等靜壓石墨的研究與探討

1 等靜壓技術的國內外發展與現狀
　　當今商品市場上的炭石墨材料(或稱制品),多數是采用熱擠壓和模壓(冷的或熱的)成型的.等靜壓是一種新的成型方法.等靜壓的成型方法,系根據在液體或氣體介質中,各方向壓強均等的原理設計而成.在生產中,是將待壓制的粉末(或初壓成型產品)裝入軟質可塑性包裝袋(如橡膠,鋁皮或塑料)中,密封后,吊入密閉的高壓缸體內,缸內的介質可以為液體(油或乳劑)或氣體(氬,氮氣).缸體密閉后,通過外界壓力,壓縮介質,使產品受壓成型.
　　等靜壓機目前已有冷等靜壓(常溫下使用),溫等靜壓(介質溫度為80～100℃,和熱等靜壓(介質溫度為1 000℃以上)三種.
　　據資料介紹,世界上最早的一臺等靜壓機是由瑞典1939年研制成功的.目前仍是等靜壓機出口國.我國最早使用的冷,熱等靜壓機,也是從該國引進的.等靜壓機最早使用在粉末冶金(包括硬質合金)和陶瓷工業上,后來為炭石墨材料行業所采用.等靜壓機的關鍵部件是缸體,通常承受壓力為200M
　　Pa.據悉,已能制造最高可達1 050M
　　Pa的缸體.缸體最早是整體澆鑄,目前多數采用鋼絲予應力纏繞而成.隨著產品規格的大型化,缸體直徑不斷向
　　大型化發展.目前,日本東洋炭素株式會社已能批量生產`1 500×2 000mm的等靜壓石墨.據悉擬開發直徑2 000mm的產品.
　　據國外同行廠家權威人事介紹,世界上等靜壓石墨的生產,主要集中在以下三家, 2002年的各家產量,大致如下:
　　日本東洋炭素株式會社: 6 000噸 年
　　法國羅蘭股份有限公司: 4 000噸 年
　　德國西格里炭素股份公司: 2 500噸 年
　　除此之外,尚有:美國聯合炭化物公司,太湖公司,波克公司,尤卡爾公司;日本東海電極,揖斐公司,昭和電工,日立化成;俄羅斯莫斯科電極廠等生產該種產品.我國在上世紀70年代開始制造單壓200M
　　Pa,缸體直徑為200mm的等靜壓機; 80年代已能批量生產直徑500mm和800mm的等靜壓機.目前已能生產直徑1
　　250mm,有能力生產直徑為1
　　500mm的等靜壓機.成都蓉光炭素股份有限公司的高純石墨制品廠已能批量生產`500×600mm的等靜壓石墨.并準備不斷向大型化發展.
　　
　　等靜壓機除用于壓制成型以外,用作瀝清浸漬裝置,效果十分明顯.將制品與瀝青裝于密封的金屬鋁皮中,放在熱等靜壓機內,采用氣體介質,升溫,加壓,直到瀝青全部焦化為止.制品將得到最大的浸漬增重.這是因為不僅瀝青能浸入制品的全部氣孔,而且沒有通常設備中,減壓后瀝青外溢和焙燒時瀝青外滲現象.

　　2 等靜壓石墨的特性
　　211 各向同性
　　
　　炭石墨制品的成型方法,主要有三種,即:熱擠壓成型,如生產煉鋼用石墨電極;模壓成型(包括震動成型)及用于鋁業炭素和電炭制品;等靜壓成型.盡管成型的方法不同,但其成型的原理是相同的.壓制前的物料,無論是糊料,還是粉末,物料的顆粒排列是無序的,在壓力作用下,粉末顆粒發生位移和變形,顆粒間的接觸表面因塑性變形而增大,發生機械的咬合和交織,使物料被壓實.物料中的炭質顆粒,用顯微鏡觀察,可以看到,他們既非圓形,也非方形.屬不規則形狀.即長,寬比不同.在擠壓和模壓的情況下,受單方向壓力和模具摩擦作用,這些炭質顆粒將作有序排列,這便造成最終產品性能上的差異,如電氣,機械,熱性能等.即垂直于壓力面的方向與水平于壓力面的方向性能不同,人們稱其為:"各向異性".這種"各向異性"對煉鋼用石墨電極,電機用電刷來說,是有益,是不可缺少的.他們需要這種特征.而另外許多使用的場合,卻不需要"各向異性",而需要"各向同性".于是出現了等靜壓石墨.等靜壓成型改物料的單方向(或雙方向)受壓為多方向(全方位)受壓,炭素顆粒始終處于無序狀態.從而使最終產品沒有或很少有性能上的差異.方向上的性能比不大于111.人們稱其為:"各向同性".當然,為了進一步縮小性能上的差異,除關鍵的等靜壓機成型外,尚需在炭質顆粒結構和工藝上進一步調整.
　　212 體積密度的均一性
　　 
　　為制造細結構,質地致密,組織均勻的炭石墨材料,采用粉末壓制(而非糊料)是唯一的方法.而用粉末壓制只有采用模壓方法和等靜壓方法.在采用模壓成型時,無論是單面壓制或雙面壓,受摩擦力(炭質顆粒間和制品與模具間)的影響,壓力的傳遞將逐漸降低,從而造成體積密度的不均勻.這種差異,隨制品的高度增加而加大.這種毛坯整體上的密度不均勻,不僅為以后工序——焙燒帶來隱患,亦將造成將毛坯加工成品部件時,帶來單個產品的性能差異,是十分有害的.采用等靜壓機成型時,產品各方位受力均勻,體積密度比較均一,且不受產品高度的限制.

