特种石墨的分类与生产技术简介

特种石墨的分类与生产技术简介

许汉春

摘要：特种石墨具备高强度、耐高温、耐辐照，以及易于加工等技术优势，在光伏、半导体、核能等领域，是能够发挥关键性作用的应用材料。基于多元化角度做好针对特种石墨的分类技术工作环节，且运用科学恰当的生产技术方法，能够确保实际获取的特种石墨具备良好质量和技术性能，发挥基于各个具体领域的良好应用效果。文章将会围绕特种石墨的分类与生产技术，进行简要介绍。

关键词：特种石墨；光伏石墨；半导体石墨；核石墨

Introduction to the classification and production technology of special Graphite

Xu Han-chun

Abstract:Special graphite have technical advantages such as high strength, high temperature resistance, radiation resistance, and easy processing. They are Applied Materials that can play a key role in photovoltaic, semiconductor, nuclear energy and other fields. Based on a persified perspective, the classification technology work for special graphite materials can be carried out well, and scientific and appropriate production technology methods can be applied to ensure that the actual obtained special graphite materials have good quality and technical performance, leveraging the good application results based on various specific fields. The article will briefly introduce the classification and production technology of special graphite materials.

Keywords:Special graphite materials; Photovoltaic graphite; Semiconductor graphite;Nuclear graphite

0  引言

特种石墨在光伏、半导体以及核能等多个行业领域均已得到广泛运用，是现阶段最具发展前景和应用价值的先进材料之一。特种石墨在国外的发展时间早，相关技术的总体发展水平先进，而我国针对该材料的研起步较晚，虽然多年的研究发展在部分领域实现进口替代，但针对石墨材料生产制备技术的研究仍比较薄弱。鉴于此种情况，开发具备完全自主知识产权的特种石墨材料生产制备技术方法，具备着极其深远且不容忽视的现实意义。

1特种石墨材料的分类

特种石墨材料的覆盖范围极其广泛，在光伏、半导体以及核能等领域根据理解认知和具体运用的分类处理方法存在显著差异。特种石墨通常指的是强度相对较高、物质密度相对较高，以及生产制备纯度相对较高的石墨材料（即三高石墨材料）。从材料的组织结构特征角度，通常可划分成粗颗粒、细颗粒以及超细颗粒结构特种石墨；从生产制备过程中具体运用的成型技术方法，通常可划分成模压成型、挤压成型，振动成型以及等静压成型特种石墨；其中等静压成型技术方法通常用来制备具备高各向同性技术特征的特种石墨。

遵照实际发挥的使用功能以及应用领域，通常可划分成光伏领域的单晶硅炉设备使用的高纯度特种石墨材料；半导体领域的电子元器件高温处理用的高纯度特种石墨材料；核工程领域的用于减速、反射的核石墨材料；电火花加工技术领域使用的特种石墨材料；模具铸造生产技术领域使用的特种石墨材料；钢铁材料、金属铜材料或者是金属铝材料连续性铸造生产技术领域运用的特种石墨材料；贵重金属冶炼生产过程中使用的高纯度特种石墨材料；人造金刚石产品合成生产制造过程中运用的特种石墨材料等。

1.1光伏领域用石墨材料

在光伏领域，特种石墨主要应用在单晶硅生长炉用石墨热场相关部件，单晶硅生长炉是光伏级单晶硅片的核心生产设备。光伏级单晶炉设备对应的热系统，通常指的是为了实现硅料熔化处理效果，并且控制维持在特定温度条件下推进开展单晶生长过程的完整技术系统。在直拉单晶硅热场内部，与高纯度特种石墨材料相关的部件主要包含坩埚、加热器、电极、隔热遮蔽板、籽晶夹持器、旋转场用底座、各种圆板、热反射板等约30余种。在上述高纯度特种石墨材料制品中，加热器是热系统中包含的最为重要的部件，是直接发热体，其温度最高时达到1600℃以上

[1]。

随着石墨材料在直拉单晶中的应用越来越广泛，石墨材料的发展可以促使直拉单晶工艺得到改善，有利于进一步降低直拉单晶的生产成本和提高直拉单晶的生产效率。

1.2半导体石墨

半导体领域使用的特种石墨材料，主要指的是在电子元器件高温处理过程中使用的高纯度特种石墨材料，其能凭借耐高温技术性能，以及表现良好的物理性能，支持围绕各类电子元器件开展的高温加工处理过程顺利获取良好效果，确保电子元器件在经历高温加工处理后发挥最佳技术应用效果。

应用在半导体行业领域的特种石墨材料，其能够耐受的最高温度在4000℃以上，能够在围绕电子元器件推进开展高温处理技术环节过程中，持续保持石墨材料本身的性能稳定状态（硬度、延展度等），保护电子元器件生产制造技术活动开展过程中需要使用的各类其他材料，确保围绕电子元器件开展的生产加工技术过程顺利获取良好效果。

