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【碳材料發展史】 ——新興工業用炭
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碳,是生命之源,是地球上一切有機體生物的骨架元素,是構成人體最重要的元素。新興工業用炭(Carbon in Modern Industries)主要以等靜壓石墨、熱解石墨、熱解炭的形式被用作精密加熱器、高強結構、新型電池、核反應器等。

 

碳,生命之源,

它是地球上一切有機體生物的骨架元素,

是構成人體最重要的元素。

 

【碳材料發展史】

新興工業用炭

Carbon in Modern Industries

主要以等靜壓石墨、熱解石墨、熱解炭的形式被用作精密加熱器、高強結構、新型電池、核反應器等。

 

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等靜壓石墨

  等靜壓石墨是上世紀40年代發展起來的一種新型石墨材料,具有一系列優異的性能。等靜壓石墨的耐熱性好,在惰性氣氛下,隨著溫度的升高,其機械強度反而升高,在2500℃左右時達到最高值;與普通石墨相比,結構精細致密,而且均勻性好;熱膨脹系數很低,具有優異的抗熱振性能;各向同性、耐化學腐蝕性強、導熱性能和導電性能良好;具有優異的機械加工性能。正是由于具有這一系列的優異性能,等靜壓石墨不僅在民用上大有作為,在國防尖端上占有重要地位,屬新型材料,令人矚目。它是制造單晶爐、金屬連鑄石墨結晶器、電火花加工用石墨電極等不可替代的材料,更是制造火箭噴嘴、石墨反應堆的減速材料和反射材料的絕好材料。

 

 

 應用  

太陽能電池及半導體晶片用石墨

  在太陽能、半導體行業中,大量使用等靜壓石墨,制作單晶直拉爐熱場石墨部件,多晶硅熔鑄爐用加熱器,化合物半導體制造用加熱器、坩堝等部件。近年來,太陽能光伏發電發展迅猛,光伏產業中的單晶硅和多晶硅生產對石墨需求量巨大。目前,單晶、多晶硅產品均朝大型化、高端化發展,對等靜壓石墨也有了更高的要求,即:更大規格、更高強度、更高純度。

 

有色冶金連鑄用石墨結晶器

  為了縮短生產工藝流程,降底成本,提高質量,減少勞動強度和對環境的污染,20多年來金屬材料生產逐漸向連鑄方向發展。

  等靜壓石墨主要用于大型銅材生產線。自1985年開始,我國從奧地利、法國、瑞士、日本等國先后引進30多條生產線,而國內自行設計制造的生產線已達到100多條,均采用石墨結晶器。

 

電極石墨

  電火花加工是當今模具行業的一次革命,它不僅簡化了傳統工藝手段,而且使制造異形模具成為可能。石墨無熔點,是電的良導體,抗熱振性好,是極佳的電火花加工電極材料。普通石墨材料,為粗顆粒結構低密度各向異性石墨,不能滿足電火花加工的需求,而等靜壓石墨因具有各向同性,是制造電火花石墨電極的最佳材料。

單晶硅生產石英坩堝模具用石墨材料

  石英坩堝是直拉單晶硅的容器,而制造石英坩堝用石墨坩堝作為成型材料。

 

高氣冷堆堆芯結構石墨材料

  等靜壓石墨具有中等的力學性能,特別出色的高溫力學性能,導熱系數大,線膨脹系數低。在高溫氣冷堆中,主要用作反射劑、慢化劑及活性區結構材料,同核燃料一道構成核燃料組件。在400~1200℃的溫度下,受高能γ射線和快中子的放射線,時間長達數年之久,容易造成輻照損傷,從而改變石墨的結構和性質,所以要求材料的石墨化度高、各向同性度好、組成均一、彈性模量低。

  核石墨與常規工程用石墨的主要區別有兩點,核純和耐輻照損傷。當前,國內核石墨材料的研制尚缺輻照試驗這一環節,這是下一步研制中必須面對過程,除輻照要求外,核石墨在冷態狀態下的質量要求是:規格大型化、質量穩定、熱穩定性好、熱膨脹系數低。目前,我國只能生產少量的高溫氣冷堆反應用核石墨,主要還是依賴進口。

