成都炭素 苏启晖
摘要：以冷等静压成型技术生产的等静压石墨是新型石墨材料，由于等静压石墨具有一系列优良特性，它必然会与高新技术、国防尖端技术紧密相联，成为21世纪最有价值的新材料之一，随科技进步与经济发展，静压石墨的国内国际市场容量与日俱增，发展潜力巨大，正因如此，一些以生产模压石墨为主的炭素生产企业陆续上等静压设备，目前国内正兴起等静压石墨生产热。本文涉及的要点有：等静压石墨材料生产的特点，材料特性，用途以及研制现状和发展趋势。
一、关于等静压的几个概念
1、等静压与等静压成型：
等静压：是指在各个方向上对经过密封的物料同时施加相等的压力状态；
等静压成型：是将待压物料经过密封后置于高压容器中，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对物料进行均匀加压，当液体介质通过压力泵注入压力容器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向，因此高压容器中的粉料在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。采用上述方法使粉料致密成坯体的方法称为等静压成型。等静压成型按成型时温度划分，还可分成冷等静压、温等静压和热等静压，等静压石墨的生产大多采用冷等静压，只有极少数采用热等静压生产工艺。如：神州6号逃逸装置上的石墨材料就是采用热等静压技术生产的，价值高达2万元/kg,民用等静压石墨材料一般采用冷等静压技术生产。
2、等静压石墨：等静压石墨是指采用等静压成型方式生产的石墨材料。等静压石墨由于成型过程中通过液体压强均匀不变施压，制得的石墨材料性质优异，具有：成型规格大；坯料组织结构均匀；密度高，强度高；各向同性（特性与尺寸、形状、取样方向无关）等优点，因此等静压石墨也称为“各向同性”石墨。各向同性石墨的定义：是机械性能、电气性能和热性能等静态特性具有各向同性，异向比为1～1.1的人造石墨。
二、等静压石墨的特点
1、等静压石墨生产特点
① 液体加压，成型压力高，可以压制大尺寸制品
压制粉料用橡胶或塑料隔离，密封后放置于液体中加压，制品表面在均匀受压的条件下均匀收缩，生坯密度大。成型大，压力可达160～200Mpa,压缩强度高，因此，可压制大规格制品。
② 由于可选择保压时间以及控制泄压速度，释放压力后制品弹性后效小，使压制超细结构产品成为现实，而不会因弹性后效太大出现冷模压出现的制品因弹性后效大而压型坯开裂现象。
③ 可以压制异形制品：
可改变模具形状直接压制成异形坯，国外炭素生产企业，如：日本东海、日本揖斐电等公司已将该工艺方法用于等静压石墨生产，并取得较好效果，国内企业目前尚处于试制阶段。
2、等静压石墨材料的特点
等静压石墨生产的特点决定了等静压石墨材料具有以下的特点： 各向同性好，特性与尺寸、形状、取样方向无关；材料组织结构致密，制品表面硬度高、机械强度高；材料抗热震性能好，在急冷急热工况条件下不易开裂； 耐高温，比用其他方式生产的石墨材料抗氧化性能强。
三、等静压石墨的应用领域（用途）
等静压石墨材料主要应用于：电子及太阳能光伏产业、机械制造、石油化工、金属连铸、硬质合金、玻璃制造、生物医疗、航空航天、以及核能事业、军事工业等行业和领域等。用途广泛，应用领域还处于不断拓展之中，等静压石墨材料是21世纪最有价值的新材料之一。
四、国外等静压石墨生产厂家
1、美国：美国是世界上最早从事各向同性石墨研究和生产的国家，目前，在美国生产经营各向同性石墨的主要企业有：
步高（POCO）石墨公司、尤卡炭素公司、大湖炭素公司、斯塔克浦尔炭素公司、圣玛利工厂（圣玛利工厂已被法国罗兰炭素公司兼并），其中步高石墨公司是世界最早突破等静压成型技术难关，以多品种电火花加工用石墨，能平均颗粒度为1μm超细结构等静压石墨而驰名于世；尤卡炭素、大湖炭素公司、 斯塔克浦尔炭素公司产品在国际上享有盛名，中国市场相对较少。
