樣品。實(shí)驗(yàn)表明，選擇瀝青焦時(shí)水分和灰分、含硫量需低些，真密度最好大于2.01g/cm3，抗壓碎強(qiáng)度在1~2mm和2~4mm兩個(gè)粒度范圍上，強(qiáng)度越高越好。并指出，對(duì)于性能不好的原料可以通過制備二次焦粉來(lái)進(jìn)行性能改進(jìn)。但二次焦的制備成本高，生產(chǎn)周期也會(huì)延長(zhǎng)，企業(yè)生產(chǎn)所用的原料應(yīng)該以一次焦原料為主，選用合適的一次焦原料能提高產(chǎn)品的性能和合格率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。
中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所連鵬飛等采用骨料/黏結(jié)劑二元法制備了細(xì)結(jié)構(gòu)等靜壓石墨，減小骨料煅后焦炭的顆粒粒徑能夠有效降低石墨結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙和缺陷尺寸，提高材料的機(jī)械性能；然而，較小的骨料粒徑一方面使材料內(nèi)部晶界增多，導(dǎo)致界面處的損耗增加；另一方面會(huì)降低石墨晶粒尺寸和結(jié)晶程度，由此影響石墨材料的傳熱導(dǎo)熱性能。
進(jìn)一步研究還表明，以相同粒徑分布的煅后焦炭和中間相炭微球作為原料，分別采用二元法和單相自燒結(jié)工藝路線，經(jīng)歷相同的成型、炭化和石墨化過程，制備出的石墨材料在微觀結(jié)構(gòu)、孔隙性質(zhì)和晶體參數(shù)方面存在較大的差異；采用中間相炭微球單相自燒結(jié)制備的石墨的抗折強(qiáng)度高達(dá)96MPa，氣孔孔徑集中分布在81nm。
結(jié)語(yǔ)
目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)十分重視等靜壓石墨的生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)，在原料、工藝優(yōu)化、生產(chǎn)設(shè)備方面已經(jīng)有了一定的自主創(chuàng)新成果。不過，相交國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)對(duì)粉體材料提純及粉體分散/成型技術(shù)的研究依舊有所不足。
參考文獻(xiàn)：
何成林，靜壓石墨生產(chǎn)用瀝青焦的篩選實(shí)驗(yàn)研究，湖南長(zhǎng)宇科技發(fā)展有限公司
紀(jì)斌，高密度等靜壓石墨的制備與微觀結(jié)構(gòu)表征，上海滬炭新材料科技有限公司
杜愛芳，各向同性石墨材料的制備與研究，中國(guó)平煤神馬集團(tuán)開封炭素有限公司
連鵬飛，細(xì)顆粒等靜壓石墨結(jié)構(gòu)調(diào)控及性能研究，中國(guó)科學(xué)院 山西煤炭化學(xué)研究所
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！
