【原创】耗时百日!特种石墨凭什么敢说“慢工出细活”?


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[导读]特种石墨的原料选择、成型工艺与性能升级之道。

www.188betkr.com 讯特种石墨具有优良的耐高温性、导电导热性、润滑性等,被广泛应用于光伏、半导体、新能源电池、冶金、化工、机械、电子、氢能源、航空航天、军事工业、核工业等行业,是战略新兴产业不可替代的重要资源之一。



特种石墨的分类


通常来说,特种石墨按成型方式可分为模压石墨、挤压石墨以及等静压石墨,各类产品在结构特性与应用场景上各具特色。


模压石墨


模压成型首先要根据成品的外形尺寸加工模具,然后将预处理后的原料加入模具中,按照规定的压制时间进行模压,完成压制成型。模压法适用于加工三维尺寸较小,且三维尺寸之间相差不大、密度较大且要求比较均匀的石墨产品。模压制备出的石墨各向不同性,主要用来生产电碳等导电产品。


挤压石墨


挤压成型是一种连续制备方法,原料通过挤压机施加压力,从模具口中持续挤压出来。挤出的成品再根据应用端不同需求进行裁切。石墨的长度可以根据需要进行调整,不受挤压机规格尺寸的限制,沿石墨轴线方向的产品质量可以保持较高的一致性。因此,挤压成型比较适合生产条状、棒状、管状产品。挤压成型适合生产石墨电极及石墨管等产品。


等静压石墨


等静压成型需要先将待压制物料进行密封包装,然后放入高压容器内,利用油或水等液体的压力对其施压,因为液体的压力传递沿各个方向是均匀一致的,所以当容器内注入流体后,外界施加的压力会通过流体将压力均匀的传递到物料的各个表面。等静压成型不但可以生产各向同性产品,也可以生产各向异性产品。因等静压加工可以采用较高的压力,所以所制备出的石墨产品密度较大、强度较高且结构一致性好,通常用来制备尺寸较大的石墨产品。


特种石墨的生产工艺流程


特种石墨材料的生产是以煅后石油焦或沥青焦为原材料,以煤沥青为粘合剂,经过原料磨粉、与高温沥青混捏、轧片、二次磨粉,成型、焙烧、浸渍、石墨化等工序加工制作而成。根据产品规格和工艺要求的不同,浸渍的次数为一到三次不等,焙烧的次数为一到四次不等。焙烧和浸渍工序的次数越多,一般意味着密度、强度等性能更优越。


特种石墨材料生产工艺流程


原料


生产特种石墨所需原料及辅料主要包括骨料、粘结剂、浸渍剂和添加剂。煅后石油焦和沥青焦是最常见的特种石墨骨料,主要元素为碳,其中煅后石油焦是石油渣油和石油沥青经焦化并高温煅烧后得到的固体炭质物料,沥青焦是煤沥青焦化而得。


粘结剂是软化点在100~115℃之间的改质沥青或高温沥青。煤沥青是煤焦油蒸馏提取馏分后的残留物,常温下为黑色固体,经溶化后与骨料混捏在一起,起到粘结的作用。粘结剂有很好的浸润性和粘结力,且具有较高的含碳量。


为改善产品性能和提高工艺水平,生产过程中需要添加剂,如提高强度的石墨粉,改善糊料塑性的硬脂酸,降低浸渍剂粘度的蒽油等。


磨粉


磨粉,包括一次磨粉和二次磨粉。一次磨粉是指对原料中骨料的破碎,骨料粒度越小,最终产品的致密度、强度越好。特种石墨的骨料粒度通常要求达到20μm以下。磨制平均粒度为10~20μm的粉末需要使用雷蒙磨,而磨制平均粒度小于10μm的粉末需要使用气流磨粉机。二次磨粉,是指对混捏后冷却糊料的破碎,利用雷蒙磨或球磨机即可完成。


混捏


在特种石墨材料生产过程中,为了成品具有良好的均匀性,需将各种物料放在混捏设备中进行搅拌,使之达到均匀性。使骨料的各种组分及粘结剂均匀混合,得到可塑性糊料的工艺过程称为混捏。


混捏的目的在于:使各种不同粒径的骨料均匀混合,用小颗粒填充大颗粒之间的孔隙,以提高糊料的密度;使骨料和粘结剂混合均匀,让粘结剂均匀覆盖在骨料颗粒的表面,且部分粘结剂渗透到颗粒的孔隙中。由于粘结剂将所有颗粒结合起来,糊料更利于成型。


轧片


在特种石墨制品生产中,只通过混捏还不能使粘结剂充分均匀地分布在所有骨料颗粒表面,且不能浸润到粉末孔隙,糊料达不到最佳的塑性与密度,为了弥补混捏的不足,应采用热辊压工艺,俗称轧片。轧片时糊料中的粘结剂在热状态下再次加压,可分布更加均匀。经过轧片,糊料中的气体被排挤出来,粘结剂进一步渗透,可制得密实性高的糊料,结构也有改善,同时又不损坏粒度性能。轧片后的糊料经过凉料系统进行冷却,再进入磨粉系统进行二次磨粉。


压型


压型分为模压成型、挤压成型和等静压成型。模压法适用于加工三维尺寸较小,且三维尺寸之间相差不大、密度较大且要求比较均匀的石墨产品。在模压设备中制备出的石墨各向不同性;在等静压设备中制备出的产品具有各向同性,密度与强度特别高。


焙烧


焙烧是把压型后的生坯或者浸渍好的浸渍品装在焙烧炉保护介质(填充料)中,在隔绝空气的条件下,按规定的升温速度进行间接加热,使制品内的黏结剂或者浸渍剂焦化,并与骨料颗粒固结成一体的热处理过程。


焙烧工序分为一次焙烧和多次焙烧。一次焙烧指对压制好的生坯进行第一次焙烧,多次焙烧指对浸渍好的浸渍品进行焙烧,按照产品需求,多次焙烧可分为二次焙烧,三次焙烧和四次焙烧。在焙烧过程中,骨料和粘结剂(或浸渍剂)之间发生复杂的化学反应,粘结剂(或浸渍剂)在分解,释放大量挥发分的同时,进行缩聚反应。特种石墨由于结构细密,焙烧过程要按照严格的焙烧曲线进行升温,冷却过程也不宜太快,所以焙烧工序过程比较久,一般要45天左右。


石墨化


石墨化是将焙烧品置于石墨化炉内,在保护介质中加热到2600~2800℃以上,使六角碳原子平面网格从二维空间的无序排列(乱层结构,称为“无定形炭”),转变为三维空间的有序排列的石墨结构的高温热处理过程。


其目的与作用是:提高材料的导热和导电性能;提高材料的热稳定性和耐热冲击性及化学稳定性;提高材料的润滑性能和耐磨性;排除材料中的杂质,提高纯度;降低材料的硬度,便于机械加工。石墨化工序一般需要50天以上。


参考来源:

史澄辉.特种石墨的分类、应用及产业政策

宁新新材、东方碳素招股说明书


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