國內(nèi)外等靜壓石墨產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀分析
等靜壓石墨是上世紀60年代發(fā)展起來的一種新型石墨材料，具有一系列優(yōu)異的性能。與普通石墨相比，結(jié)構(gòu)精細致密，而且均勻性好；熱膨脹系數(shù)很低，具有優(yōu)異的抗熱震性能；各向同性; 耐化學腐蝕性強，導熱性能和導電性能良好; 具有優(yōu)異的機械加工性能。正是由于具有這一系列的優(yōu)異性能，等靜壓石墨在冶金、化學、電氣、航空宇宙及原子能工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛使用。 作為全球制造業(yè)大國和最大的光伏產(chǎn)品生產(chǎn)國，中國一直保持巨量的等靜壓石墨需要。近年來，隨著國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，中國等靜壓石墨需要量逐年擴大。同期，由于中國等靜壓石墨生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，加上國外企業(yè)的技術(shù)封鎖，中國等靜壓石墨產(chǎn)量和質(zhì)量均未得到有效提升。 2012年，全球光伏產(chǎn)業(yè)遭遇嚴重的產(chǎn)能過剩危機，盡管等靜壓石墨行業(yè)由于新增產(chǎn)能較多產(chǎn)量依然保持了增長，但是企業(yè)的盈利能力大幅下滑。2013年，中國出臺了一系列刺激政策，使得光伏產(chǎn)業(yè)逐步回暖，進而保持了對等靜壓石墨的需要的增長。2015年，全球等靜壓石墨產(chǎn)量達到10萬噸左右。 2017年，中國等靜壓石墨需要量達1.8萬噸，而同期等靜壓石墨產(chǎn)量僅為9500噸，供應缺口達8500噸?，F(xiàn)在，中國新涉足等靜壓石墨業(yè)務(wù)企業(yè)普遍存在的技術(shù)儲備不夠及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理等問題很難短期內(nèi)得到搞定。 一、關(guān)于等靜壓的幾個概念 1.1、等靜壓與等靜壓成型 等靜壓：是指在各個方向上對經(jīng)過密封的物料同時施加相等的壓力狀態(tài)； 等靜壓成型：是將待壓物料經(jīng)過密封后置于高壓容器中，利用液體介質(zhì)不可壓縮的性質(zhì)和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個方向?qū)ξ锪线M行均勻加壓，當液體介質(zhì)通過壓力泵注入壓力容器時，根據(jù)流體力學原理，其壓強大小不變且均勻地傳遞到各個方向，因此高壓容器中的粉料在各個方向上受到的壓力是均勻的和大小一致的。采用上述方式使粉料致密成坯體的方式稱為等靜壓成型。 1.2、等靜壓石墨： 等靜壓石墨是指采用等靜壓成型方式生產(chǎn)的石墨材料。等靜壓石墨由于成型過程中通過液體壓強均勻不變施壓，制得的石墨材料性質(zhì)優(yōu)異，具有：成型規(guī)格大；坯料組織結(jié)構(gòu)均勻；密度高，強度高；各向同性（特點與尺寸、形狀、取樣方向無關(guān)）等優(yōu)點，因此等靜壓石墨也稱為“各向同性”石墨。 二、等靜壓石墨的特點 等靜壓石墨除具有一般炭石墨材料的優(yōu)異性能外，又分別于一般的高純石墨，其主要特點是： 2.1 細結(jié)構(gòu) 作為結(jié)構(gòu)材料，要求有較高的機械性能。 構(gòu)成炭石墨材料的基礎(chǔ)炭顆粒結(jié)構(gòu)越細，則其質(zhì)地越致密，機械強度亦越高。國內(nèi)現(xiàn)在冷壓石墨制品（高純、等靜壓石墨）一般采用的顆粒結(jié)構(gòu)為-325目（0.044 mm）約為80%，沒有測定平均顆粒尺寸，估計在 30μm左右。 炭質(zhì)骨料的顆粒越細，在混合時，配方中的黏結(jié)劑用量也就越多。這是因為顆粒越細，表面積越大，黏結(jié)劑要均勻地包覆在每個顆粒表面，為此這便給燒結(jié)工序造成了困難（開裂）。 2.2 大規(guī)格 采用模壓法制造較小規(guī)格 （Φ350 mm 以下）制品國內(nèi)已有50年的生產(chǎn)經(jīng)驗，比較成熟。 但近年來隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，市場對產(chǎn)品尺寸規(guī)格的要求越來越大。 大規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)中出現(xiàn)的主要問題是焙燒開裂，規(guī)格越大，焙燒開裂的幾率也就越高。 2.3 各向同性 傳統(tǒng)的炭石墨制品，無論是冷模壓還是熱擠壓產(chǎn)品，均存在著顯著的各向異性，即垂直于壓力方向和水平于壓力方向的性能不一樣。 這種不一樣比，一般在1∶1.2以上,因此稱為各向異性。 在許多情況下，這種不一樣被充分利用，而且不一樣越大越好。如煉鋼用石墨電極，電機用電刷等。造成這種不一樣是因為所運用的原料，如石油焦、瀝青焦、天然石墨粉等，因煉焦工藝、粉末制作方式等不一樣，粉末的外觀形狀是不規(guī)則的。 換句話說其長與寬的方向比不是1， 是不對等的。那么在壓制成型時，受壓力影響，這些顆粒便會有序排列。在冷模壓時，顆粒方向易于水平方向排列，從而造成產(chǎn)品的各向異性。 