2、德国：德国西格里碳素集团（收购了林斯道夫炭素后更名为“西格里集团（SGL）”）和逊克炭素公司是德国从事等静压（各向同性）石墨开发和生产的主要企业。西格里集团产品，除等静压石墨外，还有挤压成型、模压成型制品，产品广泛用于光伏产业、电火花加工、金属连铸等众多行业，产品涉及行业及领域最广，在中国市场影响力很大。
3、法国：法国罗兰炭素公司在国际上居领先地位的是石墨换热器产品，其基体也是采用等静压石墨材料。收购美国圣玛利工厂后等静压石墨材料应用方面取得较出色的拓展。2000年前后在中国寻求合作伙伴，最后在重庆成立重庆罗兰特种石墨有限公司，该公司于2007年10月投产， 产能为4000吨/年，其产品计划70%出口，30%销售于中国市场。重庆罗兰特种石墨有限公司没有建压粉制作工序，而采用从国外直接运压粉在重庆厂成型方法，（主要是为了保密）。由于该厂一期工程中未建浸渍工序，成型坯料经一次焙烧后直接进行石墨化加工，所以与该公司产品密度和强度上难以达到先进水平，但不经过浸渍再焙烧的一焙品直接经石墨化工序加工后其体积密度就能达到1.76g/cm3 左右的技术，值得国内等静压石墨生产企业学习研究。
4、俄罗斯、波兰：两个国家等静压石墨研制水平相当，后者研制时间大约晚了20年，由于投入不足，产品质量水平，远落在：美、德、法、日以及中国等国后面，尚处于研制完善阶段。
5、日本：日本很重视等静压石墨研制。 目前，日本等静压石墨在产量、质量、品种、规格以及拓展应方面均达到了世界先进水平，主要表现在：从事等静压石墨研制的企业最多： 东洋炭素有限公司、东洋碳（卡朋）公司（1992年已被东海炭素有限公司兼并）、东海碳素有限公司、新日本科技炭素有限公司、揖斐川电气工业有限公司、东北协和炭素有限公司、东芝陶瓷公司、日立化成工业有限公司和昭和电极公司等。产品品种最多：等静压墨品种超过100种；产品规格最大：这几家公司都具备了生产Φ1000mm或超过Φ1000mm能力。应用领域最广：日本的等静压石墨不仅应用于半导体、太阳能、冶金、机械加工、原子能等工业，还推广应用到生物工程与电机制造等领域。总产量最高： 1995年～1996年统计日本年生产等静压石墨能力约为1.3万吨。2008年日本各公司等静压石墨材料总产能达3万吨/年左右，增长速度迅猛。
五、国内等静压石墨情况
1、国内等静压石墨（各向同性石墨）研制情况
60年代初我国开始了等静压技术的研究， 对碳、石墨等多种粉末进行了试制研究工作。
60年代中期，用国产以及从国外引进了小型冷等静压机，实验使用领域进一步扩大，试制工作主要在科研院所进行，没形成批量生产能力。70年代末和80年代中国的炭素生产企业：吉林炭素厂、东新电碳厂、哈尔滨电碳厂、上海碳素厂分别添置了冷等静压机用于炭素材料试制，成为国内最先尝试生产等静压石墨的首批企业。 西安43所和北京703所为国防军工企业，具备冷等静压机外还配置了热等静压机，所研制石墨材料主要应用于与航天、航空等国防有关的领域，未参与大规格高纯、高密、高强石墨材料研制，仅在理论上进行过一些探讨，未介入市场的竞争。
2、国内主要的等静压石墨材料生产企业
据初步统计，目前国内涉及等静压石墨研制和生产的企业约有：
能自主生产的企业（9家）： 成都炭素有限责任公司；方大炭素新材料科技股份有限公司；四川林凤控股股份有限公司；哈尔滨电碳有限责任公司；中钢集团吉林炭素有限责任公司；中钢集团上海碳素厂；河南省特种热工炉材有限公司 ；平顶山天宝碳素制造有限公司；汶川科信电碳有限责任公司；（汶川科信电碳有限责任公司仅有石墨化工序其他工序均为租赁设备生产）； 以上9家公司中，以成都炭素有限责任公司产品产量和规格品种最多，成都炭素1994年安装由川西机器厂制造，型号为LDJ83-1250 冷等静压机，其工作缸规格为830×1250mm，工作压力为200MPa。同年进行等静压石墨材料研发工作。产品定位为：大规格、细结构各向同性等静压石墨材料，产品面向电子、冶金、机械制造、化工、核能及军工行业。经营方针以生产石墨坯料为主，同时承接少量的非标石墨制品加工业务。通过十来年的生产实践摸索，具备了大批量向国内外市场提供等静压石墨材料和制品的能力。