Processus de production et principales utilisations du graphite pressé isostatiquement

À propos du graphite isostatique

Le graphite isostatique est un nouveau type de matériau graphite développé dans les années 1960, qui possède une série d'excellentes propriétés. Par exemple, le graphite isostatique présente une bonne résistance à la chaleur. Dans une atmosphère inerte, sa résistance mécanique non seulement ne diminue pas à mesure que la température augmente, mais augmente, atteignant la valeur la plus élevée vers 2500°C ; par rapport au graphite ordinaire, la structure est fine, dense et bonne uniformité ; faible coefficient de dilatation thermique, excellente résistance aux chocs thermiques ; isotrope; forte résistance à la corrosion chimique, bonne conductivité thermique et électrique ; excellentes performances d'usinage.

C'est précisément en raison de cette série d'excellentes propriétés que le graphite isostatique est largement utilisé dans les domaines de la métallurgie, de la chimie, de l'électricité, de l'aérospatiale et de l'énergie atomique et, avec le développement de la science et de la technologie, le champ d'application continue de s'étendre.

Le graphite isostatique nécessite des matières premières structurellement isotropes, qui doivent être broyées en poudres plus fines. Une technologie de pressage isostatique à froid est nécessaire. Le cycle de cuisson est très long. Afin d'atteindre la densité cible, plusieurs cycles d'imprégnation et de cuisson sont nécessaires. , et la période de graphitisation est beaucoup plus longue que celle du graphite ordinaire.

Les matières premières pour la production de graphite isostatique comprennent les granulats et les liants. Les granulats sont généralement constitués de coke de pétrole et de coke de brai, et du coke de brai broyé est également utilisé. Par exemple, le graphite isostatique de la série AXF de la société américaine POCO est produit en utilisant du coke de brai broyé, du coke Gilsonite.

À propos du processus de production

Les performances du graphite isostatique sont grandement affectées par les matières premières, et la sélection des matières premières est le maillon clé pour produire le produit final souhaité. Les caractéristiques et l'uniformité des matières premières doivent être strictement vérifiées avant l'alimentation.

Différent du moulage par extrusion et du moulage par compression ordinaires, le graphite isostatique est formé par la technologie de pressage isostatique à froid. Remplissez la poudre comprimée de matière première dans le moule en caoutchouc et rendez la poudre comprimée dense grâce à des vibrations électromagnétiques à haute fréquence, passez sous vide après scellage, déchargez l'air entre les particules de poudre et placez-la dans un récipient à haute pression rempli de milieu liquide tel que de l'eau ou de l'huile. Pressuriser à 100-200 MPa et presser en produits cylindriques ou rectangulaires.

Selon le principe de Pascal, la pression est appliquée au moule en caoutchouc par l'intermédiaire d'un milieu liquide tel que l'eau, et la pression dans toutes les directions est égale. De cette manière, les particules de poudre pressées ne sont pas orientées dans le sens de remplissage dans le moule, mais sont comprimées selon une disposition irrégulière. Par conséquent, bien que le graphite soit anisotrope dans ses propriétés cristallographiques, dans son ensemble, le graphite isostatique est isotrope.

En plus des cylindres et des rectangles, les produits formés ont également des formes telles que des tonneaux et des creusets.

La presse isostatique est principalement utilisée dans l’industrie de la métallurgie des poudres. En raison des besoins des industries haut de gamme telles que l'aérospatiale, l'industrie nucléaire, le carbure cémenté et l'électromagnétique haute tension, la technologie de pressage isostatique s'est développée très rapidement. Elle a la capacité de fabriquer des presses isostatiques à froid avec un diamètre intérieur de cylindre de travail de 3 000 mm, une hauteur de 5 000 mm et une pression de service maximale de 600 MPa.

À l'heure actuelle, la taille maximale de la presse isostatique à froid utilisée dans l'industrie du carbone pour produire du graphite isostatique est de Φ2150 mm × 4700 mm et la pression de service maximale est de 180 MPa.

En raison de la structure fine du graphite isostatique, le processus de torréfaction doit être particulièrement lent et la température dans le four doit être très uniforme, en particulier dans la phase de température où les substances volatiles du brai sont rapidement évacuées, le processus de chauffage doit être effectué avec soin et la vitesse de chauffage ne peut pas dépasser 1°C/h. La différence de température dans le four doit être inférieure à 20°C et ce processus prend environ 1 à 2 mois.

