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【碳材料发展史】 ——新兴工业用炭
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碳,是生命之源,是地球上一切有机体生物的骨架元素,是构成人体最重要的元素。新兴工业用炭(Carbon in Modern Industries)主要以等静压石墨、热解石墨、热解炭的形式被用作精密加热器、高强结构、新型电池、核反应器等。

 

碳,生命之源,

它是地球上一切有机体生物的骨架元素,

是构成人体最重要的元素。

 

【碳材料发展史】

新兴工业用炭

Carbon in Modern Industries

主要以等静压石墨、热解石墨、热解炭的形式被用作精密加热器、高强结构、新型电池、核反应器等。

 

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等静压石墨

  等静压石墨是上世纪40年代发展起来的一种新型石墨材料,具有一系列优异的性能。等静压石墨的耐热性好,在惰性气氛下,随着温度的升高,其机械强度反而升高,在2500℃左右时达到最高值;与普通石墨相比,结构精细致密,而且均匀性好;热膨胀系数很低,具有优异的抗热振性能;各向同性、耐化学腐蚀性强、导热性能和导电性能良好;具有优异的机械加工性能。正是由于具有这一系列的优异性能,等静压石墨不仅在民用上大有作为,在国防尖端上占有重要地位,属新型材料,令人瞩目。它是制造单晶炉、金属连铸石墨结晶器、电火花加工用石墨电极等不可替代的材料,更是制造火箭喷嘴、石墨反应堆的减速材料和反射材料的绝好材料。

 

 

 应用  

太阳能电池及半导体晶片用石墨

  在太阳能、半导体行业中,大量使用等静压石墨,制作单晶直拉炉热场石墨部件,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。近年来,太阳能光伏发电发展迅猛,光伏产业中的单晶硅和多晶硅生产对石墨需求量巨大。目前,单晶、多晶硅产品均朝大型化、高端化发展,对等静压石墨也有了更高的要求,即:更大规格、更高强度、更高纯度。

 

有色冶金连铸用石墨结晶器

  为了缩短生产工艺流程,降底成本,提高质量,减少劳动强度和对环境的污染,20多年来金属材料生产逐渐向连铸方向发展。

  等静压石墨主要用于大型铜材生产线。自1985年开始,我国从奥地利、法国、瑞士、日本等国先后引进30多条生产线,而国内自行设计制造的生产线已达到100多条,均采用石墨结晶器。

 

电极石墨

  电火花加工是当今模具行业的一次革命,它不仅简化了传统工艺手段,而且使制造异形模具成为可能。石墨无熔点,是电的良导体,抗热振性好,是极佳的电火花加工电极材料。普通石墨材料,为粗颗粒结构低密度各向异性石墨,不能满足电火花加工的需求,而等静压石墨因具有各向同性,是制造电火花石墨电极的最佳材料。

单晶硅生产石英坩埚模具用石墨材料

  石英坩埚是直拉单晶硅的容器,而制造石英坩埚用石墨坩埚作为成型材料。

 

高气冷堆堆芯结构石墨材料

  等静压石墨具有中等的力学性能,特别出色的高温力学性能,导热系数大,线膨胀系数低。在高温气冷堆中,主要用作反射剂、慢化剂及活性区结构材料,同核燃料一道构成核燃料组件。在400~1200℃的温度下,受高能γ射线和快中子的放射线,时间长达数年之久,容易造成辐照损伤,从而改变石墨的结构和性质,所以要求材料的石墨化度高、各向同性度好、组成均一、弹性模量低。

  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。当前,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。目前,我国只能生产少量的高温气冷堆反应用核石墨,主要还是依赖进口。

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热解石墨

  热解石墨是新型炭素材料,是高纯碳氢气体在一定的炉压下,在1800℃~2000℃的石墨基体上经化学气相沉积出的较高结晶取向的热解碳,它具有高密度(2.20g/cm)、高纯度(杂质含量(0.0002%)和热、电、磁、力学性能各向异性。在1800℃左右仍能维持10mmHg的真空度。

 

 

 应用  

主要应用

    石墨加热器、导流桶、PBN/PG复合加热器、原子吸收管。

涂层产品应用

    半导体行业中,拉制硅单晶导流筒。

    半导体行业石墨加热器涂层。

    晶片退火工艺PBN/PG复合加热器涂层。

    分析仪器用的原子吸收管热解石墨涂层。

    电子束蒸发蒸铝坩埚。

 

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热解碳

  热解碳和热解石墨是一种具有特殊结构和性能的气相沉积碳。

 

 

 

  热解碳按其特性可以分为高密度的致密热解碳与低密度的疏松热解碳和各向同性与各向异性热解碳。其性能和结构取决于热解温度。800-1000℃以下热解的是热解碳,在 1400-2000 ℃ 热解或更高温度下处理的叫热解石墨。热解碳的性质结构取决于其制造条件,其中以沉积温度为重。

  从其反应机理上说,制备热解碳要经历两个阶段:

       1 发生炭化过程, 生成焦碳和分离的挥发产物。

        2 生成的产物降解成热解碳、水、气体。

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碳纤维

  碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。

 

 应用    

  碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。从航天、航空、汽车、 电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。碳纤维增强的复合材料可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。球棒等体育领域。碳纤维是典型的高科技领域中的新型工业材料。

