Herstellungsverfahren und Hauptverwendungszwecke von isostatisch gepresstem Graphit

Über den isostatischen Graphit

Isostatischer Graphit ist ein neuartiges Graphitmaterial, das in den 1960er Jahren entwickelt wurde und eine Reihe hervorragender Eigenschaften aufweist. Isostatischer Graphit weist beispielsweise eine gute Hitzebeständigkeit auf. In einer inerten Atmosphäre nimmt seine mechanische Festigkeit mit steigender Temperatur nicht nur nicht ab, sondern nimmt zu und erreicht ihren höchsten Wert bei etwa 2500 °C; Im Vergleich zu gewöhnlichem Graphit ist die Struktur fein und dicht und weist eine gute Gleichmäßigkeit auf. niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit; isotrop; starke chemische Korrosionsbeständigkeit, gute thermische und elektrische Leitfähigkeit; hervorragende Bearbeitungsleistung.

Gerade aufgrund dieser Reihe hervorragender Eigenschaften wird isostatischer Graphit häufig in den Bereichen Metallurgie, Chemie, Elektrotechnik, Luft- und Raumfahrt sowie Atomenergie eingesetzt , und mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie wird das Anwendungsgebiet immer weiter erweitert.

Isostatischer Graphit erfordert strukturell isotrope Rohstoffe, die zu feineren Pulvern gemahlen werden müssen. Es ist kaltisostatische Presstechnologie erforderlich. Der Brennzyklus ist sehr lang. Um die Zieldichte zu erreichen, sind mehrere Imprägnier- und Brennzyklen erforderlich. und die Graphitisierungsdauer ist viel länger als die von gewöhnlichem Graphit.

Zu den Rohstoffen für die Herstellung von isostatischem Graphit gehören Zuschlagstoffe und Bindemittel. Der Zuschlagstoff besteht üblicherweise aus Petrolkoks und Pechkoks, es wird aber auch gemahlener Pechkoks verwendet. Beispielsweise wird der isostatische Graphit der AXF-Serie des amerikanischen Unternehmens POCO unter Verwendung von gemahlenem Pechkoks Gilsonite-Koks hergestellt.

Über den Produktionsprozess

Die Leistung von isostatischem Graphit wird stark von den Rohstoffen beeinflusst, und die Auswahl der Rohstoffe ist der entscheidende Faktor für die Herstellung des gewünschten Endprodukts. Die Eigenschaften und Gleichmäßigkeit der Rohstoffe müssen vor der Fütterung streng überprüft werden.

Im Gegensatz zum gewöhnlichen Extrusions- und Formpressen wird isostatischer Graphit durch kaltisostatische Presstechnologie geformt. Füllen Sie das komprimierte Rohmaterialpulver in die Gummiform und verdichten Sie das komprimierte Pulver durch hochfrequente elektromagnetische Vibrationen, saugen Sie es nach dem Versiegeln ab, lassen Sie die Luft zwischen den Pulverpartikeln ab und geben Sie es in einen Hochdruckbehälter, der mit flüssigen Medien wie Wasser oder Öl gefüllt ist. Unter Druck auf 100–200 MPa setzen und in zylindrische oder rechteckige Produkte pressen.

Nach dem Pascal-Prinzip wird der Druck durch ein flüssiges Medium wie Wasser auf die Gummiform ausgeübt, und der Druck ist in alle Richtungen gleich. Dadurch werden die gepressten Pulverpartikel in der Form nicht in Füllrichtung ausgerichtet, sondern in unregelmäßiger Anordnung verdichtet. Obwohl Graphit in seinen kristallographischen Eigenschaften anisotrop ist, ist isostatischer Graphit insgesamt isotrop.

Die geformten Produkte haben neben Zylindern und Rechtecken auch Formen wie Fässer und Tiegel.

