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主營產品:石墨、石墨粉、鱗片石墨、微粉石墨、金剛石粉、摩擦材料用石墨、鉆井用潤滑石墨

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等靜壓石墨的主要應用領域和市場前景分析

發表時間:2018-11-19 人氣:1728
1 等靜壓石墨的主要用途
1. 1 直拉單晶硅熱場和多晶硅鑄錠爐用加熱器
在直拉單晶硅熱場中,等靜壓石墨部件有坩堝、加熱器、電極、隔熱遮蔽板、籽晶夾持器、旋轉坩堝用的底座、各種圓板、熱反射板等約30 種。其中,80%的等靜壓石墨用于制造坩堝和加熱器等。
近年來,對單晶硅棒的直徑要求越來越大,300mm 晶片的生產日益成為主流。與此相應,單晶爐加熱區的直徑大多為800 mm,爐內的石墨坩堝為了保護放置其中的石英坩堝,直徑達到了860 mm,加熱器直徑約960 ~1000 mm,其他部件的直徑有的最大達到了1500 mm。
從2003 年開始,人們對地球居住環境的保護意識逐漸增強,人們越來越青睞不排放二氧化碳的自然能源。在這種趨勢下,太陽能電池的生產急增。在太陽能電池多晶硅片的制造過程中,首先要將多晶硅碎塊熔鑄成多晶硅方錠。其中鑄錠爐的加熱器需要用等靜壓石墨來制作。
1. 2 原子能工業
近年來,全球氣候變暖。人們認為化石燃料的使用所產生的二氧化碳正是導致這個問題的主要原因。最近幾年,雖然發展中國家的經濟成長取得了舉世矚目的成果,但是電力不足的問題卻深深地困擾著這些國家。在這樣的情況下,人們的眼光轉向了能流密度遠遠高于太陽能電池和風力發電,且不排放二氧化碳和硫氧化物的原子能發電。
目前,全世界已投入使用的核反應堆大都以輕水反應堆為主。這種堆型的工作原理是利用核裂解時產生的熱能將冷水氣化為300 ℃的水蒸氣,推動渦輪機發電。但是,因水堆溫度較低,輕水反應堆的發電效率不是太高。
與此相比,高溫氣冷堆卻沒有這樣的問題。它以惰性氣體(氦氣) 為冷卻劑,不僅堆芯出口溫度可達近1 000 ℃,發電效率高,還適合制造氫氣??梢哉f是電力供給和環境保護兩不誤。石墨適合作為這種高溫氣冷堆的堆芯材料,因為石墨不但耐高溫,而且吸收中子少,傳熱性好。
核聚變的燃料及材料資源幾乎取之不盡,反應時釋放的能量也非常巨大。要使核聚變長期進行,就必須將等離子體維持在一定的溫度狀態。石墨正是核聚變等離子體維持不可或缺的重要材料。
1.2.1`核裂變堆(高溫氣冷堆)
石墨是中子的慢化劑和優良的反射劑。其自身的許多優良特性,確立了它在核工業領域中的地位。石墨不但能夠滿足工業量產的需求,而且還具備了結構材料所要求的高機械強度和耐高溫的特點,因此石墨適合作為高溫氣冷堆的結構材料。
石墨用作慢化劑及反射劑的性質要求
(1)一般特性要求
對石墨的性質要求隨核反應堆的類型及設計構造不同而有所變化。核反應堆所需要的石墨材料均為大型材料。此外,大量生產時,要求石墨材料不僅品質穩定,純度高,而且要耐腐蝕,強度高。
(2)核石墨的特性及純度
慢化劑用于核裂變反應堆,使核裂變產生的快中子減速為熱中子,提高中子和235U 原子核碰撞的機會,從而提高裂變反應的幾率。所以,要求慢化劑對中子有較大的散射截面和較小的吸收面。石墨對中子的慢化能力和反射能力僅次于重水,是除重水外最好的慢化劑。因此,它是高溫氣冷堆唯一可使用的結構材料。
(3)輻照損傷引起的物理變化
堆芯及周圍所用的石墨,在輻照狀態下會產生變形,熱導率降低,彈性模量增大,發生輻照蠕變等。因此,用于慢化劑的石墨必須對輻照蠕變及變形所產生的輻照應力有很強的耐受力。
石墨材料在高溫氣冷堆的使用現狀及今后的課題
高溫氣冷堆非常安全這一特征,使人們提出了模塊化高溫氣冷堆的設計理念。下一代超高溫核反應堆( UHTR),朝著高功率密度、高溫化方向邁進。技術上的這些發展進步,對新一代石墨材料的特性提出了更高的要求,比如,更高的輻照損傷耐受力,產品均質化,物美價廉,長期供貨等。美國在下一代核反應堆( NGNP) 研發計劃中,把日本東洋炭素的IG - 430 和羅蘭石墨美國分公司的2020 兩種牌號的等靜壓石墨作為備選的堆芯材料進行研究。這2種石墨的性能指標見表1。
1.2.2  核聚變反應堆
石墨用于核聚變反應堆的等離子體面對材料,很大程度上減少了等離子體中的金屬雜質,并表現出良好的導熱性,因此極大地提高了等離子體的能量約束特性?,F在大型的核聚變反應堆JT-60U 和JET的內壁幾乎都包覆了石墨。
2007 年10 月,國際原子能機構發起由7個國家(日本、EU、俄羅斯、美國、中國、韓國、印度) 聯手執行的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)計劃。這個計劃預計于2016 年在法國卡達拉什完成。
