1 等靜壓技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀
　　當(dāng)今商品市場(chǎng)上的炭石墨材料(或稱制品),多數(shù)是采用熱擠壓和模壓(冷的或熱的)成型的.等靜壓是一種新的成型方法.等靜壓的成型方法,系根據(jù)在液體或氣體介質(zhì)中,各方向壓強(qiáng)均等的原理設(shè)計(jì)而成.在生產(chǎn)中,是將待壓制的粉末(或初壓成型產(chǎn)品)裝入軟質(zhì)可塑性包裝袋(如橡膠,鋁皮或塑料)中,密封后,吊入密閉的高壓缸體內(nèi),缸內(nèi)的介質(zhì)可以為液體(油或乳劑)或氣體(氬,氮?dú)?.缸體密閉后,通過外界壓力,壓縮介質(zhì),使產(chǎn)品受壓成型.
　　等靜壓機(jī)目前已有冷等靜壓(常溫下使用),溫等靜壓(介質(zhì)溫度為80～100℃,和熱等靜壓(介質(zhì)溫度為1 000℃以上)三種.
　　據(jù)資料介紹,世界上最早的一臺(tái)等靜壓機(jī)是由瑞典1939年研制成功的.目前仍是等靜壓機(jī)出口國(guó).我國(guó)最早使用的冷,熱等靜壓機(jī),也是從該國(guó)引進(jìn)的.等靜壓機(jī)最早使用在粉末冶金(包括硬質(zhì)合金)和陶瓷工業(yè)上,后來為炭石墨材料行業(yè)所采用.等靜壓機(jī)的關(guān)鍵部件是缸體,通常承受壓力為200M
　　Pa.據(jù)悉,已能制造最高可達(dá)1 050M
　　Pa的缸體.缸體最早是整體澆鑄,目前多數(shù)采用鋼絲予應(yīng)力纏繞而成.隨著產(chǎn)品規(guī)格的大型化,缸體直徑不斷向
　　大型化發(fā)展.目前,日本東洋炭素株式會(huì)社已能批量生產(chǎn)`1 500×2 000mm的等靜壓石墨.據(jù)悉擬開發(fā)直徑2 000mm的產(chǎn)品.
　　據(jù)國(guó)外同行廠家權(quán)威人事介紹,世界上等靜壓石墨的生產(chǎn),主要集中在以下三家, 2002年的各家產(chǎn)量,大致如下:
　　日本東洋炭素株式會(huì)社: 6 000噸 年
　　法國(guó)羅蘭股份有限公司: 4 000噸 年
　　德國(guó)西格里炭素股份公司: 2 500噸 年
　　除此之外,尚有:美國(guó)聯(lián)合炭化物公司,太湖公司,波克公司,尤卡爾公司;日本東海電極,揖斐公司,昭和電工,日立化成;俄羅斯莫斯科電極廠等生產(chǎn)該種產(chǎn)品.我國(guó)在上世紀(jì)70年代開始制造單壓200M
　　Pa,缸體直徑為200mm的等靜壓機(jī); 80年代已能批量生產(chǎn)直徑500mm和800mm的等靜壓機(jī).目前已能生產(chǎn)直徑1
　　250mm,有能力生產(chǎn)直徑為1
　　500mm的等靜壓機(jī).成都蓉光炭素股份有限公司的高純石墨制品廠已能批量生產(chǎn)`500×600mm的等靜壓石墨.并準(zhǔn)備不斷向大型化發(fā)展.
　　
　　等靜壓機(jī)除用于壓制成型以外,用作瀝清浸漬裝置,效果十分明顯.將制品與瀝青裝于密封的金屬鋁皮中,放在熱等靜壓機(jī)內(nèi),采用氣體介質(zhì),升溫,加壓,直到瀝青全部焦化為止.制品將得到最大的浸漬增重.這是因?yàn)椴粌H瀝青能浸入制品的全部氣孔,而且沒有通常設(shè)備中,減壓后瀝青外溢和焙燒時(shí)瀝青外滲現(xiàn)象.

