中國粉體網(wǎng)訊 與普通石墨相比，這種敢號稱“特種石墨”的產(chǎn)品，其性能要高一個檔次，甚至是特種石墨產(chǎn)品中的尖兵！

1、基本概念

各向同性石墨材料產(chǎn)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(jié)構(gòu)和超細結(jié)構(gòu)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(yōu)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(zhì)，因此各向同性石墨具有更長的使用壽命周期。

特種石墨產(chǎn)品分類、性能、應(yīng)用

2、應(yīng)用優(yōu)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(yīng)用于半導(dǎo)體、冶金、機械、醫(yī)療、電子、生物工程以及石油化工、航空航天、核能等領(lǐng)域，可制成如密封環(huán)、活塞環(huán)、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(fā)展前景。

三大高端應(yīng)用不可替代

(1)太陽能電池及半導(dǎo)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(zhì)結(jié)構(gòu)能夠明顯地減緩零部件受急冷急熱而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，故可延長制造設(shè)備的使用周期。所以在半導(dǎo)體、太陽能行業(yè)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(dǎo)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(yōu)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(chǎn)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(chǎn)生誤差和縮短了生產(chǎn)周期；只要加工參數(shù)合理，理論上石墨電極可以零損耗，無需重復(fù)加工。正因如此，許多模具企業(yè)正向石墨加工轉(zhuǎn)換,以縮短生產(chǎn)周期，提升在市場上的競爭力。

(3)高溫氣冷反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)石墨

核石墨是防止核擴散的敏感材料，是高溫氣冷反應(yīng)堆的關(guān)鍵材料，沒有它就沒有高溫堆。核石墨與常規(guī)工程用石墨的主要區(qū)別有兩點：核純和耐輻照損傷。除輻照要求外，核石墨在冷態(tài)狀態(tài)下的質(zhì)量要求是：規(guī)格大型化、質(zhì)量穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、核純(高純度50ppm以下)。而等靜壓石墨具有優(yōu)異的抗輻照性能，超強的結(jié)構(gòu)強度，極高的熱導(dǎo)率和純度，使它成為核能產(chǎn)業(yè)不可或缺的材料。

特種石墨產(chǎn)業(yè)鏈

消費結(jié)構(gòu)趨向高端

在國內(nèi)，各向同性石墨產(chǎn)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(xù)鑄造石墨占5.5%、軍工產(chǎn)品占1.65%，其他2.57%。

3、生產(chǎn)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(fù)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(chǎn)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(zhì)溫度80~100℃）和熱等靜壓（介質(zhì)溫度1000℃以上），等靜壓石墨的生產(chǎn)大多采用冷等靜壓，只有極少數(shù)采用熱等靜壓生產(chǎn)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(jié)劑和浸漬劑轉(zhuǎn)化為固定炭。炭化一般在保護性氣氛中進行，炭化溫度根據(jù)產(chǎn)品要求有所不同，一般在800℃-1500℃。工業(yè)生產(chǎn)中由于產(chǎn)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(tǒng)燒結(jié)方法的工藝流程

自燒結(jié)方法的工藝流程

炭化后制品由于釋放了很多揮發(fā)份，因此密度一般較低，不能滿足應(yīng)用的要求，所以需要對樣品進行浸漬處理。根據(jù)產(chǎn)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(jié)構(gòu)，而且其硬度很高不利于機加工，且導(dǎo)電導(dǎo)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(jié)構(gòu)，即石墨結(jié)構(gòu)，影響最終產(chǎn)品石墨化度的因素除了骨料本身的性質(zhì)外主要是石墨化的溫度。

