中國粉體網訊 與普通石墨相比，這種敢號稱“特種石墨”的產品，其性能要高一個檔次，甚至是特種石墨產品中的尖兵！
1、基本概念
各向同性石墨材料產品是指以天然石墨和石油焦為主要原料的等靜壓成型的細結構和超細結構髙機械強度、高體積密度、高純度的特種石墨制品，故也被稱為等靜壓石墨。因其獨特的各向同性和優異的電、熱、機械性能而聞名。同時，由于它在各個方向近乎相同的物理性質，因此各向同性石墨具有更長的使用壽命周期。
特種石墨產品分類、性能、應用
2、應用優勢
各向同性石墨與普通石墨相比，其性能要高一個檔次，如體積密度1.70~2.0g/cm3（普通石墨制品為1.60~1.80g/cm3），抗折強度40~100MPa（普通石墨制品為6~45MPa），可廣泛應用于半導體、冶金、機械、醫療、電子、生物工程以及石油化工、航空航天、核能等領域，可制成如密封環、活塞環、軸承、換熱器、電刷、人造骨骼、心臟瓣膜和火箭噴嘴等，具有很好的發展前景。
三大高端應用不可替代
(1)太陽能電池及半導體晶片用石墨
由于等靜壓石墨具備高強、高密、各向同性好，使用時各向同性石墨制成的零部件受熱和傳熱的溫度差較低，同時它的均質結構能夠明顯地減緩零部件受急冷急熱而產生的內應力，故可延長制造設備的使用周期。所以在半導體、太陽能行業中，用各向同性石墨制作大量Cz型單晶直拉爐熱場石墨部件(坩堝、加熱器、導流筒、保溫罩等)。
(2)電火花加工(EDM)用石墨
與銅電極相比，石墨電極具有如下優點：石墨的密度低，同等體積石墨的重量是銅的1/5，有利于制造大型模具；石墨易加工，可減少工具的磨損和電極的消耗；石墨熔點高且不易變形，無需考慮因加工溫度過高產生變形而使工件受損；加工完成后的石墨不必進行拋光，避免產生誤差和縮短了生產周期；只要加工參數合理，理論上石墨電極可以零損耗，無需重復加工。正因如此，許多模具企業正向石墨加工轉換,以縮短生產周期，提升在市場上的競爭力。
(3)高溫氣冷反應堆堆芯結構石墨
核石墨是防止核擴散的敏感材料，是高溫氣冷反應堆的關鍵材料，沒有它就沒有高溫堆。核石墨與常規工程用石墨的主要區別有兩點：核純和耐輻照損傷。除輻照要求外，核石墨在冷態狀態下的質量要求是：規格大型化、質量穩定、熱穩定性好、熱膨脹系數低、核純(高純度50ppm以下)。而等靜壓石墨具有優異的抗輻照性能，超強的結構強度，極高的熱導率和純度，使它成為核能產業不可或缺的材料。
特種石墨產業鏈
消費結構趨向高端
在國內，各向同性石墨產品的消費占比約為：制造太陽能光伏材料占51.38%、電火花加工占15.41%、石墨換熱器和HTR各占11.01%、連續鑄造石墨占5.5%、軍工產品占1.65%，其他2.57%。
3、生產工藝
各向同性石墨由于它對各向同性性能的特殊要求，因此其原料選擇及工藝控制更加復雜。
石墨材料制備流程
來源：東洋炭素
（1）原料
原料包括：石油焦、瀝青焦、二次焦、中間相炭微球、天然微晶石墨等。
（2）成型
人造石墨成型方法主要有4種，包括模壓成型、擠壓成型、振動成型和等靜壓成型。其中等靜壓成型工藝可以獲得各向同性度最高的石墨產品。
(a) 模壓成型（b）擠壓成型（c）等靜壓成型（d）振動成型
人造石墨等靜壓成型工藝 來源：東洋炭素
等靜壓成型按成型時溫度劃分，還可分為冷等靜壓（常溫）、溫等靜壓（介質溫度80~100℃）和熱等靜壓（介質溫度1000℃以上），等靜壓石墨的生產大多采用冷等靜壓，只有極少數采用熱等靜壓生產工藝。
（3）焙燒與浸漬
通過焙燒使成型好的坯料炭化，其主要作用是使骨料、粘結劑和浸漬劑轉化為固定炭。炭化一般在保護性氣氛中進行，炭化溫度根據產品要求有所不同，一般在800℃-1500℃。工業生產中由于產品尺寸較大，炭化時間一般很長，在320h以上，甚至達到900h或更長。
傳統燒結方法的工藝流程
自燒結方法的工藝流程
炭化后制品由于釋放了很多揮發份，因此密度一般較低，不能滿足應用的要求，所以需要對樣品進行浸漬處理。根據產品所要求的密度不同，可以進行多次的浸漬-焙燒過程，浸漬劑一般為煤瀝青。
（4）石墨化
炭化后的制品一般不具有石墨的結構，而且其硬度很高不利于機加工，且導電導熱性能不佳，因此需要對制品進行石墨化處理。石墨化時將制品加熱到2000℃以上，使碳原子獲得能量，重新排列形成晶體結構，即石墨結構，影響最終產品石墨化度的因素除了骨料本身的性質外主要是石墨化的溫度。