　　2 等靜壓石墨的特性
　　211 各向同性
　　
　　炭石墨制品的成型方法,主要有三種,即:熱擠壓成型,如生產(chǎn)煉鋼用石墨電極;模壓成型(包括震動(dòng)成型)及用于鋁業(yè)炭素和電炭制品;等靜壓成型.盡管成型的方法不同,但其成型的原理是相同的.壓制前的物料,無論是糊料,還是粉末,物料的顆粒排列是無序的,在壓力作用下,粉末顆粒發(fā)生位移和變形,顆粒間的接觸表面因塑性變形而增大,發(fā)生機(jī)械的咬合和交織,使物料被壓實(shí).物料中的炭質(zhì)顆粒,用顯微鏡觀察,可以看到,他們既非圓形,也非方形.屬不規(guī)則形狀.即長(zhǎng),寬比不同.在擠壓和模壓的情況下,受單方向壓力和模具摩擦作用,這些炭質(zhì)顆粒將作有序排列,這便造成最終產(chǎn)品性能上的差異,如電氣,機(jī)械,熱性能等.即垂直于壓力面的方向與水平于壓力面的方向性能不同,人們稱其為:"各向異性".這種"各向異性"對(duì)煉鋼用石墨電極,電機(jī)用電刷來說,是有益,是不可缺少的.他們需要這種特征.而另外許多使用的場(chǎng)合,卻不需要"各向異性",而需要"各向同性".于是出現(xiàn)了等靜壓石墨.等靜壓成型改物料的單方向(或雙方向)受壓為多方向(全方位)受壓,炭素顆粒始終處于無序狀態(tài).從而使最終產(chǎn)品沒有或很少有性能上的差異.方向上的性能比不大于111.人們稱其為:"各向同性".當(dāng)然,為了進(jìn)一步縮小性能上的差異,除關(guān)鍵的等靜壓機(jī)成型外,尚需在炭質(zhì)顆粒結(jié)構(gòu)和工藝上進(jìn)一步調(diào)整.
　　212 體積密度的均一性
　　 
　　為制造細(xì)結(jié)構(gòu),質(zhì)地致密,組織均勻的炭石墨材料,采用粉末壓制(而非糊料)是唯一的方法.而用粉末壓制只有采用模壓方法和等靜壓方法.在采用模壓成型時(shí),無論是單面壓制或雙面壓,受摩擦力(炭質(zhì)顆粒間和制品與模具間)的影響,壓力的傳遞將逐漸降低,從而造成體積密度的不均勻.這種差異,隨制品的高度增加而加大.這種毛坯整體上的密度不均勻,不僅為以后工序——焙燒帶來隱患,亦將造成將毛坯加工成品部件時(shí),帶來單個(gè)產(chǎn)品的性能差異,是十分有害的.采用等靜壓機(jī)成型時(shí),產(chǎn)品各方位受力均勻,體積密度比較均一,且不受產(chǎn)品高度的限制.

　　213 可以制造大規(guī)格制品
　　
　　由于信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,單晶硅的直徑不斷向大直徑方向延伸,已由原來的75～100mm,發(fā)展到150～200mm,而且正向250mm,300mm發(fā)展.需要石墨材料的直徑也隨之增加.此外電火花加工用石墨,連鑄石墨,核反應(yīng)堆用石墨亦需大規(guī)格制品,如當(dāng)今商品市場(chǎng)上已出現(xiàn)1 500×2 000mm的石墨制品.而采用模壓方法是無法完成的.這是因?yàn)樗�受下列制約.

　　21311 壓機(jī)噸位的限制
　　以產(chǎn)品直徑1 500mm為例,假如壓制單位壓力為100M Pa,則壓制的使用壓力將為:1766215t,設(shè)計(jì)的噸位將更高.雖然當(dāng)今制造這樣高噸位的壓機(jī),并不困難,但是假如制品長(zhǎng)度加大,則此壓機(jī)將是一個(gè)龐然大物.造價(jià)亦十分可觀.21312 產(chǎn)品高度的限制據(jù)筆者了解,目前采用雙面壓制模壓產(chǎn)品的高度,也只能在300～400mm之間,假如制品高度為2000mm,在通常情況下,上滑塊與壓機(jī)床面高度與制品高度比是4:1,那么壓機(jī)的空間距離將達(dá)到8000mm.雖然對(duì)壓機(jī)和模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變,有望降低一些高度,但壓機(jī)的設(shè)計(jì)與制造上將遇到很大的困難.更何況如此高的產(chǎn)品,其體積密度上的差異,將十分明顯.甚至造成中間部位無法成型的狀態(tài).