Isostatische Pressmaschinen werden hauptsächlich in der Pulvermetallurgieindustrie eingesetzt. Aufgrund der Anforderungen von High-End-Industrien wie Luft- und Raumfahrt, Nuklearindustrie, Hartmetall und Hochspannungselektromagnetik hat sich die Technologie des isostatischen Pressens sehr schnell weiterentwickelt. Es ist in der Lage, kaltisostatische Pressen mit einem Arbeitszylinder-Innendurchmesser von 3000 mm, einer Höhe von 5000 mm und einem maximalen Arbeitsdruck von 600 MPa herzustellen.

Derzeit beträgt die maximale Größe der in der Kohlenstoffindustrie zur Herstellung von isostatischem Graphit verwendeten kaltisostatischen Presse Φ2150 mm × 4700 mm und der maximale Arbeitsdruck beträgt 180 MPa.

Aufgrund der feinen Struktur von isostatischem Graphit muss der Röstprozess besonders langsam ablaufen und die Temperatur im Ofen muss sehr gleichmäßig sein, insbesondere in der Temperaturphase, in der die flüchtigen Pechbestandteile schnell entladen werden. Der Erhitzungsprozess muss sorgfältig durchgeführt werden und die Erhitzungsrate darf 1 °C/h nicht überschreiten. Der Temperaturunterschied im Ofen muss weniger als 20 °C betragen und dieser Vorgang dauert etwa 1 bis 2 Monate.

Um die Schüttdichte, mechanische Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und chemische Reaktivität des Produkts zu verbessern, kann es durch Druckimprägnierung behandelt werden, d. h. das Steinkohlenteerpech wird durch die offenen Poren in das Produkt imprägniert. Normalerweise durchläuft isostatisch gepresster Graphit mehrere Imprägnierungs- und Kalzinierungszyklen.

Wenn das kalzinierte Produkt auf etwa 3000 °C erhitzt wird, wird das Kohlenstoffatomgitter geordnet angeordnet und die Umwandlung von Kohlenstoff in Graphit ist abgeschlossen, was als Graphitisierung bezeichnet wird.

Nach der Graphitisierung werden die Schüttdichte, die elektrische Leitfähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Produkts erheblich verbessert und auch die Bearbeitungsleistung wird verbessert. Allerdings verringert die Graphitisierung die Biegefestigkeit des Artikels.

Nach der Graphitisierung müssen außerdem Dichte, Härte, Festigkeit, spezifischer Widerstand, Aschegehalt und andere Indikatoren des Produkts überprüft werden, um zu beurteilen, ob die Indikatoren den Anforderungen entsprechen.

Über die Hauptverwendungen

Bei der Verwendung von isostatischem Graphit in den Bereichen Halbleiter, einkristallines Silizium und Atomenergie sind die Anforderungen an die Reinheit sehr hoch und Verunreinigungen müssen durch chemische Methoden entfernt werden, bevor er in diesen Bereichen verwendet werden kann.

Der übliche Weg, Verunreinigungen in Graphit zu entfernen, besteht darin, das graphitierte Produkt in ein Halogengas zu geben und es auf etwa 2000 °C zu erhitzen. Dabei werden die Verunreinigungen zu niedrigsiedenden Halogeniden halogeniert, verflüchtigt und entfernt.

Nahezu alle Verunreinigungselemente in graphitierten Produkten können durch Chlorhalogenierung entfernt werden. Eine Ausnahme bildet Bor, das nur durch Fluorierung entfernt werden kann.

Diese Reinigungsmethode nutzt die einzigartigen Eigenschaften von Graphit voll aus, da er bei hohen Temperaturen nicht mit Halogenen reagiert und porös ist.

Im thermischen Bereich des Czochralski-Einkristallsiliziums umfassen isostatische Graphitkomponenten Tiegel, Heizgeräte, Elektroden, wärmeisolierende Abschirmplatten, Impfkristallhalter, Sockel für rotierende Tiegel, verschiedene Scheiben, Wärmereflexionsplatten usw. 30 Arten. Davon werden 80 % des isostatischen Graphits zur Herstellung von Tiegeln und Heizgeräten verwendet.