 

复合材料

  由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点,已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料。

 

土木建筑

  碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强,在铁路建筑中,大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用,这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。另外, 碳纤维做补强混凝土结构时, 不需要增加螺栓和铆钉固定,对原混凝土结构扰动较小, 施工工艺简便。

 

产品分类  

压力容器

  压力容器采用碳纤维复合材料制作,主要用在汽车的压缩天然气罐上,而且还用在救火队员的固定式呼吸器上。CNG罐源于美国和欧洲国家,日本和其他的亚洲国家也对这项应用表现出了极大的兴趣。

 

风力发电机叶片
  世界上风力发电机组的发电机额定功率越来越大,与其相适应的风机叶片尺寸也越来越大。为了减少叶片的变形,在主乘力件如轴承和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度。中国‘十五’期间的风机装机总容量已达到1。5G瓦,因而碳纤维在风力发电机叶片上的应用前景看好。

  碳纤维在风能、核能和太阳能等新能源领域也具有广阔的应用前景。当风力发电机功率超过3MW,叶片长度超过40米时,传统玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限,采用碳纤维复合材料制造叶片是必要的选择。只有碳纤维才能既减轻叶片的重量,又能满足强度和刚度的要求。

 

 

碳纤维布

  碳纤维布又称碳素纤维布,碳纤布,碳布,碳纤维织物,碳纤维带,碳纤维片材(预浸布)等 。碳纤维布是一种单向碳纤维产品,通常采用12K碳纤维丝织造。重量最轻的是1K碳布,中国碳纤维车架单车、三角架基本使用3K碳布。1K碳纤维管材由于从碳丝的等级,树脂的成分,碳布的密度,成型的压力温度等等工艺都非常严格,1K碳布价格是3K碳布的3倍。可提供两种厚度:0.111mm(200g)和0.167mm(300g)。碳纤维布强度高,密度小,厚度薄,基本不增加加固构件自重及截面尺寸。碳纤维广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修复和抗震加固及节点的结构加固。

 

 

碳纤维复合材料抽油杆

  有关数据表明,至2008年有8%到10%更新或新增的抽油杆用碳纤维复合材料抽油杆取代,共需碳纤维320到420t。预测至2010年如果按15%的取代量计算,则碳纤维消耗量可达624吨。

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膨胀石墨

  作为一种新型功能性碳素材料,膨胀石墨(Expanded Graphite,简称EG)是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG 除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外,还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。

 应用

环保领域

  膨胀石墨有疏水性和亲油性,可以在水中有选择性地除去非水性的溶液,如从海上、河流、湖泊中除去浮油。

 

密封材料

  膨胀石墨可后处理成柔性石墨作为密封材料使用。

 

生物医学

  膨胀石墨有良好的生物相容性、无毒、无味、无副作用等特点,是一类非常重要的生物医学材料。

 

高能电池材料

  在可充锌锰电池的锌阳极中添加膨胀石墨可以减小锌阳极充电时的极化,增强电极及电解液导电性,抑制枝晶形成,并能提供良好的成型特性,抑制阳极溶解和变形,延长电池寿命。

 

相变储热材料

  相变储热材料的导热性能不好,换热性能差,影响其储能和释能效率。同时复合相变材料中多孔介质的孔隙率较小,内含相变材料少,导致其储能量低,这些缺点都限制了该材料的应用和发展。膨胀石墨丰富的孔隙结构、高导热性能,可以很好的弥补这些缺陷。

 

防火安全材料

  国外已于机舱座椅的夹层中添加部分可膨胀石墨,或将其制成防火密封条、防火堵料、阻火圈等,一旦起火迅速膨胀,堵塞火灾蔓延通道,达到灭火目的。此外,将可膨胀石墨的细颗粒加入到普通涂料中,可制得效果较好的阻燃防静电涂料。
  蔡晓霞等对聚磷酸铵(APP)和膨胀石墨(EG)协同阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)及其阻燃机理进行了研究。结果表明,APP和EG对EVA具有良好的协同阻燃效果。

 

产品分类 

  柔性石墨密封材料按其用途,主要分为两大类:一类用于各种泵、阀门、反应釜上的密封填料;另一类是用于各种管道法兰上的石墨垫片。

 

密封填料

  密封填料是将切成适当宽度和长度的膨胀石墨带缠绕在不同规格的金属模中,在压力机上直接成型的预成填料,适用于各种截止阀、闸阀、调节阀、球阀、加阀等。

密封垫片

  通常可分为两种,一种是纯石墨垫片,它是用膨胀石墨粒料直接在金属模中压制成型,也可用膨胀石墨板材直接冲裁或切割而成;另一种是石墨缠绕垫,是以金属带和膨胀石墨重叠卷成,可以在较高压力下使用。

 

石墨盘根

  石墨盘根是用棉纤维或石墨纤维同石墨卷箔编织而成的密封材料。以棉纤维为芯的石墨盘根(SPM型)适用于压力12MPa、温度200℃以下的管道、阀门、机泵等的密封,接触介质可为河水、自来水、地下水、海水、油类等。以石墨纤维为芯的石墨盘根(SPS型)适用于压力12MPa、温度350℃以下的管道、阀门、机泵等的密封,接触介质除了各种水、油类外,还可以接触酸碱物质。