　　21313 焙燒的限制
　　統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,炭石墨制品的生產(chǎn)廢品, 70%以上是焙燒工序造成的,廢品的主要形式是產(chǎn)品的內(nèi),外部裂紋.造成焙燒產(chǎn)品開裂的原因很多,諸如配方的合理性,粘結(jié)劑的加入量多少,單位壓力的大小,焙燒曲線的快慢,產(chǎn)品受熱的均勻程度,焙燒低溫過程的"浸氧",填充料的性質(zhì)等等,但不可否認(rèn),制品體積密度的不均勻,是產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺欠所造成焙燒開裂的主要元兇之一.這是因?yàn)轶w積密度不同,膨脹系數(shù)便有差異,在焙燒過程中,將產(chǎn)生不均衡的內(nèi)應(yīng)力.當(dāng)這種內(nèi)應(yīng)力超過制品本身強(qiáng)度時(shí),便因內(nèi)應(yīng)力釋放而開裂.這種開裂不僅在焙燒過程中產(chǎn)生,在冷卻過程也易于產(chǎn)生.由于等靜壓機(jī)成型的產(chǎn)品,如上所述,在很大程度上,克服了體積密度的不均勻性,不僅在產(chǎn)品規(guī)格相同的情況下,產(chǎn)品開裂的可能性大幅度降低,而且使生產(chǎn)大規(guī)模產(chǎn)品成為可能.除上述之外,采用等靜壓機(jī)成型的等靜壓石墨,除圓形和板材之外,還可以制造異形產(chǎn)品.更重要的是,產(chǎn)品性能與產(chǎn)品的規(guī)格大小無關(guān).

　　3 討論與商榷
　　
　　細(xì)結(jié)構(gòu),大規(guī)格,各向同性——等靜壓石墨,是一種新型炭石墨材料.由于它具有一系列特性,應(yīng)用范圍廣泛,為當(dāng)今市場(chǎng)所需要,特別是它與當(dāng)代高科技和國(guó)防尖端科技緊密相聯(lián),必將迅猛發(fā)展.面對(duì)這種新材料面市,不可必免的將沖擊傳統(tǒng)市場(chǎng),也將提出一些新的概念和思路.本文對(duì)幾個(gè)相關(guān)問題,提出一些粗淺意見,以資商榷.

　　311 關(guān)于等靜壓石墨
　　
　　細(xì)結(jié)構(gòu),大規(guī)格,各向同性石墨,有其獨(dú)自特性,更有別于傳統(tǒng)的"高純石墨",為此它應(yīng)有一個(gè)簡(jiǎn)化的專業(yè)名稱.炭石墨材料的命名方法很多,如:按用途分,可稱:煉鋼電極,電機(jī)用電刷,連鑄用石墨等;按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性分,可稱:各向同性石墨,各向異性石墨;按生產(chǎn)工藝分,可稱:熱擠壓石墨,模壓石墨;按性能分可稱:高純石墨,高密石墨,高強(qiáng)石墨等等.參照國(guó)外通用叫法(如日本稱"等方石墨),筆者認(rèn)為稱:"等靜壓石墨"比較簡(jiǎn)練而貼切.而且能表示產(chǎn)品的內(nèi)涵.

　　312 關(guān)于各向同性
　　
　　炭石墨材料在制造過程中,由于成型方法的不同,其不同方向上的性能便有差異.主要表現(xiàn)在:電阻率,導(dǎo)熱率,機(jī)械性能,熱膨脹系數(shù)等.一般測(cè)定方法是:在產(chǎn)品上按垂直于壓力面方向和水平于壓力面方向取樣,分別測(cè)定性能,然后用最小一方的數(shù)據(jù),除以最大一方的數(shù)據(jù),便可得到各向同性比.通常以膨脹系數(shù)的測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算.熱擠壓與模壓的產(chǎn)品,不同方向的性能差異較大,稱各向異性材料.采用等靜壓成型方法.不同方向的性能差異較小(還與原材料結(jié)構(gòu)有關(guān)),稱各向同性材料.不同方向上性能差異大小,亦應(yīng)有個(gè)量化標(biāo)準(zhǔn),以方便用戶選擇.日本東洋炭素株式會(huì)社對(duì)此有個(gè)提法.筆者認(rèn)為可以參照使用.
　　各向同性材料 各方向性能比 110～111
　　準(zhǔn)各向同性材料 各方向性能比 111～112
　　各向異性材料 各方向性能比 大于112

　　4 結(jié)束語
　　
　　等靜壓石墨是與當(dāng)今高科技前沿技術(shù)緊密相聯(lián)的新材料,市場(chǎng)前景廣闊.該產(chǎn)品在我國(guó)只有近10年的歷史,尚屬起步階段.與先進(jìn)國(guó)家相比,無論是產(chǎn)品的性能上,還是產(chǎn)品規(guī)模上都有不小的差距.目前等靜壓石墨多依靠進(jìn)口,(毛坯到岸價(jià)為10～17萬元 t).有待于我們迎頭趕上.