等静压石墨的研究与探讨.doc

文章编号: 1001- 8948(2004)02- 0008- 04 等静压石墨的研究与探讨 孙戈 (成都蓉光炭素股份有限公司,成都 610100) 摘要:等静压石墨是一种新型石墨材料.由于它具有一系列优良特性,从而使它与当今的高新技术,国防尖端 技术紧密相联.它是制造单晶硅炉,金属连铸的石墨结晶器,电火花加工用石墨电极等不可替代的材料.更 是制造火箭的点火极,激励极,喷嘴和舵板以及石墨核反应堆的减速材料和反射材料的绝好材料. 关键词:等静压;各向同性;炭石墨材料。收稿日期: 2003- 12- 10 作者简介:孙戈(1934-),男,教授级高级工程师,从事电炭(炭素)工作近50年,先后担任东新电碳股份有限公司总工程师及成都化工炭素总 厂总工程师等职务(现退休).中图分类号: TQ165 STUDYANDRESEARCHONISOSTATIC PRESSUREGRAPH ITE SU NGe (ChenduRongguangCa rbonInco rpo ra t ionCom p any,Chendu610100,Ch ina) Abstract:T heiso sta t icp ressu reg rap h iteisak indofnewg rap h item a teria l.B ecau seithaveaseriesofand goodcha racterist ic,frombu tm akeitw iththeh ighandnw etechn iqueofthenow,thesop h ist ica tedtech2 n iqueinna t iona ldefen seisjo inclo sem u tua lly.Itisg rap h itecry sta llizem ach inetha tsing lecry sta lsilicon fu rnaceinm anufactu ringtha tm a teria l,them eta lscon t inuumca st ingtheelect ricitysp a rkp rocessestou se g rap h iteelet rodecantsub st itu teetc.A lsoisex t rem elygoodm a teria lfo rm akeafirepo leoftherocket,en2 cou ragethepo leandsp raythem ou thw iththerudderp lank,andadecelera t ionm a teria lsandreflectm a te2 ria lsintheg rap h itenuclea rreacto r. Keywords:iso sta t icp ressu re;iso t rop ic;ca rbonandg rap h item a teria ls 1 等静压技术的国内外发展与现状 当今商品市场上的炭石墨材料(或称制品),多 数是采用热挤压和模压(冷的或热的)成型的.等静 压是一种新的成型方法. 等静压的成型方法,系根据在液体或气体介质 中,各方向压强均等的原理设计而成.在生产中,是 将待压制的粉末(或初压成型产品)装入软质可塑性 包装袋(如橡胶,铝皮或塑料)中,密封后,吊入密闭 的高压缸体内,缸内的介质可以为液体(油或乳剂) 或气体(氩,氮气).缸体密闭后,通过外界压力,压缩 介质,使产品受压成型. 等静压机目前已有冷等静压(常温下使用),温 等静压(介质温度为80100,和热等静压(介质温度为1 000以上)三种. 据资料介绍,世界上最早的一台等静压机是由 瑞典1939年研制成功的.目前仍是等静压机出口 国.我国最早使用的冷,热等静压机,也是从该国引 进的. 等静压机最早使用在粉末冶金(包括硬质合金) 和陶瓷工业上,后来为炭石墨材料行业所采用. 