等方性グラファイトについて
等方性黒鉛は 、1960年代に開発された新しいタイプの黒鉛材料であり、一連の優れた特性を備えています。例えば、静水圧黒鉛は耐熱性に優れています。不活性雰囲気では、その機械的強度は温度が上昇しても低下しないだけでなく、増加し、約 2500 °C で最高値に達します。通常のグラファイトと比較して、構造は細かく緻密で均一性が良好です。熱膨張係数が低く、耐熱衝撃性に優れています。等方性;強力な耐化学腐食性、良好な熱伝導性および電気伝導性。優れた加工性能。
この一連の優れた特性により、静水圧黒鉛はの分野で広く使用されており 冶金、化学、電気、航空宇宙、原子力産業、科学技術の発展に伴いその応用分野は今も拡大しています。
等方性グラファイトには構造的に等方性の原料が必要であり、これをより細かい粉末に粉砕する必要があります。冷間静水圧プレス技術が必要です。点火サイクルは非常に長いです。目標の密度を達成するには、複数回の含浸と焼成サイクルが必要です。 、黒鉛化の期間は通常の黒鉛よりもはるかに長いです。
静水圧黒鉛を製造するための原料には、骨材と結合剤が含まれます。骨材は石油コークスやピッチコークスが一般的ですが、粉砕したピッチコークスも使用されます。例えば、米国ＰＯＣＯ社のＡＸＦシリーズ等方性黒鉛は、粉砕ピッチコークスであるギルソナイトコークスを用いて製造される。
製造工程について
等方性グラファイトの性能は原材料に大きく影響され、原材料の選択は目的の最終製品を製造するための重要な鍵となります。供給する前に、原料の特性と均一性を厳密にチェックする必要があります。
通常の押出成形や圧縮成形とは異なり、静水圧グラファイトは冷間静水圧プレス技術によって成形されます。原料の圧縮粉末をゴム型に充填し、高周波電磁振動により圧縮粉末を緻密にし、密封後真空引きして粉末粒子間の空気を排出し、水や油などの液体媒体が満たされた高圧容器に入れます。 100～200MPaまで加圧し、円筒形や角形の製品に圧入します。
パスカルの原理によれば、水などの液体媒体を介してゴム型に圧力がかかり、その圧力は全方向に均等になります。このように、プレス粉粒子は金型内の充填方向に配向せず、不規則な配列で圧縮される。したがって、黒鉛は結晶学的性質において異方性があるが、全体としては等方性黒鉛であって等方性である。
成形品の形状は円柱、直方体のほか、樽型、るつぼ型などがあります。
静水圧プレス機は主に粉末冶金業界で使用されます。航空宇宙、原子力産業、超硬合金、高電圧電磁気学などのハイエンド産業のニーズにより、静水圧プレス技術は急速に発展しました。作動シリンダー内径3000mm、高さ5000mm、最大作動圧力600MPaの冷間静水圧プレスを製造する能力を有します。
現在、炭素産業で静水圧黒鉛を製造するために使用される冷間静水圧プレスの最大サイズはΦ2150mm×4700mmで、最大使用圧力は180MPaです。
静水圧グラファイトは微細構造であるため、焙煎プロセスは特にゆっくりと行う必要があり、炉内の温度は非常に均一でなければならず、特にピッチ揮発分が急速に排出される温度段階では、加熱プロセスは慎重に実行する必要があり、加熱速度は 1°C/h を超えてはなりません。炉内の温度差を20℃以内にする必要があり、この工程には1～2ヶ月程度かかります。
製品のかさ密度、機械的強度、電気伝導率、熱伝導率、化学反応性を向上させるために、加圧含浸処理、つまりコールタールピッチを開気孔を通して製品に含浸させる処理が行われます。通常、等方加圧されたグラファイトは複数回の含浸-焼成サイクルを経ます。
焼成物を約3000℃に加熱すると、炭素原子の格子が規則的に配列し、炭素から黒鉛への変態が完了します。これを黒鉛化といいます。
黒鉛化後、製品のかさ密度、電気伝導率、熱伝導率、耐食性が大幅に向上し、加工性能も向上します。しかしながら、黒鉛化により物品の曲げ強度が低下する。
黒鉛化後は、製品の密度、硬度、強度、比抵抗、灰分などの指標を確認し、要求を満たすかどうかを判断する必要があります。
主な用途について
アイソスタティックグラファイトが半導体、単結晶シリコン、原子力の分野で使用される場合、純度に対する要求は非常に高く、これらの分野で使用する前に化学的方法で不純物を除去する必要があります。