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熱解石墨

  熱解石墨是新型炭素材料,是高純碳氫氣體在一定的爐壓下,在1800℃~2000℃的石墨基體上經化學氣相沉積出的較高結晶取向的熱解碳,它具有高密度(2.20g/cm)、高純度(雜質含量(0.0002%)和熱、電、磁、力學性能各向異性。在1800℃左右仍能維持10mmHg的真空度。

 

 

 應用  

主要應用

    石墨加熱器、導流桶、PBN/PG復合加熱器、原子吸收管。

涂層產品應用

    半導體行業中,拉制硅單晶導流筒。

    半導體行業石墨加熱器涂層。

    晶片退火工藝PBN/PG復合加熱器涂層。

    分析儀器用的原子吸收管熱解石墨涂層。

    電子束蒸發蒸鋁坩堝。

 

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熱解碳

  熱解碳和熱解石墨是一種具有特殊結構和性能的氣相沉積碳。

 

 

 

  熱解碳按其特性可以分為高密度的致密熱解碳與低密度的疏松熱解碳和各向同性與各向異性熱解碳。其性能和結構取決于熱解溫度。800-1000℃以下熱解的是熱解碳,在 1400-2000 ℃ 熱解或更高溫度下處理的叫熱解石墨。熱解碳的性質結構取決于其制造條件,其中以沉積溫度為重。

  從其反應機理上說,制備熱解碳要經歷兩個階段:

       1 發生炭化過程, 生成焦碳和分離的揮發產物。

        2 生成的產物降解成熱解碳、水、氣體。

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碳纖維

  碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。

 

 應用    

  碳纖維碳材料已在軍事及民用工業的各個領域取得廣泛應用。從航天、航空、汽車、 電子、機械、化工、輕紡等民用工業到運動器材和休閑用品等。碳纖維增強的復合材料可以應用于飛機制造等軍工領域、風力發電葉片等工業領域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。球棒等體育領域。碳纖維是典型的高科技領域中的新型工業材料。

 

復合材料

  由于碳纖維復合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好以及設計性好、可大面積整體成型等特點,已在航空航天、國防軍工和民用工業的各個領域得到廣泛應用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進復合材料最重要的增強材料。

 

土木建筑

  碳纖維也應用在工業與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結構等的加固補強,在鐵路建筑中,大型的頂部系統和隔音墻在未來會有很好的應用,這些也將是碳纖維很有前景的應用方面。另外, 碳纖維做補強混凝土結構時, 不需要增加螺栓和鉚釘固定,對原混凝土結構擾動較小, 施工工藝簡便。

 

產品分類  

壓力容器

  壓力容器采用碳纖維復合材料制作,主要用在汽車的壓縮天然氣罐上,而且還用在救火隊員的固定式呼吸器上。CNG罐源于美國和歐洲國家,日本和其他的亞洲國家也對這項應用表現出了極大的興趣。

 

風力發電機葉片
  世界上風力發電機組的發電機額定功率越來越大,與其相適應的風機葉片尺寸也越來越大。為了減少葉片的變形,在主乘力件如軸承和葉片的某些部位采用碳纖維來補充其剛度。中國‘十五’期間的風機裝機總容量已達到1。5G瓦,因而碳纖維在風力發電機葉片上的應用前景看好。

  碳纖維在風能、核能和太陽能等新能源領域也具有廣闊的應用前景。當風力發電機功率超過3MW,葉片長度超過40米時,傳統玻璃纖維復合材料的性能已經趨于極限,采用碳纖維復合材料制造葉片是必要的選擇。只有碳纖維才能既減輕葉片的重量,又能滿足強度和剛度的要求。

 

 

