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(zhuǎn)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(chǎn)日益成為主流。與此相應(yīng)，單晶爐加熱區(qū)的直徑大多為800 mm，爐內(nèi)的石墨坩堝為了保護(hù)放置其中的石英坩堝，直徑達(dá)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(dá)到了1500 mm。
從2003 年開始，人們對地球居住環(huán)境的保護(hù)意識逐漸增強(qiáng)，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(chǎn)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(yè)
近年來，全球氣候變暖。人們認(rèn)為化石燃料的使用所產(chǎn)生的二氧化碳正是導(dǎo)致這個問題的主要原因。最近幾年，雖然發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)向了能流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電，且不排放二氧化碳和硫氧化物的原子能發(fā)電。
目前，全世界已投入使用的核反應(yīng)堆大都以輕水反應(yīng)堆為主。這種堆型的工作原理是利用核裂解時產(chǎn)生的熱能將冷水氣化為300 ℃的水蒸氣，推動渦輪機(jī)發(fā)電。但是，因水堆溫度較低，輕水反應(yīng)堆的發(fā)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(dá)近1 000 ℃，發(fā)電效率高，還適合制造氫氣。可以說是電力供給和環(huán)境保護(hù)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(yīng)時釋放的能量也非常巨大。要使核聚變長期進(jìn)行，就必須將等離子體維持在一定的溫度狀態(tài)。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(yōu)良的反射劑。其自身的許多優(yōu)良特性，確立了它在核工業(yè)領(lǐng)域中的地位。石墨不但能夠滿足工業(yè)量產(chǎn)的需求，而且還具備了結(jié)構(gòu)材料所要求的高機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫的特點(diǎn)，因此石墨適合作為高溫氣冷堆的結(jié)構(gòu)材料。
石墨用作慢化劑及反射劑的性質(zhì)要求
(1)一般特性要求
對石墨的性質(zhì)要求隨核反應(yīng)堆的類型及設(shè)計構(gòu)造不同而有所變化。核反應(yīng)堆所需要的石墨材料均為大型材料。此外，大量生產(chǎn)時，要求石墨材料不僅品質(zhì)穩(wěn)定，純度高，而且要耐腐蝕，強(qiáng)度高。
(2)核石墨的特性及純度
慢化劑用于核裂變反應(yīng)堆，使核裂變產(chǎn)生的快中子減速為熱中子，提高中子和235U 原子核碰撞的機(jī)會，從而提高裂變反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(tài)下會產(chǎn)生變形，熱導(dǎo)率降低，彈性模量增大，發(fā)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(chǎn)生的輻照應(yīng)力有很強(qiáng)的耐受力。
石墨材料在高溫氣冷堆的使用現(xiàn)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(shè)計理念。下一代超高溫核反應(yīng)堆( UHTR)，朝著高功率密度、高溫化方向邁進(jìn)。技術(shù)上的這些發(fā)展進(jìn)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(chǎn)品均質(zhì)化，物美價廉，長期供貨等。美國在下一代核反應(yīng)堆( NGNP) 研發(fā)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(jìn)行研究。這2種石墨的性能指標(biāo)見表1。
1.2.2 核聚變反應(yīng)堆
石墨用于核聚變反應(yīng)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(zhì)，并表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性，因此極大地提高了等離子體的能量約束特性?，F(xiàn)在大型的核聚變反應(yīng)堆JT－60U 和JET的內(nèi)壁幾乎都包覆了石墨。
2007 年10 月，國際原子能機(jī)構(gòu)發(fā)起由7個國家(日本、EU、俄羅斯、美國、中國、韓國、印度) 聯(lián)手執(zhí)行的國際熱核聚變實(shí)驗反應(yīng)堆(ITER)計劃。這個計劃預(yù)計于2016 年在法國卡達(dá)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(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)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(xiàn)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(shù)低，引起的輻照損失小，所以能使高溫等離子體保持穩(wěn)定。但是，氫的同位素入射會導(dǎo)致石墨材料生成CH4 氣體的消耗性化學(xué)飛濺現(xiàn)象以及輻射增強(qiáng)升華損耗現(xiàn)象(輻射增強(qiáng)升華是指等離子體粒子處于輻照環(huán)境下，即使當(dāng)前溫度未達(dá)到石墨的正常熱升華溫度，石墨材料也會升華損耗的現(xiàn)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(yīng)控制材料)