Afin d'améliorer la densité apparente, la résistance mécanique, la conductivité électrique, la conductivité thermique et la réactivité chimique du produit, celui-ci peut être traité par imprégnation sous pression, c'est-à-dire que le brai de goudron de houille est imprégné dans le produit à travers les pores ouverts. Généralement, le graphite pressé isostatique subit plusieurs cycles d’imprégnation-calcination.

Lorsque le produit calciné est chauffé à environ 3 000 °C, le réseau d’atomes de carbone est disposé de manière ordonnée et la transformation du carbone en graphite est terminée, appelée graphitisation.

Après graphitisation, la densité apparente, la conductivité électrique, la conductivité thermique et la résistance à la corrosion du produit sont grandement améliorées, et les performances d'usinage sont également améliorées. Cependant, la graphitisation réduit la résistance à la flexion de l'article.

Après graphitisation, il est également nécessaire de vérifier la densité, la dureté, la résistance, la résistivité, la teneur en cendres et d'autres indicateurs du produit pour juger si les indicateurs répondent aux exigences.

À propos des principales utilisations

Lorsque le graphite isostatique est utilisé dans les domaines des semi-conducteurs, du silicium monocristallin et de l'énergie atomique, les exigences de pureté sont très élevées et les impuretés doivent être éliminées par des méthodes chimiques avant de pouvoir être utilisées dans ces domaines.

La manière habituelle d'éliminer les impuretés du graphite consiste à mettre le produit graphitisé dans un gaz halogène et à le chauffer à environ 2 000 °C. Les impuretés seront halogénées en halogénures à bas point d'ébullition, volatilisées et éliminées.

Presque toutes les impuretés présentes dans les produits graphitisés peuvent être éliminées par halogénation au chlore. L'exception est le bore, qui ne peut être éliminé que par fluoration.

Cette méthode de purification exploite pleinement les caractéristiques uniques du graphite qui ne réagit pas avec les halogènes à haute température et qui est poreux.

Dans le domaine thermique du silicium monocristallin Czochralski, les composants en graphite isostatique comprennent des creusets, des éléments chauffants, des électrodes, des plaques de protection d'isolation thermique, des supports de germes de cristal, des bases pour creusets rotatifs, divers disques, des plaques de réflexion thermique, etc. 30 types. Parmi eux, 80 % du graphite isostatique est utilisé pour fabriquer des creusets et des réchauffeurs.

Ces dernières années, les exigences en matière de diamètre pour les tiges de silicium monocristallin sont devenues de plus en plus grandes et la production de tranches de 300 mm est devenue de plus en plus courante. En conséquence, le diamètre de la zone de chauffage du four monocristallin est généralement de 800 mm. Afin de protéger le creuset en quartz placé à l'intérieur du four, le diamètre du creuset en graphite atteint 860 mm. Le diamètre du radiateur est d'environ 960 ~ 1000 mm. Le diamètre des autres pièces peut atteindre jusqu'à 1000 mm. 1500 mm.

Depuis 2003, la conscience de la population quant à la protection du cadre de vie de la planète s'est progressivement accrue et elle privilégie de plus en plus les sources d'énergie naturelles qui n'émettent pas de dioxyde de carbone. Dans le cadre de cette tendance, la production de cellules solaires a augmenté rapidement.

Dans le processus de fabrication de tranches de silicium polycristallin pour cellules solaires, les fragments de silicium polycristallin doivent d'abord être fondus et coulés en lingots carrés de silicium polycristallin. Le chauffage du four à lingots doit être en graphite pressé isostatiquement.

Ces dernières années, le climat mondial s’est réchauffé. On pense que le dioxyde de carbone produit par l’utilisation de combustibles fossiles contribue largement au problème. Ces dernières années, bien que la croissance économique des pays en développement ait atteint des résultats de renommée mondiale, le problème de la pénurie d'électricité a profondément troublé ces pays. Dans de telles circonstances, l'attention des gens s'est tournée vers la production d'énergie atomique, qui a une densité de flux d'énergie bien supérieure à celle des cellules solaires et de l'énergie éolienne, et n'émet pas de dioxyde de carbone ni d'oxydes de soufre.