隨著核聚變裝置逐漸大型化,為了生成高溫等離子體,導熱性好、機械強度高的石墨材料被用做面對等離子體的第一壁材料,且表現出了良好的放電脈沖效果。此外,即使它們混入等離子體中,因原子序數低,引起的輻照損失小,所以能使高溫等離子體保持穩定。但是,氫的同位素入射會導致石墨材料生成CH4 氣體的消耗性化學飛濺現象以及輻射增強升華損耗現象(輻射增強升華是指等離子體粒子處于輻照環境下,即使當前溫度未達到石墨的正常熱升華溫度,石墨材料也會升華損耗的現象)。因此,采用石墨材料做等離子體的面對材料時,必須注意石墨的使用條件,特別是溫度。
1.2.3 其他核石墨(反應控制材料)
不管核反應堆中的核分裂物質是否增減,核反應堆必須設置控制棒以及時補償和調節原子反應堆中的中子數。高溫氣冷堆使用碳與B4C 結合制成的圓柱體為控制棒。這要求石墨材料在所使用的溫度環境中必須保持穩定,而且能耐中子輻照。
總之,世界原子能工業正經歷著各種各樣的發展變化。在高溫氣冷堆領域,南非和中國的商用高溫氣冷堆正在推進中。在核聚變反應堆領域,有實驗反應堆。國際熱核聚變實驗反應堆( ITER)計劃開展的同時,日本的JT-60 裝置改造也在先期進行中。
1. 3 放電加工電極
主要以石墨或銅為電極的放電加工被廣泛用于金屬模具等加工領域。對放電加工用石墨的形狀加工前工序要求: ①工具消耗少; ②加工速度快; ③加工面粗糙度好; ④無尖端突起等。放電加工工序要求: ①放電加工速度快; ②電極長度消耗少; ③電極角損耗少; ④被加工物的加工面粗糙度好; ⑤被加工物的加工面凹凸少等。
放電加工用石墨電極與銅電極相比,有如下優點: ①比銅輕,易搬運,同形狀下,只有銅重量的1 /5; ②易加工; ③切削加工不易產生應力及熱變形;④熔點在3 000 ℃以上,熱膨脹系數小,石墨電極很少因放電加工產生的熱量而變形。但是,石墨電極也存在一些缺點,如①切削加工時易產生粉塵; ②易損耗等。
放電加工用石墨電極廠家都生產從低價格的粗加工用產品到精加工用的不同等級的產品。最近,市場上出現了和傳統概念不相同的超微粒子放電加工用石墨電極。這種電極以降低石墨消耗為目標,其開發思路簡單來說就是: 電極消耗少→放電加工時從電極上脫落的石墨顆粒少→微粒子→顆粒間的結合強度高→瀝青骨料高效合理利用→調整制造參數,降低次品率及制造成本。至于超微粒子放電加工用石墨電極能否市場化,還要取決于石墨電極廠家的生產技術水平。
目前情況下,切削加工在金屬模具的深部及細部加工上還顯得有些束手無策。因為現有刀具的形狀和強度很難達到深部及細部加工的要求。因此,開發了用于精加工的精密放電用石墨電極,以期充分利用石墨電極的諸多優點,這種石墨電極是用等靜壓石墨加工而成的。圖1 比較了傳統石墨材料與等靜壓石墨材料的顯微結構。
1.4  有色金屬連鑄用石墨結晶器
由于可以實現鑄造工序的簡化、產品合格率的提高以及產品組織結構的均勻化等優點,用連鑄連軋方式生產有色金屬板、管、棒等已經非常普遍。目前,生產大規格的純銅、青銅、黃銅、白銅主要采取連鑄的方法。其中,對產品質量起著至關重要影響的結晶器就是用等靜壓石墨材料制成的。由于等靜壓石墨材料在熱傳導、熱穩定、自潤滑、抗浸潤及化學惰性等方面具有良好的性能,使之成為制作結晶器不可替代的材料。
1.5 其他用途
等靜壓石墨還用于制作金剛石工具和硬質合金的燒結模具,光纖拉絲機的熱場部件(加熱器、保溫筒等),真空熱處理爐的熱場部件(加熱器、承載框等),以及精密石墨熱交換器、機械密封部件、活塞環、軸承、火箭噴嘴等。
2 等靜壓石墨的市場概況
2.1 國內市場等靜壓石墨的需求量
目前,中國只能生產低品質的等靜壓石墨,高品質等靜壓石墨完全依賴進口。其中,80%來自日本,20%來自歐美。國外進口的等靜壓石墨坯料,售價在人民幣15 ~ 100 萬元/ t 不等,極大部分在人民幣15 ~ 25 萬元/ t。表2 列出了2006 年以來國內等靜壓石墨的市場需求量。
3.2 國內市場等靜壓石墨的供應量

由于國內眾多炭素企業看到等靜壓石墨依賴進口的局面。近幾年來,掀起了一股研制和生產等靜壓石墨的熱潮,國產等靜壓石墨的供應量將不斷增加,但近幾年仍然以進口為主。目前國內市場集中在低端等靜壓石墨制品,而且有一哄而上的局面,和中國大量上多晶硅項目非常相似,極有可能造成產能過剩惡性競爭局面,所以應該把精力放在高端等靜壓制品上面,向國外先進水平看齊。表3 為2006 年以來國內等靜壓石墨的市場供應量。

3  結語
在當今的工業生產中,石墨已經成為一種必不可少的關鍵材料,特別是在太陽能工業、LED 工業、半導體工業和核工業方面,石墨的需求量在急劇增加,質量要求也越來越高。等靜壓石墨的質量水平、生產規模已成為衡量一個國家總體工業水平的標桿。開發我國具有自主知識產權的高品質等靜壓石墨產品,已經迫在眉睫。

此文關鍵詞:等靜壓石墨、核石墨

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