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等静压石墨的主要应用领域和市场前景分析

发表时间:2018-11-19 人气:1295
1 等静压石墨的主要用途
1. 1 直拉单晶硅热场和多晶硅铸锭炉用加热器
在直拉单晶硅热场中,等静压石墨部件有坩埚、加热器、电极、隔热遮蔽板、籽晶夹持器、旋转坩埚用的底座、各种圆板、热反射板等约30 种。其中,80%的等静压石墨用于制造坩埚和加热器等。
近年来,对单晶硅棒的直径要求越来越大,300mm 晶片的生产日益成为主流。与此相应,单晶炉加热区的直径大多为800 mm,炉内的石墨坩埚为了保护放置其中的石英坩埚,直径达到了860 mm,加热器直径约960 ~1000 mm,其他部件的直径有的最大达到了1500 mm。
从2003 年开始,人们对地球居住环境的保护意识逐渐增强,人们越来越青睐不排放二氧化碳的自然能源。在这种趋势下,太阳能电池的生产急增。在太阳能电池多晶硅片的制造过程中,首先要将多晶硅碎块熔铸成多晶硅方锭。其中铸锭炉的加热器需要用等静压石墨来制作。
1. 2 原子能工业
近年来,全球气候变暖。人们认为化石燃料的使用所产生的二氧化碳正是导致这个问题的主要原因。最近几年,虽然发展中国家的经济成长取得了举世瞩目的成果,但是电力不足的问题却深深地困扰着这些国家。在这样的情况下,人们的眼光转向了能流密度远远高于太阳能电池和风力发电,且不排放二氧化碳和硫氧化物的原子能发电。
目前,全世界已投入使用的核反应堆大都以轻水反应堆为主。这种堆型的工作原理是利用核裂解时产生的热能将冷水气化为300 ℃的水蒸气,推动涡轮机发电。但是,因水堆温度较低,轻水反应堆的发电效率不是太高。
与此相比,高温气冷堆却没有这样的问题。它以惰性气体(氦气) 为冷却剂,不仅堆芯出口温度可达近1 000 ℃,发电效率高,还适合制造氢气。可以说是电力供给和环境保护两不误。石墨适合作为这种高温气冷堆的堆芯材料,因为石墨不但耐高温,而且吸收中子少,传热性好。
核聚变的燃料及材料资源几乎取之不尽,反应时释放的能量也非常巨大。要使核聚变长期进行,就必须将等离子体维持在一定的温度状态。石墨正是核聚变等离子体维持不可或缺的重要材料。
1.2.1`核裂变堆(高温气冷堆)
石墨是中子的慢化剂和优良的反射剂。其自身的许多优良特性,确立了它在核工业领域中的地位。石墨不但能够满足工业量产的需求,而且还具备了结构材料所要求的高机械强度和耐高温的特点,因此石墨适合作为高温气冷堆的结构材料。
石墨用作慢化剂及反射剂的性质要求
(1)一般特性要求
对石墨的性质要求随核反应堆的类型及设计构造不同而有所变化。核反应堆所需要的石墨材料均为大型材料。此外,大量生产时,要求石墨材料不仅品质稳定,纯度高,而且要耐腐蚀,强度高。
(2)核石墨的特性及纯度
慢化剂用于核裂变反应堆,使核裂变产生的快中子减速为热中子,提高中子和235U 原子核碰撞的机会,从而提高裂变反应的几率。所以,要求慢化剂对中子有较大的散射截面和较小的吸收面。石墨对中子的慢化能力和反射能力仅次于重水,是除重水外最好的慢化剂。因此,它是高温气冷堆唯一可使用的结构材料。
(3)辐照损伤引起的物理变化
堆芯及周围所用的石墨,在辐照状态下会产生变形,热导率降低,弹性模量增大,发生辐照蠕变等。因此,用于慢化剂的石墨必须对辐照蠕变及变形所产生的辐照应力有很强的耐受力。
石墨材料在高温气冷堆的使用现状及今后的课题
高温气冷堆非常安全这一特征,使人们提出了模块化高温气冷堆的设计理念。下一代超高温核反应堆( UHTR),朝着高功率密度、高温化方向迈进。技术上的这些发展进步,对新一代石墨材料的特性提出了更高的要求,比如,更高的辐照损伤耐受力,产品均质化,物美价廉,长期供货等。美国在下一代核反应堆( NGNP) 研发计划中,把日本东洋炭素的IG - 430 和罗兰石墨美国分公司的2020 两种牌号的等静压石墨作为备选的堆芯材料进行研究。这2种石墨的性能指标见表1。
1.2.2  核聚变反应堆
石墨用于核聚变反应堆的等离子体面对材料,很大程度上减少了等离子体中的金属杂质,并表现出良好的导热性,因此极大地提高了等离子体的能量约束特性。现在大型的核聚变反应堆JT-60U 和JET的内壁几乎都包覆了石墨。
2007 年10 月,国际原子能机构发起由7个国家(日本、EU、俄罗斯、美国、中国、韩国、印度) 联手执行的国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划。这个计划预计于2016 年在法国卡达拉什完成。