碳纖維布

  碳纖維布又稱碳素纖維布,碳纖布,碳布,碳纖維織物,碳纖維帶,碳纖維片材(預浸布)等 。碳纖維布是一種單向碳纖維產品,通常采用12K碳纖維絲織造。重量最輕的是1K碳布,中國碳纖維車架單車、三角架基本使用3K碳布。1K碳纖維管材由于從碳絲的等級,樹脂的成分,碳布的密度,成型的壓力溫度等等工藝都非常嚴格,1K碳布價格是3K碳布的3倍??商峁﹥煞N厚度:0.111mm(200g)和0.167mm(300g)。碳纖維布強度高,密度小,厚度薄,基本不增加加固構件自重及截面尺寸。碳纖維廣泛適用于建筑物橋梁隧道等各種結構類型、結構形狀的加固修復和抗震加固及節點的結構加固。

 

 

碳纖維復合材料抽油桿

  有關數據表明,至2008年有8%到10%更新或新增的抽油桿用碳纖維復合材料抽油桿取代,共需碳纖維320到420t。預測至2010年如果按15%的取代量計算,則碳纖維消耗量可達624噸。

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膨脹石墨

  作為一種新型功能性碳素材料,膨脹石墨(Expanded Graphite,簡稱EG)是由天然石墨鱗片經插層、水洗、干燥、高溫膨化得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質。EG 除了具備天然石墨本身的耐冷熱、耐腐蝕、自潤滑等優良性能以外,還具有天然石墨所沒有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性、生態環境協調性、生物相容性、耐輻射性等特性。

 應用

環保領域

  膨脹石墨有疏水性和親油性,可以在水中有選擇性地除去非水性的溶液,如從海上、河流、湖泊中除去浮油。

 

密封材料

  膨脹石墨可后處理成柔性石墨作為密封材料使用。

 

生物醫學

  膨脹石墨有良好的生物相容性、無毒、無味、無副作用等特點,是一類非常重要的生物醫學材料。

 

高能電池材料

  在可充鋅錳電池的鋅陽極中添加膨脹石墨可以減小鋅陽極充電時的極化,增強電極及電解液導電性,抑制枝晶形成,并能提供良好的成型特性,抑制陽極溶解和變形,延長電池壽命。

 

相變儲熱材料

  相變儲熱材料的導熱性能不好,換熱性能差,影響其儲能和釋能效率。同時復合相變材料中多孔介質的孔隙率較小,內含相變材料少,導致其儲能量低,這些缺點都限制了該材料的應用和發展。膨脹石墨豐富的孔隙結構、高導熱性能,可以很好的彌補這些缺陷。

 

防火安全材料

  國外已于機艙座椅的夾層中添加部分可膨脹石墨,或將其制成防火密封條、防火堵料、阻火圈等,一旦起火迅速膨脹,堵塞火災蔓延通道,達到滅火目的。此外,將可膨脹石墨的細顆粒加入到普通涂料中,可制得效果較好的阻燃防靜電涂料。
  蔡曉霞等對聚磷酸銨(APP)和膨脹石墨(EG)協同阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)及其阻燃機理進行了研究。結果表明,APP和EG對EVA具有良好的協同阻燃效果。

 

產品分類 

  柔性石墨密封材料按其用途,主要分為兩大類:一類用于各種泵、閥門、反應釜上的密封填料;另一類是用于各種管道法蘭上的石墨墊片。

 

密封填料

  密封填料是將切成適當寬度和長度的膨脹石墨帶纏繞在不同規格的金屬模中,在壓力機上直接成型的預成填料,適用于各種截止閥、閘閥、調節閥、球閥、加閥等。

密封墊片

  通??煞譃閮煞N,一種是純石墨墊片,它是用膨脹石墨粒料直接在金屬模中壓制成型,也可用膨脹石墨板材直接沖裁或切割而成;另一種是石墨纏繞墊,是以金屬帶和膨脹石墨重疊卷成,可以在較高壓力下使用。

 

石墨盤根

  石墨盤根是用棉纖維或石墨纖維同石墨卷箔編織而成的密封材料。以棉纖維為芯的石墨盤根(SPM型)適用于壓力12MPa、溫度200℃以下的管道、閥門、機泵等的密封,接觸介質可為河水、自來水、地下水、海水、油類等。以石墨纖維為芯的石墨盤根(SPS型)適用于壓力12MPa、溫度350℃以下的管道、閥門、機泵等的密封,接觸介質除了各種水、油類外,還可以接觸酸堿物質。

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