In den letzten Jahren sind die Durchmesseranforderungen für einkristalline Siliziumstäbe immer größer geworden, und die Produktion von 300-mm-Wafern ist immer mehr zum Mainstream geworden. Dementsprechend beträgt der Durchmesser der Heizzone des Einkristallofens meist 800 mm. Um den im Ofen platzierten Quarztiegel zu schützen, beträgt der Durchmesser des Graphittiegels 860 mm. Der Durchmesser der Heizung beträgt etwa 960–1000 mm. Der Durchmesser anderer Teile kann bis zu 1000 mm betragen. 1500 mm.

Seit 2003 ist das Bewusstsein der Menschen für den Schutz der Lebensumwelt der Erde sukzessive gestiegen und die Menschen bevorzugen zunehmend natürliche Energiequellen, die kein Kohlendioxid ausstoßen. Im Zuge dieses Trends ist die Produktion von Solarzellen rasant gestiegen.

Im Herstellungsprozess von polykristallinen Siliziumwafern für Solarzellen müssen polykristalline Siliziumfragmente zunächst geschmolzen und zu quadratischen Blöcken aus polykristallinem Silizium gegossen werden. Die Heizung des Barrenofens muss aus isostatisch gepresstem Graphit bestehen.

In den letzten Jahren hat sich das globale Klima erwärmt. Kohlendioxid, das bei der Nutzung fossiler Brennstoffe entsteht, gilt als Hauptverursacher des Problems. Obwohl das Wirtschaftswachstum der Entwicklungsländer in den letzten Jahren weltberühmte Ergebnisse erzielt hat, hat das Problem der Stromknappheit diese Länder zutiefst beunruhigt. Unter diesen Umständen hat sich die Aufmerksamkeit der Menschen auf die Atomstromerzeugung gelenkt, deren Energieflussdichte viel höher ist als die von Solarzellen und Windkraft und die weder Kohlendioxid noch Schwefeloxide ausstößt.

Derzeit sind die meisten Kernreaktoren weltweit im Einsatz Leichtwasserreaktoren. Das Funktionsprinzip dieses Reaktortyps besteht darin, die bei der Kernspaltung erzeugte Wärmeenergie zu nutzen, um kaltes Wasser in 300 °C heißen Wasserdampf zu verdampfen, der die Turbine zur Stromerzeugung antreibt. Aufgrund der niedrigen Temperatur des Wasserreaktors ist der Wirkungsgrad der Stromerzeugung des Leichtwasserreaktors jedoch nicht sehr hoch. Im Gegensatz dazu treten bei gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren solche Probleme nicht auf. Als Kühlmittel wird Edelgas (Helium) verwendet. Die Austrittstemperatur des Reaktorkerns kann nicht nur fast 1000 °C erreichen, er verfügt auch über einen hohen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung, sondern ist auch für die Produktion von Wasserstoff geeignet. Man kann sagen, dass Stromversorgung und Umweltschutz im Gleichgewicht sind.

Als Kernmaterial dieses gasgekühlten Hochtemperaturreaktors eignet sich Graphit, da Graphit nicht nur hohen Temperaturen standhält, sondern auch weniger Neutronen absorbiert und über gute Wärmeübertragungseigenschaften verfügt.

Graphit ist ein Neutronenmoderator und ein ausgezeichneter Reflektor. Seine vielen hervorragenden Eigenschaften haben seine Position in der Nuklearindustrie begründet. Graphit kann nicht nur die Anforderungen der industriellen Massenproduktion erfüllen, sondern weist auch die für Strukturmaterialien erforderlichen Eigenschaften einer hohen mechanischen Festigkeit und einer hohen Temperaturbeständigkeit auf. Daher eignet sich Graphit als Strukturmaterial für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren.