黒鉛中の不純物を除去する一般的な方法は、黒鉛化物をハロゲンガス中に入れて2000℃程度に加熱することにより、不純物をハロゲン化して低沸点のハロゲン化物として揮発除去します。
黒鉛化製品中のほとんどすべての不純物元素は塩素ハロゲン化により除去できます。例外はホウ素で、フッ素化によってのみ除去できます。
この精製方法は、高温でもハロゲンと反応せず、多孔質であるという黒鉛の特性を活かした精製方法です。
チョクラルスキー単結晶シリコンの熱分野では、等方性黒鉛部品として、るつぼ、ヒーター、電極、断熱遮蔽板、種結晶ホルダー、るつぼ回転台、各種ディスク、熱反射板など30種類が含まれます。このうち等方性黒鉛の80％はるつぼやヒーターの製造に使用されています。
近年、単結晶シリコンロッドの要求直径はますます大きくなり、300mmウェーハの生産が主流になってきています。これに対応して、単結晶炉の加熱ゾーンの直径は 800mm がほとんどです。炉内に設置された石英るつぼを保護するため、黒鉛るつぼの直径は860mmにも達します。ヒーターの直径は約960～1000mmです。他の部品の直径は最大1000mmに達する場合があります。 1500mm。
2003年以降、地球の生活環境を守る意識が徐々に高まり、二酸化炭素を排出しない自然エネルギーへの関心が高まっています。このような流れを受けて、太陽電池の生産は急速に増加しています。
太陽電池用の多結晶シリコンウェーハの製造工程では、まず多結晶シリコンの破片を溶解し、角形の多結晶シリコンインゴットに鋳造する必要があります。インゴット炉のヒーターは静水圧加圧グラファイト製である必要があります。
近年、地球規模の気候が温暖化しています。化石燃料の使用によって生成される二酸化炭素が、この問題の主な原因であると考えられています。近年、開発途上国の経済成長は世界的にも有名な成果を上げていますが、電力不足の問題はこれらの国々を深く悩ませています。このような状況の中、太陽電池や風力に比べてエネルギー流密度がはるかに高く、二酸化炭素や硫黄酸化物を排出しない原子力発電に注目が集まっています。
現在、世界中で使用されている原子炉のほとんどは軽水炉です。このタイプの原子炉の動作原理は、核分裂中に発生する熱エネルギーを利用して冷水を蒸発させて 300 ℃の水蒸気にし、その水蒸気がタービンを駆動して発電することです。しかし、水炉の温度が低いため、軽水炉の発電効率はあまり高くありません。対照的に、高温ガス冷却炉にはそのような問題はありません。冷却剤として不活性ガス（ヘリウム）を使用します。炉心出口温度が1000℃近くに達し、発電効率が高いだけでなく、水素の製造にも適しています。電力供給と環境保護の両立が図られていると言えます。
黒鉛は高温に耐えるだけでなく、中性子の吸収が少なく、伝熱特性が良好なため、この高温ガス炉のコア材料として適しています。
グラファイトは中性子の減速材であり、優れた反射材です。その多くの優れた特性により、原子力産業における地位を確立しました。黒鉛は工業的な大量生産のニーズに応えるだけでなく、構造材料に求められる高い機械的強度や高温耐性などの特性を備えています。したがって、黒鉛は高温ガス炉の構造材料として適している。
高温ガス冷却反応器の非常に安全な特徴により、人々はモジュール式高温ガス冷却反応器の設計概念を提案するようになりました。次世代の超高温原子炉 (UHTR) は、高出力密度と高温を目指して進んでいます。これらの技術開発により、より高い放射線損傷耐性、製品の均質化、高品質かつ低価格、長期供給など、新世代の黒鉛材料の特性に対するより高い要求が高まっています。
核融合装置の大型化に伴い、高温のプラズマを発生させるため、プラズマに面する第一壁材には熱伝導率が良く、機械的強度の高い黒鉛材料が使用され、良好な放電パルス効果を示しています。また、たとえプラズマ中に混入しても、原子番号が低いため輻射損失が少なく、高温プラズマを安定に維持することができる。ただし、水素同位体の入射により、黒鉛材料に CH4 ガスの化学的消費量の飛沫と放射線増強昇華損失現象が発生します (放射線増強昇華とは、プラズマ粒子が照射環境にあることを意味します。現在の温度が黒鉛温度の通常の熱昇華に達していない場合でも、黒鉛材料も昇華して損失します)。したがって、プラズマ表面材料として黒鉛材料を使用する場合には、黒鉛の使用条件、特に温度に注意する必要がある。
