特種石墨有何特別之處

特種石墨主要指高強度、高密度、高純度石墨制品（簡稱三高石墨）。三高石墨從材料組織結(jié)構(gòu)上可以分為粗顆粒結(jié)構(gòu)、細顆粒結(jié)構(gòu)和特細顆粒結(jié)構(gòu)三種，從成型方法上區(qū)分主要有模壓成型特種石墨、擠壓成型特種石墨和等靜壓成型特種石墨三類，此外，振動成型也可用于生產(chǎn)特種石墨。高品質(zhì)的特種石墨一各向同性石墨是用等靜壓工藝生產(chǎn)的特種石墨。

特種石墨的分類

    并非所有特種石墨都必須達到同樣的高密、高強、高純指標，使用于不同場合的特種石墨有特定的強度、密度要求，即強度、密度指標不一樣。許多特種石墨不需要達到高純，灰分并非主要質(zhì)量指標。有的特種石墨不需要高強、高密但需要高純。有的特種石墨如電火花加工用石墨根據(jù)不同的加工工藝和加工對象需要不同理化指標的細顆粒結(jié)構(gòu)石墨或特細顆粒結(jié)構(gòu)石墨。

按主要用途分類

電火花加工用特種石墨

    電火花加工是機械制造工業(yè)中的一種新型加工工藝，電火花加工可以對許多硬度較大的金屬進行加工，并可加工形狀復(fù)雜、精度要求較高的零部件，作為陽極的工具電極可以使用銅質(zhì)材料，也可使用石墨材料。用作電火花加工的工具電極的石墨材料必須具備下列條件： 

（1）結(jié)構(gòu)致密、組織均勻，不應(yīng)當有粗顆粒料和大的氣孔；
（2）有較高的機械強度，又有良好的加工性能，能加工出復(fù)雜的形狀或銳角、薄片狀；
（3）石墨質(zhì)工具電極，在電火花加工過程中有一定損耗，這種損耗應(yīng)盡可能低；
（4）放電特性穩(wěn)定，加工速度較快。因此電火花加工用石墨一般都采用細顆粒結(jié)構(gòu)石墨或特細顆粒結(jié)構(gòu)石墨，在物理性能上最好是各向同性。所以當前中國電火花加工石墨材料市場上用得較多的是細顆粒結(jié)構(gòu)的各向同性石墨。
    2005年國內(nèi)需要電火花加工石墨估計為4000T，其中使用高檔石墨約占25%，使用中低檔石墨約占75%。今后可能以10%的年增漲幅度上升。使用進口高檔石墨（主要是等靜壓成型的各向同性石墨）約占全部用量10%。國外電火花加工用各向同性石墨的品種較多，可分別用于粗加工、半精加工、精加工、精細加工、超精細加工和精密加工（線切割等模具的加工）。

模具石墨

    機械工業(yè)中的鑄造行業(yè)大量使用石墨材料作為加壓鑄造、離心鑄造、超硬合金的熱擠壓等加工的模具，大到火車車輪，小到精密零件都可以使用石墨模具。石墨模具可多次重復(fù)使用，脫模后的鑄件具有較高的光潔度，有的無需進一步加工即可使用。用作鑄造模具的石墨材料應(yīng)該是質(zhì)地致密、熱膨脹系數(shù)較低、抗氧化性能較好的石墨，用于鑄造尺寸較大的鑄件的石墨可以用較粗的粒度組成，而用于鑄造小型精密零件的石墨必須使用細顆粒結(jié)構(gòu)的石墨。中國用于制造模具的石墨數(shù)量較大，2005年連續(xù)鑄造用石墨約1500t、燒結(jié)模用石墨估計需要4000t。
    在模具石墨中以金屬連續(xù)鑄造石墨的質(zhì)量要求最嚴，要求其熱導(dǎo)率高，熱穩(wěn)定性和耐熱沖擊性好，潤滑性好，不與熔融金屬浸潤，不與鑄造金屬反應(yīng)，容易加工成尺寸精確的模具。連續(xù)鑄造石墨的特性一般如下：體積密度1.7-1.9g/cm，抗折強度30-40MPa，抗拉強度20-30MPa，熱導(dǎo)率100 < 130 W/(m · K)。
    縱形角板為 1260 mm X 200 mm X 280 mm ;橫形板材為1000 mm X 70 mm X 240 mm ;鑄造 速度根據(jù)鑄板的尺寸不同而異，取值范圍為0. 7 ~4 m/min。冷模壓細顆粒結(jié)構(gòu)石墨或等靜壓成型的細顆粒結(jié)構(gòu)石墨都可以加工成金屬連續(xù)鑄造用石墨件。

