國(guó)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(jì)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(xì)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(xué)腐蝕性強(qiáng)，導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能良好; 具有優(yōu)異的機(jī)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(xué)、電氣、航空宇宙及原子能工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
作為全球制造業(yè)大國(guó)和最大的光伏產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)，中國(guó)一直保持巨量的等靜壓石墨需求。近年來，隨著國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，中國(guó)等靜壓石墨需求量逐年擴(kuò)大。同期，由于中國(guó)等靜壓石墨生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，加上國(guó)外企業(yè)的技術(shù)封鎖，中國(guó)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(yán)重的產(chǎn)能過剩危機(jī)，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(zhǎng)，但是企業(yè)的盈利能力大幅下滑。2013年，中國(guó)出臺(tái)了一系列刺激政策，使得光伏產(chǎn)業(yè)逐步回暖，進(jìn)而保持了對(duì)等靜壓石墨的需求的增長(zhǎng)。2015年，全球等靜壓石墨產(chǎn)量達(dá)到10萬(wàn)噸左右。
2017年，中國(guó)等靜壓石墨需求量達(dá)1.8萬(wàn)噸，而同期等靜壓石墨產(chǎn)量?jī)H為9500噸，供應(yīng)缺口達(dá)8500噸。目前，中國(guó)新涉足等靜壓石墨業(yè)務(wù)企業(yè)普遍存在的技術(shù)儲(chǔ)備不足及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理等問題很難短期內(nèi)得到解決。
一、關(guān)于等靜壓的幾個(gè)概念
1.1、等靜壓與等靜壓成型
等靜壓：是指在各個(gè)方向上對(duì)經(jīng)過密封的物料同時(shí)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(gè)方向?qū)ξ锪线M(jìn)行均勻加壓，當(dāng)液體介質(zhì)通過壓力泵注入壓力容器時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)原理，其壓強(qiáng)大小不變且均勻地傳遞到各個(gè)方向，因此高壓容器中的粉料在各個(gè)方向上受到的壓力是均勻的和大小一致的。采用上述方法使粉料致密成坯體的方法稱為等靜壓成型。
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(qiáng)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(qiáng)度高；各向同性（特性與尺寸、形狀、取樣方向無關(guān)）等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)
等靜壓石墨除具有一般炭石墨材料的優(yōu)異性能外，又區(qū)別于一般的高純石墨，其主要特點(diǎn)是：
2.1 細(xì)結(jié)構(gòu)
作為結(jié)構(gòu)材料，要求有較高的機(jī)械性能。 構(gòu)成炭石墨材料的基礎(chǔ)炭顆粒結(jié)構(gòu)越細(xì)，則其質(zhì)地越致密，機(jī)械強(qiáng)度亦越高。國(guó)內(nèi)目前冷壓石墨制品（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(cè)定平均顆粒尺寸，估計(jì)在 30μm左右。 炭質(zhì)骨料的顆粒越細(xì)，在混合時(shí)，配方中的黏結(jié)劑用量也就越多。這是因?yàn)轭w粒越細(xì)，表面積越大，黏結(jié)劑要均勻地包覆在每個(gè)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(guó)內(nèi)已有50年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，比較成熟。 但近年來隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)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，均存在著明顯的各向異性，即垂直于壓力方向和水平于壓力方向的性能不同。 這種差異比，一般在1∶1.2以上,因此稱為各向異性。 在許多情況下，這種差異被充分利用，而且差異越大越好。如煉鋼用石墨電極，電機(jī)用電刷等。造成這種差異是因?yàn)樗褂玫脑?，如石油焦、瀝青焦、天然石墨粉等，因煉焦工藝、粉末制備方式等不同，粉末的外觀形狀是不規(guī)則的。 換句話說其長(zhǎng)與寬的方向比不是1， 是不對(duì)等的。那么在壓制成型時(shí)，受壓力影響，這些顆粒便會(huì)有序排列。在冷模壓時(shí)，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(xì)的粉末，需要應(yīng)用冷等靜壓成型技術(shù)，焙燒周期非常長(zhǎng)，為了達(dá)到目標(biāo)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(zhǎng)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。目前國(guó)內(nèi)炭素企業(yè)生產(chǎn)的等靜壓石墨直徑?jīng)]有國(guó)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(guó)內(nèi)外企業(yè)生產(chǎn)等靜壓石墨現(xiàn)狀