日本原子力研究所が開発中の臨界プラズマ装置JT-60Uのプラズマ対向材とダイバータ板には黒鉛材料を使用した部品が使用されています。このうち、プラズマ出口のダイバータープレートには、高熱伝導率、高耐熱衝撃性を備えた特殊なC/Cコンポジット材料と炭素繊維を原料として使用しています。熱負荷が比較的低い第一壁には様々な材質が採用されています。等方性グラファイト素材。
つまり、世界の原子力産業はさまざまな発展と変化を遂げています。高温ガス炉の分野では、南アフリカや中国で高温ガス炉の商業化が進んでいる。核融合炉の分野には実験炉があります。国際熱核融合実験炉（ITER）プロジェクトが実施される一方で、日本のJT-60装置の改造も進行中です。
放電加工は主に黒鉛や銅を電極として用い、金型などの加工分野で広く使用されています。
放電加工用グラファイトの形状加工における前工程の要件： ① 工具消耗が少ない。 ②処理速度が速い。 ③ 加工面の粗さが良好。 ④鋭利な突起物等がないこと。
放電加工工程に求められる条件は、 ① 放電加工速度が速いこと。 ② 電極長の消耗が少ない。 ③電極角度のロスが少ない。 ④ ワークの加工面の粗さが良好です。 ⑤ ワーク等の加工面の凹凸が少ない。
放電加工用グラファイト電極は、銅電極と比較して次のような利点があります。 ① 銅よりも軽く、持ち運びが容易であり、同じ形状であれば銅の1/5しかありません。 ②加工が容易。 ③ 切削加工は応力や熱変形が生じにくい。 ④ 融点が3000℃以上で熱膨張係数が小さく、放電加工による発熱による黒鉛電極の変形がほとんどありません。
しかし、黒鉛電極には、①切断時に発塵しやすい、②切断時に発塵しやすい、などの欠点もあります。 ②紛失しやすいなど。
放電加工用黒鉛電極メーカーでは、低価格の荒加工から仕上げ加工まで様々なグレードの製品を生産しています。
最近では、従来の概念とは異なる超微粒子放電加工用のグラファイト電極が市場に登場しています。この種の電極は、黒鉛の消費量を削減することを目的としています。その開発思想はシンプルに、電極消耗の低減→放電加工時に電極からの黒鉛粒子の脱落が少ない→粒子が微細化→粒子間の結合強度が高い→アスファルト骨材の効率的かつ合理的な利用→製造パラメータを調整して不良率と製造コストを低減するというものだ。
超微粒子放電加工用黒鉛電極が商品化できるかどうかは、黒鉛電極メーカーの生産技術レベルにも依存します。
金型の深く細かい加工においては、切削加工ではまだまだ力不足なのが現状です。既存の切削工具では形状や強度が高く、深く細かい加工の要求を満たすことが難しいためです。そこで、黒鉛電極の利点を最大限に活かすため、等方加圧した黒鉛を仕上げ加工した精密放電用黒鉛電極を開発しました。
鋳造工程の簡素化、製品の品質保証率の向上、製品構造の均一性などの利点により、非鉄金属の板、管、棒などの製造には連続鋳造と圧延を使用することが非常に一般的になってきています。現在、大規模な純銅、青銅、黄銅、白銅の生産には主に連続鋳造が採用されています。中でも製品の品質に重要な役割を担う晶析装置には等方性黒鉛が使用されています。
静水圧プレスされたグラファイト材料は、熱伝導、熱安定性、自己潤滑性、耐濡れ性、化学的不活性性の点で優れた特性を備えているため、晶析装置を製造するためのかけがえのない材料となっています。
等方性黒鉛は、ダイヤモンド工具や超硬焼結金型、光ファイバー線引き機の熱分野部品（ヒーター、絶縁シリンダーなど）、熱分野部品（ヒーター、ベアリングフレームなど）、精密黒鉛熱交換器、メカニカルシール部品、ピストンリング、ベアリング、ロケットノズルなどの製造にも使用されます。
今日の工業生産において、黒鉛は不可欠な主要材料となっており、特に太陽電池産業、LED産業、半導体産業、原子力産業においては、黒鉛の需要が急増しており、品質要求もますます高くなっています。