随着核聚变装置逐渐大型化,为了生成高温等离子体,导热性好、机械强度高的石墨材料被用做面对等离子体的第一壁材料,且表现出了良好的放电脉冲效果。此外,即使它们混入等离子体中,因原子序数低,引起的辐照损失小,所以能使高温等离子体保持稳定。但是,氢的同位素入射会导致石墨材料生成CH4 气体的消耗性化学飞溅现象以及辐射增强升华损耗现象(辐射增强升华是指等离子体粒子处于辐照环境下,即使当前温度未达到石墨的正常热升华温度,石墨材料也会升华损耗的现象)。因此,采用石墨材料做等离子体的面对材料时,必须注意石墨的使用条件,特别是温度。
1.2.3 其他核石墨(反应控制材料)
不管核反应堆中的核分裂物质是否增减,核反应堆必须设置控制棒以及时补偿和调节原子反应堆中的中子数。高温气冷堆使用碳与B4C 结合制成的圆柱体为控制棒。这要求石墨材料在所使用的温度环境中必须保持稳定,而且能耐中子辐照。
总之,世界原子能工业正经历着各种各样的发展变化。在高温气冷堆领域,南非和中国的商用高温气冷堆正在推进中。在核聚变反应堆领域,有实验反应堆。国际热核聚变实验反应堆( ITER)计划开展的同时,日本的JT-60 装置改造也在先期进行中。
1. 3 放电加工电极
主要以石墨或铜为电极的放电加工被广泛用于金属模具等加工领域。对放电加工用石墨的形状加工前工序要求: ①工具消耗少; ②加工速度快; ③加工面粗糙度好; ④无尖端突起等。放电加工工序要求: ①放电加工速度快; ②电极长度消耗少; ③电极角损耗少; 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。
放电加工用石墨电极与铜电极相比,有如下优点: ①比铜轻,易搬运,同形状下,只有铜重量的1 /5; ②易加工; ③切削加工不易产生应力及热变形;④熔点在3 000 ℃以上,热膨胀系数小,石墨电极很少因放电加工产生的热量而变形。但是,石墨电极也存在一些缺点,如①切削加工时易产生粉尘; ②易损耗等。
放电加工用石墨电极厂家都生产从低价格的粗加工用产品到精加工用的不同等级的产品。最近,市场上出现了和传统概念不相同的超微粒子放电加工用石墨电极。这种电极以降低石墨消耗为目标,其开发思路简单来说就是: 电极消耗少→放电加工时从电极上脱落的石墨颗粒少→微粒子→颗粒间的结合强度高→沥青骨料高效合理利用→调整制造参数,降低次品率及制造成本。至于超微粒子放电加工用石墨电极能否市场化,还要取决于石墨电极厂家的生产技术水平。
目前情况下,切削加工在金属模具的深部及细部加工上还显得有些束手无策。因为现有刀具的形状和强度很难达到深部及细部加工的要求。因此,开发了用于精加工的精密放电用石墨电极,以期充分利用石墨电极的诸多优点,这种石墨电极是用等静压石墨加工而成的。图1 比较了传统石墨材料与等静压石墨材料的显微结构。
1.4  有色金属连铸用石墨结晶器
由于可以实现铸造工序的简化、产品合格率的提高以及产品组织结构的均匀化等优点,用连铸连轧方式生产有色金属板、管、棒等已经非常普遍。目前,生产大规格的纯铜、青铜、黄铜、白铜主要采取连铸的方法。其中,对产品质量起着至关重要影响的结晶器就是用等静压石墨材料制成的。由于等静压石墨材料在热传导、热稳定、自润滑、抗浸润及化学惰性等方面具有良好的性能,使之成为制作结晶器不可替代的材料。
1.5 其他用途
等静压石墨还用于制作金刚石工具和硬质合金的烧结模具,光纤拉丝机的热场部件(加热器、保温筒等),真空热处理炉的热场部件(加热器、承载框等),以及精密石墨热交换器、机械密封部件、活塞环、轴承、火箭喷嘴等。
2 等静压石墨的市场概况
2.1 国内市场等静压石墨的需求量
目前,中国只能生产低品质的等静压石墨,高品质等静压石墨完全依赖进口。其中,80%来自日本,20%来自欧美。国外进口的等静压石墨坯料,售价在人民币15 ~ 100 万元/ t 不等,极大部分在人民币15 ~ 25 万元/ t。表2 列出了2006 年以来国内等静压石墨的市场需求量。
3.2 国内市场等静压石墨的供应量

由于国内众多炭素企业看到等静压石墨依赖进口的局面。近几年来,掀起了一股研制和生产等静压石墨的热潮,国产等静压石墨的供应量将不断增加,但近几年仍然以进口为主。目前国内市场集中在低端等静压石墨制品,而且有一哄而上的局面,和中国大量上多晶硅项目非常相似,极有可能造成产能过剩恶性竞争局面,所以应该把精力放在高端等静压制品上面,向国外先进水平看齐。表3 为2006 年以来国内等静压石墨的市场供应量。

3  结语
在当今的工业生产中,石墨已经成为一种必不可少的关键材料,特别是在太阳能工业、LED 工业、半导体工业和核工业方面,石墨的需求量在急剧增加,质量要求也越来越高。等静压石墨的质量水平、生产规模已成为衡量一个国家总体工业水平的标杆。开发我国具有自主知识产权的高品质等静压石墨产品,已经迫在眉睫。

此文关键词:等静压石墨、核石墨

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