等静压机的关键部件是缸体,通常承受压力为 200M Pa.据悉,已能制造最高可达1 050M Pa的缸 体.缸体最早是整体浇铸,目前多数采用钢丝予应力 缠绕而成.随着产品规格的大型化,缸体直径不断向 大型化发展.目前,日本东洋炭素株式会社已能批量 生产1 5002 000mm的等静压石墨.据悉拟开 发直径2 000mm的产品. 据国外同行厂家权威人事介绍,世界上等静压 石墨的生产,主要集中在以下三家, 2002年的各家 产量,大致如下: 日本东洋炭素株式会社: 6 000吨 年 法国罗兰股份有限公司: 4 000吨 年 德国西格里炭素股份公司: 2 500吨 年 除此之外,尚有:美国联合炭化物公司,太湖公 司,波克公司,尤卡尔公司;日本东海电极,揖斐公 司,昭和电工,日立化成;俄罗斯莫斯科电极厂等生 产该种产品. 我国在上世纪70年代开始制造单压200M Pa, 缸体直径为200mm的等静压机; 80年代已能批量 生产直径500mm和800mm的等静压机.目前已能 生产直径1 250mm,有能力生产直径为1 500mm的 等静压机. 成都蓉光炭素股份有限公司的高纯石墨制品厂 已能批量生产500600mm的等静压石墨.并准 备不断向大型化发展. 等静压机除用于压制成型以外,用作沥清浸渍 装置,效果十分明显.将制品与沥青装于密封的金属 铝皮中,放在热等静压机内,采用气体介质,升温,加 压,直到沥青全部焦化为止.制品将得到最大的浸渍 增重.这是因为不仅沥青能浸入制品的全部气孔,而 且没有通常设备中,减压后沥青外溢和焙烧时沥青 外渗现象. 2 等静压石墨的特性 211 各向同性 炭石墨制品的成型方法,主要有三种,即:热挤 压成型,如生产炼钢用石墨电极;模压成型(包括震 动成型)及用于铝业炭素和电炭制品;等静压成型. 示意如图1. 图1 成型方法与颗粒排列示意 F ig. 1 T heSketchofm odelingm ethodanda rrangew ithg ra in 尽管成型的方法不同,但其成型的原理是相同 的.压制前的物料,无论是糊料,还是粉末,物料的颗 粒排列是无序的,在压力作用下,粉末颗粒发生位移 和变形,颗粒间的接触表面因塑性变形而增大,发生 机械的咬合和交织,使物料被压实. 物料中的炭质颗粒,用显微镜观察,可以看到, 他们既非圆形,也非方形.属不规则形状.即长,宽 比不同.在挤压和模压的情况下,受单方向压力和模 具摩擦作用,这些炭质颗粒将作有序排列,如图1,a 和b所示.这便造成最终产品性能上的差异,如电 气,机械,热性能等.即垂直于压力面的方向与水平 于压力面的方向性能不同,人们称其为:各向异 性. 这种各向异性对炼钢用石墨电极,电机用电 刷来说,是有益,是不可缺少的.他们需要这种特征. 而另外许多使用的场合,却不需要各向异性,而需 要各向同性.于是出现了等静压石墨. 等静压成型改物料的单方向(或双方向)受压为 多方向(全方位)受压,炭素颗粒始终处于无序状态 (如图1,c)所示.从而使最终产品没有或很少有性 能上的差异.方向上的性能比不大于111.人们称其 为:各向同性. 当然,为了进一步缩小性能上的差异,除关键的 等静压机成型外,尚需在炭质颗粒结构和工艺上进 一步调整. 212 体积密度的均一性 为制造细结构,质地致密,组织均匀的炭石墨材 料,采用粉末压制(而非糊料)是唯一的方法.而用粉 末压制只有采用模压方法和等静压方法. 在采用模压成型时,无论是单面压制或双面压 制,受摩擦力(炭质颗粒间和制品与模具间)的影响, 压力的传递将逐渐降低,从而造成体积密度的不均 匀.这种差异,随制品的高度增加而加大.具体情况 如图2所示. 图2 压制方法与体积密度示意 F ig. 2 T hesketchofainh ib itm ethodandp hy sica lvo lum eden sity 这种毛坯整体上的密度不均匀,不仅为以后工 序焙烧带来隐患,亦将造成将毛坯加工成品部 件时,带来单个产品的性能差异,是十分有害的. 