企业围绕光伏产业的特点，根据单晶炉热场的特性，针对性的研究开发了热场用石墨系列产品。用于光伏产业的石墨材料主要通过国内外石墨制品加工企业加工成单晶炉、多晶炉热场套件或部件辐射应用于多晶硅、单晶硅生产行业，其中以单晶硅热场中石墨套件或零部件为主。还研制了核石墨和超细结构用于电火花加工用石墨。主要产品规格有：圆形制品：Φ500×600mm，Φ560×430mm，Φ600×650mm ；方型制品：4002×400mm，4002×500mm,4002×600mm 1000×500×260mm 为了适应日益增长的市场需求，成都炭素新生产线于2008年开建，新增冷等静压机一台，型号为：LDJ83-1250-200YS；工作缸规格Φ1250×3200mm；工作压力为200MPa。新生产线于 2009年3月底投产，具备了生产更大尺寸细结构等静石墨材料的能力。可生产的圆型制品系列以及最大方型制品规格如下： 圆型制品系列：Φ650×650mm，Φ700×690mm，Φ760×700mm,Φ810×700mm,Φ860×700mm，Φ920×700mm最大方型制品：1300×600×600mm 成都炭素经过多年的生产实践，摸索出一套具有完全自主知识产权的等静压石墨材料生产核心技术，所生产石墨材料属国内先进水平：档次最高、规格最多、尺寸最大、产量最大，近几年等静压石墨发展速度迅猛，成为国内最大的等静压石墨制造企业，扩建后总产能为：5000吨/年。
国内主要生产企业等静压石墨技术指标祥见：附表1和附表2。
此外，租设备试制过等静压石墨企业（ 7家）： 宝丰县洁石碳素材料有限公司、青岛西特碳素有限公司、邢台弛宇电碳有限责任公司、河南省巩义碳素股份有限公司、成都市龙泉曙光电碳制品厂、成都中超碳素科技有限公司、宁波杉杉特种炭素材料有限公司；
在建以及筹建等静压石墨的企业（5家，共6台等静压机）：其中：中钢集团上海新型石墨材料有限公司2台；其余公司各1台：辽宁国瑞集团；仕达炭素集团；雅安恒圣高纯石墨科技有限责任公司；河南宝丰县五星石墨有限公司。（其中，河南宝丰县五星石墨有限公司是宝丰县洁石碳素材料有限公司分离出来的新公司）
国内等静压机生产企业拥情况见表1
表1 国内等静压石墨生产企业拥有等静压机情况一览表
厂 家 型 号 工作
压力
MPa 工作缸
直径
mm 工作缸
深度
mm 安装
年份 设计制造单位 备注
四川林凤控股股份有限公司
（原东新电碳厂） TY2-3 360 200 1000 70代末 上海大隆机器厂 闲置
250 800 1600 1986 第二重型机械厂 正常
使用
哈尔滨电碳
研究所 100 400 1500 80年代中期 从北京703所
购入 正常
使用
哈尔滨电碳厂 LDJ800/1600
-200YS 200 800 1600 2006 川西机器厂 调试中
吉林炭素厂 200 500 2280 1978 吉林炭素厂 正常
使用
方大炭素新材料科技股份有限公司研究所 LDJ500/1500
-300YS 300 500 1500 1989 川西机器厂 正常
使用
上海碳素厂 Y73-15000 300 800 2000 1984 上海重型机械厂 正常
使用
成都炭素
有限责任公司
LDJ83-1250
-200YS 200 830 1250 1994 川西机器厂 正常
使用
LDJ1250/3200
-200YS 200 1250 3200 2009 川西机器厂 正常
使用
河南省特种热工炉材有限公司 CDI1250/3200
-200YS 200 1250 3200 2006 德阳迪泰
机械有限公司 试生产
重庆罗兰特种石墨有限公司 LDJ2150/4700
-160YS 160 2150 4700 2006 川西机器厂 正常
使用
平顶山市天宝碳素制造有限公司 LDJ1250/3200
-160YS 200 1250 3200 2009 川西机器厂 试生产
辽宁国瑞集团 LDJ1250/3200
-200YS 200 1250 3200 2010 川西机器厂 在建中
中钢集团
上海新型石墨材料有限公司