Die sehr sichere Eigenschaft gasgekühlter Hochtemperaturreaktoren hat dazu geführt, dass das Konstruktionskonzept modularer gasgekühlter Hochtemperaturreaktoren vorgeschlagen wurde. Die nächste Generation von Ultrahochtemperatur-Kernreaktoren (UHTR) geht in Richtung hoher Leistungsdichte und hoher Temperatur. Diese technologischen Entwicklungen haben höhere Anforderungen an die Eigenschaften der neuen Generation von Graphitmaterialien gestellt, wie z. B. höhere Toleranz gegenüber Strahlenschäden, Produkthomogenisierung, hohe Qualität und niedriger Preis, langfristige Lieferung usw.

Da Kernfusionsgeräte allmählich größer werden, werden zur Erzeugung von Hochtemperaturplasma Graphitmaterialien mit guter Wärmeleitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit als erstes Wandmaterial verwendet, das dem Plasma zugewandt ist und gute Entladungsimpulseffekte gezeigt hat. Darüber hinaus ist der verursachte Strahlungsverlust aufgrund ihrer geringen Ordnungszahl selbst dann gering, wenn sie dem Plasma beigemischt werden, sodass das Hochtemperaturplasma stabil gehalten werden kann. Das Vorkommen von Wasserstoffisotopen führt jedoch dazu, dass das Graphitmaterial ein verbrauchendes chemisches Spritzen von CH4-Gas und das Phänomen des strahlungsverstärkten Sublimationsverlusts erzeugt (strahlungsverstärkte Sublimation bedeutet, dass sich die Plasmapartikel in einer Strahlungsumgebung befinden, auch wenn die aktuelle Temperatur nicht die normale thermische Sublimation von Graphit erreicht Temperatur, Graphitmaterial sublimiert ebenfalls und verliert). Daher muss bei der Verwendung von Graphitmaterial als Plasmaoberflächenmaterial auf die Einsatzbedingungen von Graphit, insbesondere die Temperatur, geachtet werden.

Das dem Plasma zugewandte Material und die Divertorplatte des kritischen Plasmageräts JT-60U, das vom Japan Atomic Energy Research Institute entwickelt wird, verwenden Komponenten aus Graphitmaterialien. Unter anderem verwendet die Divertorplatte am Plasmaauslass ein spezielles C/C-Verbundmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher thermischer Schlagfestigkeit und Kohlefaser als Rohmaterial. Die erste Wand mit relativ geringer thermischer Belastung besteht aus verschiedenen Materialien. Isotropes Graphitmaterial.

Kurz gesagt, die Atomenergieindustrie durchläuft weltweit verschiedene Entwicklungen und Veränderungen. Im Bereich der gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren machen kommerzielle gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren in Südafrika und China Fortschritte. Im Bereich der Kernfusionsreaktoren gibt es Versuchsreaktoren. Während das Projekt International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) durchgeführt wird, ist auch die Umgestaltung des japanischen JT-60-Geräts im Gange.

Die elektrische Entladungsbearbeitung, bei der hauptsächlich Graphit oder Kupfer als Elektroden verwendet werden, wird häufig in Bearbeitungsbereichen wie Metallformen eingesetzt.

Vorprozessanforderungen für die Formbearbeitung von Graphit für die Funkenerosion: ① geringer Werkzeugverbrauch; ② schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeit; ③ gute Rauheit der bearbeiteten Oberfläche; ④ keine scharfen Vorsprünge etc.

Anforderungen an den Funkenerosionsbearbeitungsprozess: ① Schnelle Funkenerosionsbearbeitungsgeschwindigkeit; ② Geringerer Verbrauch an Elektrodenlänge; ③ Weniger Verlust des Elektrodenwinkels; ④ Gute Rauheit der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks; ⑤ Weniger Unebenheiten der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks usw.