　　213 可以制造大規格制品
　　
　　由于信息產業的飛速發展,單晶硅的直徑不斷向大直徑方向延伸,已由原來的75～100mm,發展到150～200mm,而且正向250mm,300mm發展.需要石墨材料的直徑也隨之增加.此外電火花加工用石墨,連鑄石墨,核反應堆用石墨亦需大規格制品,如當今商品市場上已出現1 500×2 000mm的石墨制品.而采用模壓方法是無法完成的.這是因為它受下列制約.

　　21311 壓機噸位的限制
　　以產品直徑1 500mm為例,假如壓制單位壓力為100M Pa,則壓制的使用壓力將為:1766215t,設計的噸位將更高.雖然當今制造這樣高噸位的壓機,并不困難,但是假如制品長度加大,則此壓機將是一個龐然大物.造價亦十分可觀.21312 產品高度的限制據筆者了解,目前采用雙面壓制模壓產品的高度,也只能在300～400mm之間,假如制品高度為2000mm,在通常情況下,上滑塊與壓機床面高度與制品高度比是4:1,那么壓機的空間距離將達到8000mm.雖然對壓機和模具進行結構改變,有望降低一些高度,但壓機的設計與制造上將遇到很大的困難.更何況如此高的產品,其體積密度上的差異,將十分明顯.甚至造成中間部位無法成型的狀態.

　　21313 焙燒的限制
　　統計數據表明,炭石墨制品的生產廢品, 70%以上是焙燒工序造成的,廢品的主要形式是產品的內,外部裂紋.造成焙燒產品開裂的原因很多,諸如配方的合理性,粘結劑的加入量多少,單位壓力的大小,焙燒曲線的快慢,產品受熱的均勻程度,焙燒低溫過程的"浸氧",填充料的性質等等,但不可否認,制品體積密度的不均勻,是產品內部結構缺欠所造成焙燒開裂的主要元兇之一.這是因為體積密度不同,膨脹系數便有差異,在焙燒過程中,將產生不均衡的內應力.當這種內應力超過制品本身強度時,便因內應力釋放而開裂.這種開裂不僅在焙燒過程中產生,在冷卻過程也易于產生.由于等靜壓機成型的產品,如上所述,在很大程度上,克服了體積密度的不均勻性,不僅在產品規格相同的情況下,產品開裂的可能性大幅度降低,而且使生產大規模產品成為可能.除上述之外,采用等靜壓機成型的等靜壓石墨,除圓形和板材之外,還可以制造異形產品.更重要的是,產品性能與產品的規格大小無關.

　　3 討論與商榷
　　
　　細結構,大規格,各向同性——等靜壓石墨,是一種新型炭石墨材料.由于它具有一系列特性,應用范圍廣泛,為當今市場所需要,特別是它與當代高科技和國防尖端科技緊密相聯,必將迅猛發展.面對這種新材料面市,不可必免的將沖擊傳統市場,也將提出一些新的概念和思路.本文對幾個相關問題,提出一些粗淺意見,以資商榷.

　　311 關于等靜壓石墨
　　
　　細結構,大規格,各向同性石墨,有其獨自特性,更有別于傳統的"高純石墨",為此它應有一個簡化的專業名稱.炭石墨材料的命名方法很多,如:按用途分,可稱:煉鋼電極,電機用電刷,連鑄用石墨等;按產品結構特性分,可稱:各向同性石墨,各向異性石墨;按生產工藝分,可稱:熱擠壓石墨,模壓石墨;按性能分可稱:高純石墨,高密石墨,高強石墨等等.參照國外通用叫法(如日本稱"等方石墨),筆者認為稱:"等靜壓石墨"比較簡練而貼切.而且能表示產品的內涵.

　　312 關于各向同性
　　
　　炭石墨材料在制造過程中,由于成型方法的不同,其不同方向上的性能便有差異.主要表現在:電阻率,導熱率,機械性能,熱膨脹系數等.一般測定方法是:在產品上按垂直于壓力面方向和水平于壓力面方向取樣,分別測定性能,然后用最小一方的數據,除以最大一方的數據,便可得到各向同性比.通常以膨脹系數的測定數據計算.熱擠壓與模壓的產品,不同方向的性能差異較大,稱各向異性材料.采用等靜壓成型方法.不同方向的性能差異較小(還與原材料結構有關),稱各向同性材料.不同方向上性能差異大小,亦應有個量化標準,以方便用戶選擇.日本東洋炭素株式會社對此有個提法.筆者認為可以參照使用.
　　各向同性材料 各方向性能比 110～111
　　準各向同性材料 各方向性能比 111～112
　　各向異性材料 各方向性能比 大于112

　　4 結束語
　　
　　等靜壓石墨是與當今高科技前沿技術緊密相聯的新材料,市場前景廣闊.該產品在我國只有近10年的歷史,尚屬起步階段.與先進國家相比,無論是產品的性能上,還是產品規模上都有不小的差距.目前等靜壓石墨多依靠進口,(毛坯到岸價為10～17萬元 t).有待于我們迎頭趕上.