三大差距不可忽視
國內外各向同性石墨材料的差距主要體現在三個方面。
原料配方：我國生產各向同性石墨的原料與生產普通石墨產品的原料相同，基本上都是石油焦、瀝青焦和二次焦等。而國外的原料配方對我國采取保密措施。
技術差距：國內生產各向同性石墨的周期較長，需要經過配料、混捏、軋片、成型、初焙、初浸、二焙、二浸、三焙、石墨化，個別產品甚至需要三浸和四焙。國外的生產工藝簡化許多，經過配料、成型、焙燒、浸漬、石墨化后就可生產出符合質量標準的各向同性石墨產品。對比之下很明顯地暴露了國內工藝復雜程度高、人工成本更大、能源消耗嚴重、制造成本高且殘品率更高等問題。目前，國內頭部企業也在研發、優化各向同性石墨加工工藝，并取得一些列的成果，技術差距有所減小。
產品差距：國外企業具有成熟的工藝生產原料平均粒徑為2-23μm的細結構石墨，并且純度較高。同時，我國各向同性石墨產品性能普遍存在機械強度低、光潔度低、加工性能低和使用壽命短等問題。
4、國內各向同性石墨產業動態
（1）五星新材
2024年1月29日，河南五星新材科技股份有限公司WX-5系列高純石墨(560*420*250mm/610-510)被成功認定為專利密集型產品。
（2）成都炭材
成都炭材從2007年開始布局研發第四代高溫氣冷堆堆芯石墨產品，經過16年的持續發展，2024年3月通過了輻照試驗，前期工作已籌備完畢，開始實現量產。2024年4月，成都炭材又成功取得《民用核安全設備制造許可證》。據成都炭材技術研發部部長趙世貴介紹，未來這款石墨產品是能夠完全實現國產替代的。2023年12月28日，成都炭材研發的超大尺寸等靜壓石墨產品還成功入選工信部《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2024年版)》。
（3）寧新新材
近期，寧新新材公布10家機構調研紀要。對于公司未來發展，寧新新材表示，將堅守模壓特種石墨主業，鞏固市場份額；開拓高端等靜壓石墨業務，特別是在半導體領域的應用，提升產品定位；同步中粗結構石墨生產，豐富產品結構；繼續延伸產業鏈，增強終端石墨制品比重，加大國外出口。
“隨著我國半導體、鋰電、光伏太陽能、人造金剛石、電火花及磨具加工、核電等產業加快發展，預計未來特種石墨的市場需求將呈現較快增長，”寧新新材董事長鄧達琴說。
據了解，在半導體領域，特種石墨主要用于硅和碳化硅外延生長的石墨基座。據寧新新材2023年年報顯示，該公司已經開展細顆粒等靜壓石墨的研究，目前已經小批量生產。2023年5月，寧新新材細顆粒等靜壓特種石墨被認定為江西省優秀新產品三等獎。
（4）東方碳素
2023年東方碳素推進年產3萬噸特種高端石墨材料生產項目，該項目總投資10.8億元，占地175畝，新建7.5萬平米工業廠房及6萬平方10兆瓦屋頂光伏發電系統，建設內容主要為煅燒系統、配料系統、成型系統、炭化系統、石墨化系統及機加工系統，配套輔助生產設施等。高端石墨產品廣泛應用于高端模具、光伏、氫能源、航空航天、核能等領域。
（5）賽邁科
2024年3月4日，由賽邁科先進材料股份有限公司公司牽頭的T/CASAS048—20XX《碳化硅單晶生長用等靜壓石墨》正式立項。
5、展望
國外發達國家能夠生產出大尺寸、高純度、細結構的各向同性石墨，但這些國家均實施嚴格的技術封鎖，甚至還以國家安全和國家利益為由實施嚴格的產品出口限制。
在我國，目前超細粉制備高密高強石墨材料的骨料粒度主要集中在200~300μm，對納米級甚至幾到十幾μm的研究并不多。隨著原料粒徑的減小，材料結構的致密程度會不斷提升，性能也逐漸提高。但制備的難度也逐漸增大，極易產生制品開裂等問題。目前國外大企業在中國建廠，但是核心生產車間并不在國內，要實現技術追趕還要自力更生。
參考來源：
杜愛芳，高強度各向同性石墨材料的制備與研究，中國平煤神馬集團開封炭素有限公司
林祥寶，等：非主流原料制備各向同性石墨材料及其結構與性能研究，湖南大學
袁杰，等：“碳”的21世紀——石墨，核工業二〇八大隊
各公司官網、年報等
(中國粉體網編輯整理/昧光)
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