Im Vergleich zu Kupferelektroden haben Graphitelektroden für die Funkenerosion folgende Vorteile: ① Leichter als Kupfer, leicht zu transportieren, nur 1/5 des Gewichts von Kupfer in gleicher Form; ② Einfach zu verarbeiten; ③ Die Schneidbearbeitung führt nicht leicht zu Spannungen und thermischen Verformungen. ④ Der Schmelzpunkt liegt über 3000 °C, der Wärmeausdehnungskoeffizient ist klein und Graphitelektroden werden durch die bei der Funkenerosion erzeugte Wärme selten verformt.

Allerdings haben Graphitelektroden auch einige Nachteile, wie zum Beispiel ①, dass beim Schneiden leicht Staub entsteht; ② leichter Verlust usw.

Hersteller von Graphitelektroden für die Funkenerosion produzieren unterschiedliche Produktqualitäten von der preisgünstigen Grobbearbeitung bis zur Endbearbeitung.

Kürzlich sind Graphitelektroden für die elektrische Entladungsbearbeitung mit ultrafeinen Partikeln auf dem Markt erschienen, die sich vom herkömmlichen Konzept unterscheiden. Ziel dieser Art von Elektrode ist es, den Graphitverbrauch zu reduzieren. Die Entwicklungsidee lautet einfach: geringerer Elektrodenverbrauch → weniger Graphitpartikel, die während der elektrischen Entladung von der Elektrode abfallen → feine Partikel → hohe Bindungsstärke zwischen den Partikeln → effiziente und rationelle Verwendung von Asphaltzuschlagstoffen → Anpassung der Herstellungsparameter, um die Fehlerrate und Herstellungskosten zu reduzieren.

Ob Graphitelektroden für die elektrische Entladungsbearbeitung mit ultrafeinen Partikeln vermarktet werden können, hängt auch vom Produktionstechnologieniveau der Graphitelektrodenhersteller ab.

Unter den gegenwärtigen Umständen ist der Schneidprozess bei der tiefen und detaillierten Bearbeitung von Metallformen noch etwas hilflos. Denn die Form und Festigkeit vorhandener Schneidwerkzeuge ist schwierig, den Anforderungen einer tiefen und detaillierten Bearbeitung gerecht zu werden. Daher wurden für die Endbearbeitung Graphitelektroden für die Präzisionsentladung entwickelt, die aus isostatisch gepresstem Graphit verarbeitet werden, um die vielen Vorteile von Graphitelektroden voll auszunutzen.

Aufgrund der Vorteile der Vereinfachung des Gießprozesses, der Verbesserung der Produktqualifikationsrate und der Einheitlichkeit der Produktstruktur ist es weit verbreitet, Strangguss und Walzen zur Herstellung von Nichteisenmetallplatten, -rohren, -stangen usw. zu verwenden. Derzeit wird bei der Produktion von reinem Kupfer, Bronze, Messing und Weißkupfer in großem Maßstab hauptsächlich Strangguss eingesetzt. Unter anderem besteht der Kristallisator, der eine entscheidende Rolle für die Produktqualität spielt, aus isostatischem Graphit.

Da isostatisch gepresstes Graphitmaterial gute Eigenschaften hinsichtlich Wärmeleitung, thermischer Stabilität, Selbstschmierung, Antibenetzung und chemischer Inertheit aufweist, ist es zu einem unersetzlichen Material für die Herstellung von Kristallisatoren geworden.

Isostatischer Graphit wird auch zur Herstellung von Diamantwerkzeugen und Hartmetall-Sinterformen, thermischen Feldkomponenten (Heizungen, Isolierzylinder usw.) von optischen Faserziehmaschinen, thermischen Feldkomponenten (Heizungen, Lagerrahmen usw.) und Präzisions-Graphit-Wärmetauschern, mechanischen Dichtungskomponenten, Kolbenringen, Lagern, Raketendüsen usw. verwendet.

In der heutigen industriellen Produktion ist Graphit zu einem unverzichtbaren Schlüsselwerkstoff geworden, insbesondere in der Solarindustrie, LED-Industrie, Halbleiterindustrie und Nuklearindustrie steigt die Nachfrage nach Graphit stark an und die Qualitätsanforderungen werden immer höher.