等静压石墨的研究与探讨

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80～100℃,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`1 500×2 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`500×600mm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.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,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.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,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.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.

　　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75～100mm,发展到150～200mm,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1 500×2 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:1766215t,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300～400mm之间,假如制品高度为2000mm,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8000mm.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.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.不同方向上性能差异大小,亦应有个量化标准,以方便用户选择.日本东洋炭素株式会社对此有个提法.笔者认为可以参照使用.
　　各向同性材料 各方向性能比 110～111
　　准各向同性材料 各方向性能比 111～112
　　各向异性材料 各方向性能比 大于112

　　4 结束语
　　
　　等静压石墨是与当今高科技前沿技术紧密相联的新材料,市场前景广阔.该产品在我国只有近10年的历史,尚属起步阶段.与先进国家相比,无论是产品的性能上,还是产品规模上都有不小的差距.目前等静压石墨多依靠进口,(毛坯到岸价为10～17万元 t).有待于我们迎头赶上.