基于电子元器件高温加工处理过程中对特种石墨材料进行运用，还能为实际生产加工获取的电子元器件全面优质发挥各项使用功能创造支持条件。

1.3核石墨

特种石墨材料是建造形成核反应堆过程中需要使用的减速技术材料和反射技术材料，在早期发展阶段，绝大多数反应堆均属于石墨堆（主要促使铀235转变成钚239）。作为结构技术材料得到使用的核反应堆特种石墨材料基于生产制造原材料选取层面、工艺流程控制层面，以及成品检验层面均比石墨电极材料更加严苛，且其实际生产制备成本也相对处在更高水平。核反应堆用石墨必须对慢中子吸收量小、高温强度好、抗热震性高、对快中子减速性能好、在辐照下尺寸稳定、杂质含量极少。除此之外，基于核能发电行业领域运用的特种石墨材料，必须具备相对较大的体积密度。

用于发电生产的核反应堆通常是不需要使用特种石墨材料的压水堆，但有研究人员指出高温气冷堆具备充足发展前景，高温气冷堆需要使用数量较多的特种石墨材料。在高温气冷堆内部，由于使用氦气充当冷却剂，用炭素及陶瓷材料作为燃料的包覆材料，用石墨或炭质材料作为减速材料和堆芯结构材料，能够将接近1000℃的高温气体导出反应堆外作为能源使用[2]。

1.4电火花加工用石墨

电火花加工技术工艺是我国工业产品生产制造行业领域需要运用的典型加工技术工艺之一。在电火花加工技术工艺具体运用过程中，通常能够支持完成围绕种类多样的，具备较大硬度的金属材料的加工处理技术过程，同时还能支持加工处理具备复杂化几何形状和相对较高精度控制要求的机械设备零部件。在如上所述的加工技术活动推进开展过程中，充当阳极工具电极不仅可以选择使用金属铜材料，还可以选择使用特种石墨材料。

在电火花加工技术工艺具体运用过程中，充当工具电极的特种石墨材料应当同时契合满足如下所述的技术约束条件：（1）结构较为致密，内部组织分布状态较为均匀，且不具备粗颗粒料或者是尺寸相对较大的气孔结构；（2）具备相对处在较高水平的机械强度，同时具备表现良好的加工处理技术性能，能够支持加工形成复杂化几何形状，或者是高精度锐角形状和薄片形状；（3）对于运用特种石墨材料加工获取的工具电极而言，其基于电火花加工技术活动开展过程中尽管会发生某种程度的损耗变化，但是实际发生的损耗程度应当尽量被控制到最低水平；（4）放电技术特性表现稳定，能够支持确保加工技术活动过程快速推进。

1.5模具石墨材料

运用特种石墨材料生产制备获取的模具能够在较长时间之内被连续多次重复使用，完成脱模环节的铸造产品通常具备较高水平的光洁程度，部分甚至在不需要接受后续加工处理技术环节条件下直接投入使用。

在开展铸造模具生产制备技术活动过程中，实际使用的特种石墨材料，通常应当具备较为致密的质地，相对较小的热膨胀系数，以及表现状态良好的抗氧化技术性能。在推进开展针对尺寸较大的工业应用产品的铸造生产技术活动过程中，通常可以选择运用具备粗颗粒结构的特种石墨材料；但是在推进开展针对尺寸较小且精密程度较高的工业应用产品的铸造生产技术活动过程中，则必须选择使用具备细颗粒结构的特种石墨材料。

2特种石墨材料的生产技术方法

2.1 精心选择生产原材料

生产制备灰分含量处在较低水平或者是具备较高纯度的特种石墨材料，应当优先选择使用杂质元素物质含量较低的石油焦作为原材料。在石墨化技术环节推进开展过程中，尽管绝大多数杂质元素物质在介于2600.00-3000.00℃[3]的温度环境中能够被去除，但是做好生产原材料的精心选择环节，对确保特种石墨材料展现出最佳生产质量却也发挥着关键性制约作用。遵照现有技术标准，石油焦材料的灰分通常应当被严格控制在0.10%之下，煤沥青材料的灰分通常应当被严格控制在0.30%之下。在生产制备基于核工业领域（包含核能发电技术领域）运用的特种石墨材料过程中，通常对原材料的含硼量技术参数项目具备严格要求，比如石油焦材料的含硼量技术参数项目应当被控制在0.30×10-7之下，煤沥青材料的含硼量技术参数项目应当被控制在1.00×10

-7之下。在生产制造具备各向同性技术特点的特种石墨材料过程中，通常需要使用沥青焦材料或者是天然沥青焦材料，在浸渍剂物质方面可以考虑选择使用酚醛树脂材料或者是糠醛树脂材料。

2.2 磨粉环节、筛分环节和配料环节

生产获取具备细颗粒结构特征的三高石墨材料，多数情形下需要选择使用-0.075mm的粉末状原材料，少数情形下选择使用-0.042mm甚或者是-0.037mm的微细粉末状原材料；生产获取具备超细颗粒结构特征的特种石墨材料，则实际运用的粉末状原材料的粒度应当＜0.02mm，由此可以知晓，在煅后焦材料获取过程中，需要结合使用气流粉碎机技术设备或者是其他种类的能够支持开展超细颗粒材料生产技术过程的磨粉加工技术设备，围绕细粉末状材料推进开展的分级处理环节通常需要面对较大的技术困难，如果必须开展分级处理技术环节，则需要使用特殊技术方法与相关设备。