1.國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)等靜壓石墨現(xiàn)狀
俄羅斯、波蘭：兩個(gè)國(guó)家等靜壓石墨研制水平相當(dāng)，后者研制時(shí)間大約晚了20年，由于投入不足，產(chǎn)品質(zhì)量水平，遠(yuǎn)落在：美、德、法、日以及中國(guó)等國(guó)后面，尚處于研制完善階段。
日本：日本很重視等靜壓石墨研制。
目前，日本等靜壓石墨在產(chǎn)量、質(zhì)量、品種、規(guī)格以及拓展應(yīng)方面均達(dá)到了世界先進(jìn)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應(yīng)用于半導(dǎo)體、太陽(yáng)能、冶金、機(jī)械加工、原子能等工業(yè)，還推廣應(yīng)用到生物工程與電機(jī)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(wàn)噸以上的包括日本TOYO TANSO、日本Tokai、德國(guó)SGL、法國(guó)Mersen和日本IBIDEN，其中SGL、Mersen和TOYO TANSO在中國(guó)設(shè)有生產(chǎn)基地。
2.國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)等靜壓石墨現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)等靜壓石墨（各向同性石墨）研制情況60年代初我國(guó)開始了等靜壓技術(shù)的研究，對(duì)碳、石墨等多種粉末進(jìn)行了試制研究工作。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)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）
成都炭素有限責(zé)任公司；方大炭素新材料科技股份有限公司；四川林鳳控股股份有限公司；哈爾濱電碳有限責(zé)任公司；中鋼集團(tuán)吉林炭素有限責(zé)任公司；中鋼集團(tuán)上海碳素廠；河南省特種熱工爐材有限公司；平頂山天寶碳素制造有限公司；汶川科信電碳有限責(zé)任公司；（汶川科信電碳有限責(zé)任公司僅有石墨化工序其他工序均為租賃設(shè)備生產(chǎn)）；以上9家公司中，以成都炭素有限責(zé)任公司產(chǎn)品產(chǎn)量和規(guī)格品種最多。
3.國(guó)內(nèi)外等靜壓石墨行業(yè)的差距
縱觀國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品質(zhì)量情況，特別是用戶反饋信息，使我們認(rèn)識(shí)到，與國(guó)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(gè)方面：
(1)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度有待提高
炭石墨制品屬于脆性材料，機(jī)械強(qiáng)度受到一定的制約，但它確是重要指標(biāo)。使用單位對(duì)此有比較嚴(yán)格的要求，同時(shí)與國(guó)外產(chǎn)品相比，確實(shí)存在較大的差距。
提高產(chǎn)品的體積密度是提高機(jī)械強(qiáng)度的有效措施之一，但它是有極限性的。為進(jìn)一步提高機(jī)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(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，每種產(chǎn)品都有較明確的要求。 對(duì)等靜壓石墨而言，更是如此。因?yàn)樗鄶?shù)使用在高溫或者真空的條件下，為防止灰分對(duì)周圍環(huán)境和產(chǎn)品的污染，對(duì)灰分含量的要求往往更加嚴(yán)格。在特殊條件下，不僅對(duì)灰分含量有要求，對(duì)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性能越好，熱穩(wěn)定性、抗氧化性能、防腐蝕性、潤(rùn)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
等靜壓石墨的應(yīng)用范圍越來越廣，使用工況條件又是千差萬(wàn)別，對(duì)石墨材料的要求，便有側(cè)重，為此不能一個(gè)品種打天下，以不變應(yīng)萬(wàn)變，發(fā)展品種便是當(dāng)務(wù)之急。
炭石墨材料在真空或者保護(hù)性介質(zhì)中，可以穩(wěn)定地工作，最高可耐3000 ℃。但在現(xiàn)實(shí)中有許多場(chǎng)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。
為提高使用壽命，
其一是提高炭材料基體的抗氧化性，
其二是進(jìn)行防氧化處理，如表面涂層、等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積、固相浸漬等。
炭石墨材料在高溫使用條件下，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(duì)此炭石墨是較好的材料，但也有一定的限制。
（4）產(chǎn)品規(guī)格有待提高
如前所述，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)等靜壓石墨的尺寸規(guī)格也要求向大規(guī)格發(fā)展。 國(guó)內(nèi)等靜壓機(jī)的缸體直徑由前幾年的Φ 850 mm發(fā)展到近年來多家購(gòu)置缸體為Φ 1250 mm（最大達(dá)到2150 mm）的等靜壓機(jī)，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(jī)、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。
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