采用等静压机成型时,产品各方位受力均匀,体 积密度比较均一,且不受产品高度的限制,具体为图 2c所示. 213 可以制造大规格制品 由于信息产业的飞速发展,单晶硅的直径不断 向大直径方向延伸,已由原来的75100mm,发展 到150200mm,而且正向250mm,300mm发展.需 要石墨材料的直径也随之增加.此外电火花加工用 石墨,连铸石墨,核反应堆用石墨亦需大规格制品, 如当今商品市场上已出现1 5002 000mm的石 墨制品.而采用模压方法是无法完成的.这是因为 它受下列制约. 21311 压机吨位的限制 以产品直径1 500mm为例,假如压制单位压力 为100M Pa,则压制的使用压力将为:17 66215t,设 计的吨位将更高.虽然当今制造这样高吨位的压机, 并不困难,但是假如制品长度加大,则此压机将是一 个庞然大物.造价亦十分可观. 21312 产品高度的限制 据笔者了解,目前采用双面压制模压产品的高 度,也只能在300400mm之间,假如制品高度为 2 000mm,在通常情况下,上滑块与压机床面高度与 制品高度比是4:1,那么压机的空间距离将达到 8 000mm.虽然对压机和模具进行结构改变,有望降 低一些高度,但压机的设计与制造上将遇到很大的 困难.更何况如此高的产品,其体积密度上的差异, 将十分明显.甚至造成中间部位无法成型的状态. 21313 焙烧的限制 统计数据表明,炭石墨制品的生产废品, 70%以 上是焙烧工序造成的,废品的主要形式是产品的内, 外部裂纹. 造成焙烧产品开裂的原因很多,诸如配方的合 理性,粘结剂的加入量多少,单位压力的大小,焙烧 曲线的快慢,产品受热的均匀程度,焙烧低温过程的 浸氧,填充料的性质等等,但不可否认,制品体积 密度的不均匀,是产品内部结构缺欠所造成焙烧开 裂的主要元凶之一.这是因为体积密度不同,膨胀系 数便有差异,在焙烧过程中,将产生不均衡的内应 力.当这种内应力超过制品本身强度时,便因内应力 释放而开裂.这种开裂不仅在焙烧过程中产生,在冷 却过程也易于产生. 由于等静压机成型的产品,如上所述,在很大程 度上,克服了体积密度的不均匀性,不仅在产品规格 相同的情况下,产品开裂的可能性大幅度降低,而且 使生产大规模产品成为可能. 除上述之外,采用等静压机成型的等静压石墨, 除圆形和板材之外,还可以制造异形产品.更重要的 是,产品性能与产品的规格大小无关. 3 讨论与商榷 细结构,大规格,各向同性等静压石墨,是 一种新型炭石墨材料.由于它具有一系列特性,应用 范围广泛,为当今市场所需要,特别是它与当代高科 技和国防尖端科技紧密相联,必将迅猛发展.面对这 种新材料面市,不可必免的将冲击传统市场,也将提 出一些新的概念和思路.本文对几个相关问题,提出 一些粗浅意见,以资商榷. 311 关于等静压石墨 细结构,大规格,各向同性石墨,有其独自特性, 更有别于传统的高纯石墨,为此它应有一个简化 的专业名称. 炭石墨材料的命名方法很多,如:按用途分,可 称:炼钢电极,电机用电刷,连铸用石墨等;按产品结 构特性分,可称:各向同性石墨,各向异性石墨;按生 产工艺分,可称:热挤压石墨,模压石墨;按性能分可 称:高纯石墨,高密石墨,高强石墨等等.参照国外通 用叫法(如日本称等方石墨),笔者认为称:等静压 石墨比较简练而贴切.而且能表示产品的内涵. 312 关于各向同性 炭石墨材料在制造过程中,由于成型方法的不 同,其不同方向上的性能便有差异.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,便可得到各向同性比.通 常以膨胀系数的测定数据计算. 从图1中我们看到,热挤压与模压的产品,不同 方向的性能差异较大,称各向异性材料.采用等静压 成型方法.不同方向的性能差异较小(还与原材料结 构有关),称各向同性材料.