对于需要经历挤压成型加工技术过程的产品而言，其配方中包含的焦炭材料颗粒度，与产品本身截面面积的大小尺寸之间具备正比例关系，且截面面积愈大，则实际需要的大颗粒数量就愈多，而在模压成型技术环节推进过程中，焦炭材料实际具备的最大颗粒，与实际获取产品的截面面积大小则不具备明显关联性。

在特种石墨材料生产制造活动开展过程中，各类原材料的数量配比结构，通常是相关企业组织需要保守的机密内容，但是其实际确定过程需要严格依赖运用相关技术人员具备的实践经验，且要遵从实际运用的生产加工技术工艺类型作出针对性的安排与调整。

2.3 混捏环节与成型环节

混捏技术环节通常需要运用双轴搅拌混捏锅设备，部分情形下需要运用加压混捏机设备。在生产制备涉及数量较多的微细粉末状原材料的特种石墨材料过程中，针对糊料推进开展的混捏处理技术环节通常较难获取最佳效果，客观上应当结合运用加压混捏机技术设备，支持确保实际获取的混捏处理质量得到显著改善。

在生产制备三高石墨材料过程中，主要选择使用挤压成型技术工艺、模压成型技术工艺，以及等静压成型技术工艺。

2.4 焙烧

对于在体积密度方面要求较为严苛的特种石墨材料而言，对其开展焙烧处理过程中极易形成裂纹废品，客观上应当选择运用速度较为缓慢的升温曲线；通常可以运用耐热钢板材料制作成方形或者是圆形容器完成焙烧处理过程，将生坯放在容器中，加入填充料完成隔离环节与覆盖环节，继而再将其装载到焙烧炉设备中。

2.5 浸渍

在浸渍环节开展过程中，需要把握的重点方面在于浸渍程度的充分性，要指向高密度特种石墨材料制品连续推进开展1-2次的浸渍处理环节，在每次浸渍处理环节结束后推进开展焙烧处理环节；要正确选择确定浸渍剂物质的软化点（与浸渍剂物质的粘度具备相关性），要采取措施控制好焙烧品在浸渍处理前的预热温度技术参数，以及浸渍罐设备的温度技术参数、压力技术参数、真空度技术参数，以及加压时间技术参数等技术参数项目，从而获取到最优化的浸渍处理技术效果。

2.6 石墨化

要将尺寸较大的三高石墨材料直接盛装到石墨化炉设备中；对电阻率要求不严格的产品可以少通一点电，对电阻率要求高的产品则要通电到符合产品质量指标。

生产制备具备较高纯度的特种石墨材料，通常需要在石墨化环节的后期时间阶段通入适当数量的经历过纯化处理环节的气体物质，且针对纯化气体物质的通入技术环节通常需要在炉温被提升到1800℃之后才能实施，要先通入适当数量的氮气物质（主要目的在于将其他种类的杂质气体物质驱散），而在炉温提升到1950℃左右条件下，通入氯气物质，在炉温提升到2350℃左右条件下[4]，将氟利昂物质通入，此时还要持续通入氯气物质，且在相关技术设备转变到停止通电技术状态之后，还要保持持续时间若干小时的氯气物质与氟利昂物质通气状态，在此基础上控制规避已经发生汽化过程杂质物质沿着相反方向向炉芯完成扩散过程。

3结论

综合梳理现有研究成果可以知晓，特种石墨材料具备优良技术性能和广泛应用价值。对特种石墨材料展开分类工作，能帮助有关人员清晰认识特种石墨材料的多样化使用功能，支持发挥特种石墨材料的最佳价值。择取适当方法做好针对特种石墨材料的生产制备技术活动，规范做好针对各项细节的控制工作和质量管理工作（具体涉及生产原材料选择环节、磨粉环节、筛分环节、配料环节、混捏环节、成型环节、焙烧环节、浸渍环节、石墨化环节），能确保实际获取的特种石墨材料具备优良技术性能，发挥最佳使用价值。本文能够为特种石墨材料使用者提供基于技术经验层面的参考价值，能支持相关行业的优质稳定发展进程。

参考文献：

[1] 石何武,汤传斌.石墨材料的生产及在光伏行业中的应用[C]//中国电子材料行业协会.2012·半导体、光伏产业用碳—石墨技术及市场研讨会论文集.[出版者不详],2012:96-106.

[2] 李圣华.特种石墨的分类、市场和生产[J].炭素技术,2007(02):45-50.

[3] 李圣华.特种石墨的分类、市场和生产(续)[J].炭素技术,2007(03):54-56.

[4] 申保金,李晓祥,汪伟等.特种石墨生产关键技术研究[J].现代矿业,2022,38(08):195-197+201.