（上海碳素厂） LDJ1500/3000
-180YS 200 1500 3000 —— 川西机器厂 在建中
LDJ2150/4700
-160YS 160 2150 4700 —— 川西机器厂 在建中
雅安恒圣高纯石墨科技有限责 CDI1250/3200
-200YS 200 1250 3200 2009 德阳迪泰
机械有限公司 在建中
仕达炭素集团 LDJ1250/3200
-160YS 200 1250 3200 —— 川西机器厂 在建中
河南宝丰县五星石墨有限公司 CDI1250/3200
-200YS 200 1500 3200 —— 德阳迪泰
机械有限公司 筹建中
六、等静压石墨研发方向
国内等静压石墨研发的方向是什么？应成为参与竞争者首先要考虑的课题，笔者认为：等静压石墨材料研制的方向和应用领域的需求发展趋势相一致的，研发品种应与市场需求同步。
1、太阳能电池及半导体晶片用石墨：
光伏产业用石墨材料：由于等静压石墨材料的具备高强、高密、各向同性好，制成的石墨部件在使用过程中受热、加热都较均匀，同时由于材料的密度均匀能够有效的减小材料受急冷急热而产生的内应力（抗热震性能好），故可大大延长设备或器具的使用寿命周期，所以在半导体、太阳能行业中，大量用等静压石墨（各向同性石墨），制作Cz型单晶直拉炉热场石墨部件（坩埚、加热器、导流筒、保温罩等）；多晶硅熔铸炉用加热器、；化合物半导体制造用加热器、坩埚、等部件。等静压石墨属于石墨材料中的精品，具有其他普通石墨不具备的优异性能，是多晶硅、单晶硅制造业热场中耐热材料的首选基础性材料。太阳能光伏发电发展迅猛，近10年来，全球太阳能光伏产业平均年增长率为41.3%虽然2009年经历了经济危机的袭扰，全球太能产业仍然保持了30%以上的增长，哥本哈根气候论坛后，会有更大的发展空间，预计2010年开始全球太阳能市场会有年均50％~60%的恢复性增长，中国作为全球最大的太阳能光伏生产国，其份额达到全球的70%，行业在2009年消耗的高档石墨材料达到5000多吨，预计今后每年的等静压石墨材料的需求量将以平均以25～30%的速度增长，光伏产业中的单晶硅和多晶硅生产对石墨需求量巨大。清洁能源的发展，市场的需求和政策面的支持，是行业发展的最有利条件。大尺寸、高纯度、高密度、高强度、等静压（各向同性）石墨材料是电子和光伏产业发展需要，“十二五期间”将是国内等静压石墨制造企业发展的最好机会。
目前，单晶尺寸向大规格化发展，前几年盛行的18寸炉在2010～2011年中20寸炉迅速取代，并有朝更大规格发展的趋势；多晶硅也朝大型化发展，另外，多晶硅准入细则仍在讨论之中，高端产品是发展方向。光伏产业产品的大型化和高规格化，决定了对石墨有更高的要求，即：更大规格、更高强度、更高纯度；
2、电火花加工（EDM）用石墨
与铜电极比石墨电极的优点： 石墨的比重是铜的1/5，同等体积石墨的重量相对铜要轻5倍。便于制造大型模具；石墨加工速度快，一般比普通金属快3～5倍，可减少刀具的磨损和电极的损耗；石墨熔点高且易不会变形，不用担心因加工温度过高产生变形而使工件受到损坏；石墨在加工完成后一般不必再进行抛光处理。减少了误差和缩短了生产周期。石墨的电火化加工速度快而损耗小，只要配合好合理的加工参数，石墨电极可以做到理论意义上的零损耗，减少电极重复加工的次数。正因石墨材料较铜材料存在上述优点，目前，许多模具厂现正转换为石墨加工,以缩短产品的交货期以增强在市场上的竞争力。欧洲目前的电火化加工用石墨和铜的比例8:2，而中国市场为3:7，随铜价上升以及技术进步，使用石墨的比例将持续增加，因此，我国电火花加工用石墨利用发展空间极大。
“十五”期间模具市场需求很旺，前景很好。在目前模具已成为不少行业发展瓶颈的情况下，如要较好地满足国民经济各部门发展所需，“十五”期间模具的产出每年有15%左右的增长，随机械制造业设备升级换代和制造技术水平的提高，模具产品发展将向精密、大型、复杂、长寿命方向发展，多功能复合模具将进一步发展，因此，要求石墨材料在“规格上大型化，组成粒度上颗粒超细化，使用上抗折能力更强化”。