Actuellement, la plupart des réacteurs nucléaires utilisés dans le monde sont des réacteurs à eau légère. Le principe de fonctionnement de ce type de réacteur est d'utiliser l'énergie thermique générée lors de la fission nucléaire pour vaporiser de l'eau froide en vapeur d'eau à 300°C, qui entraîne la turbine pour produire de l'électricité. Cependant, en raison de la basse température du réacteur à eau, l’efficacité de production d’électricité du réacteur à eau légère n’est pas très élevée. En revanche, les réacteurs refroidis au gaz à haute température ne rencontrent pas de tels problèmes. Il utilise un gaz inerte (hélium) comme liquide de refroidissement. Non seulement la température de sortie du cœur du réacteur peut atteindre près de 1 000 °C, il présente une efficacité de production d'énergie élevée, mais il est également adapté à la production d'hydrogène. On peut dire que l'alimentation électrique et la protection de l'environnement sont toutes deux équilibrées.

Le graphite convient comme matériau de base de ce réacteur refroidi au gaz à haute température car le graphite résiste non seulement aux températures élevées, mais absorbe également moins de neutrons et possède de bonnes propriétés de transfert de chaleur.

Le graphite est un modérateur de neutrons et un excellent réflecteur. Ses nombreuses excellentes propriétés ont établi sa position dans l'industrie nucléaire. Le graphite peut non seulement répondre aux besoins de la production industrielle de masse, mais présente également les caractéristiques de résistance mécanique élevée et de résistance aux températures élevées requises par les matériaux de structure. Le graphite convient donc comme matériau structurel pour les réacteurs refroidis au gaz à haute température.

Les caractéristiques très sûres des réacteurs refroidis au gaz à haute température ont conduit les gens à proposer le concept de conception de réacteurs modulaires refroidis au gaz à haute température. La prochaine génération de réacteurs nucléaires à ultra haute température (UHTR) évolue vers une densité de puissance élevée et une température élevée. Ces développements technologiques ont mis en avant des exigences plus élevées concernant les caractéristiques de la nouvelle génération de matériaux graphite, telles qu'une tolérance plus élevée aux dommages causés par les rayonnements, une homogénéisation des produits, une qualité élevée et un prix bas, un approvisionnement à long terme, etc.

À mesure que les dispositifs de fusion nucléaire deviennent progressivement plus grands, afin de générer du plasma à haute température, des matériaux en graphite présentant une bonne conductivité thermique et une résistance mécanique élevée sont utilisés comme premier matériau de paroi face au plasma et ont montré de bons effets d'impulsion de décharge. De plus, même s'ils sont mélangés au plasma, en raison de leur faible numéro atomique, la perte de rayonnement provoquée est faible, de sorte que le plasma à haute température peut rester stable. Cependant, l'incidence des isotopes de l'hydrogène entraînera la génération par le matériau graphite d'éclaboussures chimiques consommatrices de gaz CH4 et d'un phénomène de perte de sublimation accru par rayonnement (la sublimation renforcée par rayonnement signifie que les particules de plasma sont dans un environnement d'irradiation, même si la température actuelle n'atteint pas la température de sublimation thermique normale du graphite, le matériau graphite se sublimera également et se perdra). Par conséquent, lors de l’utilisation d’un matériau graphite comme matériau de surface du plasma, il faut prêter attention aux conditions d’utilisation du graphite, en particulier à la température.

Le matériau de revêtement du plasma et la plaque de dérivation du dispositif à plasma critique JT-60U développé par l'Institut japonais de recherche sur l'énergie atomique utilisent des composants en matériaux en graphite. Parmi eux, la plaque divertrice à la sortie du plasma utilise un matériau composite C/C spécial à haute conductivité thermique, haute résistance aux chocs thermiques et de la fibre de carbone comme matière première. Le premier mur à charge thermique relativement faible adopte divers matériaux. Matériau graphite isotrope.

En bref, l’industrie mondiale de l’énergie atomique connaît diverses évolutions et changements. Dans le domaine des réacteurs refroidis au gaz à haute température, les réacteurs commerciaux refroidis au gaz à haute température progressent en Afrique du Sud et en Chine. Dans le domaine des réacteurs à fusion nucléaire, il existe des réacteurs expérimentaux. Parallèlement au projet de réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER), la transformation du dispositif japonais JT-60 est également en cours.

L'usinage par électroérosion, qui utilise principalement du graphite ou du cuivre comme électrodes, est largement utilisé dans les domaines de traitement tels que les moules métalliques.