三、等靜壓石墨的生產(chǎn)工藝 等靜壓石墨的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。等靜壓石墨需要結(jié)構(gòu)上各向同性的原料，需要將原料磨制成更細的粉末，需要使用冷等靜壓成型技術(shù)，焙燒周期非常長，為了達到目標密度，需要多次的浸漬―焙燒循環(huán)，石墨化的周期也要比普通石墨長得多。 其中，等靜壓成型環(huán)節(jié)至關(guān)重要，決定了等靜壓石墨的質(zhì)量。現(xiàn)在國內(nèi)炭素企業(yè)生產(chǎn)的等靜壓石墨直徑?jīng)]有國外炭素企業(yè)大，其原因就是和等靜壓成型環(huán)節(jié)相關(guān)。 四、國內(nèi)外企業(yè)生產(chǎn)等靜壓石墨現(xiàn)狀 1.國外企業(yè)生產(chǎn)等靜壓石墨現(xiàn)狀 俄羅斯、波蘭：兩個國家等靜壓石墨研制水平相當，后者研制時間大約晚了20年，由于投入不夠，產(chǎn)品質(zhì)量水平，遠落在：美、德、法、日以及中國等國后面，尚處于研制完善階段。 日本：日本很注重等靜壓石墨研制。 現(xiàn)在，日本等靜壓石墨在產(chǎn)量、質(zhì)量、品種、規(guī)格以及拓展應方面均達到了世界先進水平，主要表現(xiàn)在：從事等靜壓石墨研制的企業(yè)最多，產(chǎn)品品種最多，產(chǎn)品規(guī)格最大，最廣：日本的等靜壓石墨不僅使用于半導體、太陽能、冶金、機械加工、原子能等工業(yè)，還推廣使用到生物工程與電機制造等領(lǐng)域。 全球等靜壓石墨生產(chǎn)企業(yè)主要為日本和歐美企業(yè)，產(chǎn)能在1萬噸以上的包括日本TOYO TANSO、日本Tokai、德國SGL、法國Mersen和日本IBIDEN，其中SGL、Mersen和TOYO TANSO在中國設(shè)有生產(chǎn)基地。 2.國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)等靜壓石墨現(xiàn)狀 國內(nèi)等靜壓石墨（各向同性石墨）研制情況60年代初我國開始了等靜壓技術(shù)的研究，對碳、石墨等多種粉末進行了試制研究工作。據(jù)初步統(tǒng)計，現(xiàn)在國內(nèi)涉及等靜壓石墨研制和生產(chǎn)的企業(yè)約有：能自主生產(chǎn)的企業(yè)（9家） 3.國內(nèi)外等靜壓石墨行業(yè)的差距 縱觀國內(nèi)外產(chǎn)品質(zhì)量情況，特別是用戶反饋信息，使我們認識到，與國外各名廠家比，我們還有較大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： (1)產(chǎn)品機械強度有待提升 炭石墨制品屬于脆性材料，機械強度受到一定的制約，但它確是重要指標。運用單位對此有比較嚴格的要求，同時與國外產(chǎn)品相比，確實存在較大的差距。 提升產(chǎn)品的體積密度是提升機械強度的有效措施之一，但它是有極限性的。為進一步提升機械性能，需要采取綜合措施。 (2)灰分有待降低 炭石墨制品的灰分（雜質(zhì)）含量，是個重要技術(shù)指標，每種產(chǎn)品都有較明確的要求。 對等靜壓石墨而言，更是如此。因為它多數(shù)運用在高溫或者真空的條件下，為防止灰分對周圍環(huán)境和產(chǎn)品的污染，對灰分含量的要求往往更加嚴格。在特殊條件下，不僅對灰分含量有要求，對灰分中的成分也有要求。 炭石墨材料的許多性能與石墨化度有關(guān)，石墨化度越高，則導電、導熱性能越好，熱穩(wěn)定性、抗氧化性能、防腐蝕性、潤滑性等越高。石墨化度與灰分緊密相聯(lián)，一般來說都是由石墨化最高溫度決定的。也就是說，在相同工藝條件下，石墨化溫度越高，則灰分含量越低，石墨化度越高。 （3）品種有待發(fā)展 等靜壓石墨的使用范圍越來越廣，運用工況條件又是千差萬別，對石墨材料的要求，便有側(cè)重，為此不能一個品種打天下，以不變應萬變，發(fā)展品種便是當務(wù)之急。 炭石墨材料在真空或者保護性介質(zhì)中，可以穩(wěn)定地工作，最高可耐3000 ℃。但在現(xiàn)實中有許多場合，要求它在空氣中高溫條件下工作，如連鑄石墨、提純鋁用電極等。我們知道炭石墨材料的最大缺陷，便是高溫氧化。 為提升運用壽命，其一是提升炭材料基體的抗氧化性，其二是進行防氧化處理，如表面涂層、等離子噴涂、化學氣相沉積、固相浸漬等。炭石墨材料在高溫運用條件下，經(jīng)受高溫的劇烈變化而不被破壞的性能，稱為抗熱震性，或者稱為熱穩(wěn)定性。對此炭石墨是較好的材料，但也有一定的限制。 （4）產(chǎn)品規(guī)格有待提升 如前所述，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，對等靜壓石墨的尺寸規(guī)格也要求向大規(guī)格發(fā)展。 國內(nèi)等靜壓機的缸體直徑由前幾年的Φ 850 mm發(fā)展到近年來多家購置缸體為Φ 1250 mm（最大達到2150 mm）的等靜壓機，使制造Φ1000mm和更大規(guī)格等靜壓石墨成為可能。 產(chǎn)品向大規(guī)格發(fā)展，除了硬件（等靜壓機、焙燒爐等）外，最大的瓶頸是制造工藝，防止產(chǎn)品焙燒開裂是關(guān)鍵，值得同行們深入研究。