高純石墨

    高純石墨一般指含碳量在99. 99%以上的石墨，在組織結(jié)構(gòu)上可分為粗顆粒結(jié)構(gòu)、細顆粒結(jié)構(gòu)和超細顆粒結(jié)構(gòu)三類，高純石墨大量用于直拉單晶硅爐中。集成電路的基礎(chǔ)材料主要是硅單晶芯片，當前硅單晶的成長工藝主要采用直拉（CZ)法，其他方法還有磁場直拉法（MCZ)、區(qū)域（FZ)法以及雙坩堝拉晶法，全球電子工業(yè)用直拉單晶硅約占單晶硅 總用量的80% ,直拉單晶硅爐中的石墨件是消耗品，采用高純石墨材料加工成直拉單晶硅爐的加熱系統(tǒng)。2005年中國需要直拉硅單晶爐用石墨約800 t。

    高純石墨另一重要用途是加工成各類坩堝，用于生產(chǎn)貴金屬、稀有金屬或高純金屬、非金屬材料。光譜分析用石墨電極也是一種高純石墨，可用于除碳素以外的所有元素的光譜化學分析,光譜分析用石墨電極用擠壓方法成型。成品的雜質(zhì)元素含量應(yīng)不大于6*10在光譜分析中制備標準樣品和用化學方法捕集雜質(zhì)時需用光譜純炭粉或光譜純石墨粉，這兩種高純材料對雜質(zhì)含量的要求都是在6 *10；在某些用途方面，需要含碳量達到99.9995%,總灰分含量小于5 *10。高純石墨的成型方法有擠壓成型、模壓 成型及等靜壓成型三種。

核能用石墨材料

    石墨是建造核反應(yīng)堆使用的減速材料和反射材料之一，早期的反應(yīng)堆都是石墨堆。作為結(jié)構(gòu)材料使用的核反應(yīng)堆用石墨在選用原料、工藝控制、成品檢驗上比石墨電極嚴格得多，也昂貴得多，核反應(yīng)堆用石墨必需具備下列性能：對慢中子的吸收量小、高溫強度好、抗熱震性高、對快中子的減速性能好、在輻照下尺寸穩(wěn)定、雜質(zhì)含量極少。硼、鎘等易于吸收中子的元素要嚴格控制其含量。

    核石墨必需有較高的體積密度M 因為石墨對快中子的減速作用是依靠快中子對碳原子的碰撞作用而實現(xiàn)的M單位體積內(nèi)碳原子越多M減速效果越好M所以體積密度是核石墨的主要指標之一M體積密度也與石墨的氣孔率和滲透率直接有關(guān)M為了避免核燃料及載熱體的損失M要將氣孔率及滲透率降低到一定水平。石墨的機械強度也與其體積密度有關(guān)，一般石墨堆使用的核石墨的體積密度在1.7-1.75g/cm。

    用于發(fā)電的核反應(yīng)堆當前主要是不需要用石墨的壓水堆，但專家預(yù)計高溫氣冷堆很有發(fā)展前途，高溫氣冷堆則需要大量的高級石墨材料。在高溫氣冷堆中由于用氦氣作為冷卻劑，用炭素及陶瓷材料作為燃料的包覆材料，用石墨或炭質(zhì)材料作為減速材料和爐芯結(jié)構(gòu)材料，可以把接近( --- 5的高溫氣體導(dǎo)出反應(yīng)堆外作為能源使用。國際上已經(jīng)建立了多座開發(fā)研究用高溫氣冷堆。

各向同性石墨

    雖然國際上對各向同性石墨的定義有待于進一步明確，一般是測量產(chǎn)品直徑方向和長度方向的某些物理性能指標并計算其比值，有的用熱膨脹系數(shù)的比值表示，最簡單的是以電阻率的比值表示，其異向比在1.0~1.1范圍內(nèi)稱為各向同性 產(chǎn)品，超過1.1稱為各向異性產(chǎn)品。日本等工業(yè)技術(shù)先進國家用等靜壓成型方法生產(chǎn)的大型各向同性石墨直徑達1.5 m，長度達3 %，體積密度達到 1.95-2.0 g/cm，各向異性比縮小到1.05。制造各向同性石墨除使用一般石油焦外，還使用改性瀝青焦、天然瀝青焦、氧化石油焦、不經(jīng)煅燒的生石油焦、天然石墨等。