三大差距不可忽視

國內(nèi)外各向同性石墨材料的差距主要體現(xiàn)在三個方面。

原料配方：我國生產(chǎn)各向同性石墨的原料與生產(chǎn)普通石墨產(chǎn)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(shù)差距：國內(nèi)生產(chǎn)各向同性石墨的周期較長，需要經(jīng)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(chǎn)品甚至需要三浸和四焙。國外的生產(chǎn)工藝簡化許多，經(jīng)過配料、成型、焙燒、浸漬、石墨化后就可生產(chǎn)出符合質(zhì)量標準的各向同性石墨產(chǎn)品。對比之下很明顯地暴露了國內(nèi)工藝復(fù)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(nèi)頭部企業(yè)也在研發(fā)、優(yōu)化各向同性石墨加工工藝，并取得一些列的成果，技術(shù)差距有所減小。

產(chǎn)品差距：國外企業(yè)具有成熟的工藝生產(chǎn)原料平均粒徑為2-23μm的細結(jié)構(gòu)石墨，并且純度較高。同時，我國各向同性石墨產(chǎn)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(nèi)各向同性石墨產(chǎn)業(yè)動態(tài)

（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W(wǎng)X-5系列高純石墨(560*420*250mm/610-510)被成功認定為專利密集型產(chǎn)品。

（2）成都炭材

成都炭材從2007年開始布局研發(fā)第四代高溫氣冷堆堆芯石墨產(chǎn)品，經(jīng)過16年的持續(xù)發(fā)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(xiàn)量產(chǎn)。2024年4月，成都炭材又成功取得《民用核安全設(shè)備制造許可證》。據(jù)成都炭材技術(shù)研發(fā)部部長趙世貴介紹，未來這款石墨產(chǎn)品是能夠完全實現(xiàn)國產(chǎn)替代的。2023年12月28日，成都炭材研發(fā)的超大尺寸等靜壓石墨產(chǎn)品還成功入選工信部《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2024年版)》。

（3）寧新新材

近期，寧新新材公布10家機構(gòu)調(diào)研紀要。對于公司未來發(fā)展，寧新新材表示，將堅守模壓特種石墨主業(yè)，鞏固市場份額；開拓高端等靜壓石墨業(yè)務(wù)，特別是在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用，提升產(chǎn)品定位；同步中粗結(jié)構(gòu)石墨生產(chǎn)，豐富產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；繼續(xù)延伸產(chǎn)業(yè)鏈，增強終端石墨制品比重，加大國外出口。

“隨著我國半導(dǎo)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(chǎn)業(yè)加快發(fā)展，預(yù)計未來特種石墨的市場需求將呈現(xiàn)較快增長，”寧新新材董事長鄧達琴說。

據(jù)了解，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，特種石墨主要用于硅和碳化硅外延生長的石墨基座。據(jù)寧新新材2023年年報顯示，該公司已經(jīng)開展細顆粒等靜壓石墨的研究，目前已經(jīng)小批量生產(chǎn)。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(yōu)秀新產(chǎn)品三等獎。

（4）東方碳素

2023年東方碳素推進年產(chǎn)3萬噸特種高端石墨材料生產(chǎn)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(yè)廠房及6萬平方10兆瓦屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，建設(shè)內(nèi)容主要為煅燒系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、炭化系統(tǒng)、石墨化系統(tǒng)及機加工系統(tǒng)，配套輔助生產(chǎn)設(shè)施等。高端石墨產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于高端模具、光伏、氫能源、航空航天、核能等領(lǐng)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(fā)達國家能夠生產(chǎn)出大尺寸、高純度、細結(jié)構(gòu)的各向同性石墨，但這些國家均實施嚴格的技術(shù)封鎖，甚至還以國家安全和國家利益為由實施嚴格的產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生制品開裂等問題。目前國外大企業(yè)在中國建廠，但是核心生產(chǎn)車間并不在國內(nèi)，要實現(xiàn)技術(shù)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(jié)構(gòu)與性能研究，湖南大學(xué)

袁杰，等：“碳”的21世紀——石墨，核工業(yè)二〇八大隊

各公司官網(wǎng)、年報等

 (中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)

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