Exigences préalables au traitement de la forme du graphite pour l'usinage par électroérosion : ① faible consommation d'outils ; ② vitesse de traitement rapide ; ③ bonne rugosité de la surface usinée ; ④ pas de saillies pointues, etc.

Exigences pour le processus d'usinage par électroérosion : ① Vitesse d'usinage par électroérosion rapide ; ② Moins de consommation de longueur d'électrode ; ③ Moins de perte d'angle d'électrode ; ④ Bonne rugosité de la surface usinée de la pièce ; ⑤ Moins d'irrégularités de la surface usinée de la pièce, etc.

Par rapport aux électrodes de cuivre, les électrodes de graphite pour l'usinage par électroérosion présentent les avantages suivants : ① Plus légères que le cuivre, faciles à transporter, seulement 1/5 du poids du cuivre dans la même forme ; ② Facile à traiter ; ③ Le traitement de coupe n'est pas facile à produire des contraintes et des déformations thermiques ; ④ Le point de fusion est supérieur à 3 000 °C, le coefficient de dilatation thermique est faible et les électrodes de graphite sont rarement déformées par la chaleur générée par l'usinage par électroérosion.

Cependant, les électrodes en graphite présentent également certains inconvénients, tels que ① la facilité de production de poussière lors de la coupe ; ② perte facile, etc.

Les fabricants d'électrodes de graphite pour l'usinage par électroérosion produisent différentes qualités de produits, depuis l'usinage grossier à bas prix jusqu'à la finition.

Récemment, des électrodes de graphite pour l'usinage par électroérosion de particules ultrafines sont apparues sur le marché, différentes du concept traditionnel. Ce type d'électrode vise à réduire la consommation de graphite. Son idée de développement est simplement : moins de consommation d'électrode → moins de particules de graphite tombant de l'électrode pendant le traitement par décharge électrique → particules fines → force de liaison élevée entre les particules → utilisation efficace et rationnelle des granulats d'asphalte → Ajuster les paramètres de fabrication pour réduire le taux de défauts et le coût de fabrication.

Quant à savoir si les électrodes de graphite pour l'usinage par électroérosion de particules ultrafines peuvent être commercialisées, cela dépend également du niveau technologique de production des fabricants d'électrodes de graphite.

Dans les circonstances actuelles, le processus de découpe est encore quelque peu impuissant dans le traitement approfondi et détaillé des moules métalliques. Parce que la forme et la résistance des outils de coupe existants sont difficiles à répondre aux exigences d'un traitement profond et détaillé. C'est pourquoi des électrodes en graphite pour décharge de précision, traitées à partir de graphite pressé isostatique, ont été développées pour la finition afin de tirer pleinement parti des nombreux avantages des électrodes en graphite.

En raison des avantages de la simplification du processus de coulée, de l'amélioration du taux de qualification des produits et de l'uniformité de la structure du produit, il est devenu très courant d'utiliser la coulée et le laminage continus pour produire des plaques, des tubes, des tiges, etc. de métaux non ferreux. À l'heure actuelle, la production de cuivre pur, de bronze, de laiton et de cuivre blanc à grande échelle adopte principalement la coulée continue. Parmi eux, le cristalliseur, qui joue un rôle essentiel dans la qualité du produit, est en graphite isostatique.

Parce que le matériau graphite pressé isostatiquement possède de bonnes propriétés en termes de conduction thermique, de stabilité thermique, d'autolubrification, d'anti-mouillage et d'inertie chimique, il est devenu un matériau irremplaçable pour la fabrication de cristalliseurs.

Le graphite isostatique est également utilisé pour fabriquer des outils diamantés et des moules de frittage en carbure cémenté, des composants de champ thermique (appareils de chauffage, cylindres d'isolation, etc.) des machines de tréfilage de fibres optiques, des composants de champ thermique (appareils de chauffage, cadres de roulements, etc.) et des échangeurs de chaleur en graphite de précision, des composants de garniture mécanique, des segments de piston, des roulements, des tuyères de fusée, etc.

Dans la production industrielle actuelle, le graphite est devenu un matériau clé indispensable, en particulier dans l'industrie solaire, l'industrie des LED, l'industrie des semi-conducteurs et l'industrie nucléaire, la demande de graphite augmente fortement et les exigences de qualité sont de plus en plus élevées.