不管核反應(yīng)堆中的核分裂物質(zhì)是否增減，核反應(yīng)堆必須設(shè)置控制棒以及時補(bǔ)償和調(diào)節(jié)原子反應(yīng)堆中的中子數(shù)。高溫氣冷堆使用碳與B4C 結(jié)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(huán)境中必須保持穩(wěn)定，而且能耐中子輻照。
總之，世界原子能工業(yè)正經(jīng)歷著各種各樣的發(fā)展變化。在高溫氣冷堆領(lǐng)域，南非和中國的商用高溫氣冷堆正在推進(jìn)中。在核聚變反應(yīng)堆領(lǐng)域，有實(shí)驗反應(yīng)堆。國際熱核聚變實(shí)驗反應(yīng)堆( ITER)計劃開展的同時，日本的JT－60 裝置改造也在先期進(jìn)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(lǐng)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(yōu)點(diǎn): ①比銅輕，易搬運(yùn)，同形狀下，只有銅重量的1 /5; ②易加工; ③切削加工不易產(chǎn)生應(yīng)力及熱變形;④熔點(diǎn)在3 000 ℃以上，熱膨脹系數(shù)小，石墨電極很少因放電加工產(chǎn)生的熱量而變形。但是，石墨電極也存在一些缺點(diǎn)，如①切削加工時易產(chǎn)生粉塵; ②易損耗等。
放電加工用石墨電極廠家都生產(chǎn)從低價格的粗加工用產(chǎn)品到精加工用的不同等級的產(chǎn)品。最近，市場上出現(xiàn)了和傳統(tǒng)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(biāo)，其開發(fā)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(jié)合強(qiáng)度高→瀝青骨料高效合理利用→調(diào)整制造參數(shù)，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(chǎn)技術(shù)水平。
目前情況下，切削加工在金屬模具的深部及細(xì)部加工上還顯得有些束手無策。因為現(xiàn)有刀具的形狀和強(qiáng)度很難達(dá)到深部及細(xì)部加工的要求。因此，開發(fā)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(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)石墨材料與等靜壓石墨材料的顯微結(jié)構(gòu)。
1.4 有色金屬連鑄用石墨結(jié)晶器
由于可以實(shí)現(xiàn)鑄造工序的簡化、產(chǎn)品合格率的提高以及產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)的均勻化等優(yōu)點(diǎn)，用連鑄連軋方式生產(chǎn)有色金屬板、管、棒等已經(jīng)非常普遍。目前，生產(chǎn)大規(guī)格的純銅、青銅、黃銅、白銅主要采取連鑄的方法。其中，對產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要影響的結(jié)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(dǎo)、熱穩(wěn)定、自潤滑、抗浸潤及化學(xué)惰性等方面具有良好的性能，使之成為制作結(jié)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(zhì)合金的燒結(jié)模具，光纖拉絲機(jī)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(jī)械密封部件、活塞環(huán)、軸承、火箭噴嘴等。
2 等靜壓石墨的市場概況
2.1 國內(nèi)市場等靜壓石墨的需求量
目前，中國只能生產(chǎn)低品質(zhì)的等靜壓石墨，高品質(zhì)等靜壓石墨完全依賴進(jìn)口。其中，80%來自日本，20%來自歐美。國外進(jìn)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(nèi)等靜壓石墨的市場需求量。
3.2 國內(nèi)市場等靜壓石墨的供應(yīng)量
由于國內(nèi)眾多炭素企業(yè)看到等靜壓石墨依賴進(jìn)口的局面。近幾年來，掀起了一股研制和生產(chǎn)等靜壓石墨的熱潮，國產(chǎn)等靜壓石墨的供應(yīng)量將不斷增加，但近幾年仍然以進(jìn)口為主。目前國內(nèi)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(chǎn)能過剩惡性競爭局面，所以應(yīng)該把精力放在高端等靜壓制品上面，向國外先進(jìn)水平看齊。表3 為2006 年以來國內(nèi)等靜壓石墨的市場供應(yīng)量。
3 結(jié)語
在當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中，石墨已經(jīng)成為一種必不可少的關(guān)鍵材料，特別是在太陽能工業(yè)、LED 工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)和核工業(yè)方面，石墨的需求量在急劇增加，質(zhì)量要求也越來越高。等靜壓石墨的質(zhì)量水平、生產(chǎn)規(guī)模已成為衡量一個國家總體工業(yè)水平的標(biāo)桿。開發(fā)我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高品質(zhì)等靜壓石墨產(chǎn)品，已經(jīng)迫在眉睫。