3、高温气冷堆堆芯结构石墨材料：
“高温气冷堆”是清华大学核能与新能源技术研究院自主研发的具有完全自主知识产权的，处于国际领先水平的第四代核反应堆。高温气冷堆项目已经被国家列为“国家级的重大专项”， 在建设中“华能山东石岛湾核电站（示范堆）”，需要等静压石墨材料数量为1200吨，占示范堆总投资费用的15%。为了中国的核能事业的健康发展，众多国内专家呼吁国内企业参与核石墨研发，国内核石墨材料专家清华大学核能院徐世江教授说：“核石墨是高温气冷堆的关键材料，没有它就没有高温堆。核石墨是防止核扩散的敏感材料，虽然目前可以进口，一旦国际形势发生变化，它的进口随时可能中断。为了独立自主地发展我国的高温气冷堆产业，必须解决核石墨的国产化问题”成都炭素于2009年为清华核能院提供了首批40吨等静压核石墨材料，按期、保质、保量地完成了核石墨材料的供货，产品主要技术指标超过了预期，圆满地完成了核石墨试制任务，在核石墨国产化进程中迈出可喜的一步，核石墨与常规工程用石墨的主要区别有两点，核纯和耐辐照损伤。目前，国内核石墨材料的研制尚缺辐照试验这一环节，这是下一步研制中必须面对过程，除辐照要求外，核石墨在冷态状态下的质量要求是：规格大型化、质量稳定、热稳定性好、热膨胀系数低、核纯（高纯度 50ppm以下）
等静压石墨是新型石墨材料，是石墨材料中的精品，由于具有一系列优良特性，它必然会与高新技术、国防尖端技术紧密相联，成为21世纪最有价值的新材料之一。随科经济发展，静压石墨的国内国际市场容量与日俱增，发展潜力巨大。正因如此，目前国内正兴起一股等静压石墨生产热，一些以生产模压石墨为主的炭素生产企业看中这块“大蛋糕”陆续上等静压设备，挤身等静压石墨生产行列中来，竞争将不可避免进入白热化状态，竞争的对手包括国外同行。
在激烈的市场竞争中，国内等静压石墨生产企业的立足之本和出路是：
将产品升级换代，朝大规格、细结构（超细结构）、高强度、高纯度、多功能方向发展，顺应光伏产业、机械制造、核能利用各行业发展趋势，为中国国民经济的发展更好地服务。
附表1：成都炭素有限责任公司等静压石墨材料技术性能表
指标
牌号 体积
密度
g/cm3 电阻率
μΩ.m 抗压
强度
MPa 抗折
强度
MPa 肖氏
硬度 灰份/纯化
ppm 弹性
模量
GPa 热膨胀系数
×10-6/℃ 平均
粒度
μm
CDI-1A 1.85 11～13 86 40 55 500/50 11.5 4.8 25
CDI-1B 1.80 11～13 80 37 50 500/50 10.0 4.5 25
CDI-2S 1.70 ≯15 55 25 50 700/50 9.5 3.8 25
CDI-3S 1.75 ≯15 65 28 50 700/50 10.5 4.0 25
CDI-4S 1.80 ≯15 70 35 50 700/50 11.5 4.5 25
CDI-5L 1.85 ≯15 86 40 55 700/50 11.5 4.8 25
CDI-6L 1.75 ≯15 65 28 50 700/50 10.5 4.0 25
CDI-7L 1.70 ≯15 55 25 50 700/50 9.5 3.5 25
CDI-8L 1.80 ≯15 80 35 50 700/50 11.5 4.5 25
EDM-I1 1.70 ≯15 60 28 50 1000 9.5 3.2 22
EDM-I2 1.75 ≯15 70 35 55 1000 10.5 4.0 22
EDM-I3 1.80 ≯15 80 37 55 1000 11.5 4.5 25
EDM-I4 1.85 ≯15 88 40 60 1000 12.0 5.0 21
EDM-I5 1.80 ≯15 85 40 60 1000 11.5 5.0 15
EDM-I6 1.85 ≯15 88 42 62 1000 11.5 5.2 15
EDM-I7 1.80 ≯17 88 42 62 1000 11.5 5.2 8
EDM-I8 1.85 ≯17 90 45 65 1000 12.0 5.5 8
