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【碳材料發(fā)展史】 ——新興工業(yè)用炭
碳，生命之源，
它是地球上一切有機(jī)體生物的骨架元素，
是構(gòu)成人體最重要的元素。
【碳材料發(fā)展史】
新興工業(yè)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(qiáng)結(jié)構(gòu)、新型電池、核反應(yīng)器等。
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等靜壓石墨
等靜壓石墨是上世紀(jì)40年代發(fā)展起來(lái)的一種新型石墨材料，具有一系列優(yōu)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(jī)械強(qiáng)度反而升高，在2500℃左右時(shí)達(dá)到最高值；與普通石墨相比，結(jié)構(gòu)精細(xì)致密，而且均勻性好；熱膨脹系數(shù)很低，具有優(yōu)異的抗熱振性能；各向同性、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能良好；具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能。正是由于具有這一系列的優(yōu)異性能，等靜壓石墨不僅在民用上大有作為，在國(guó)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(jié)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(yīng)堆的減速材料和反射材料的絕好材料。
應(yīng)用
太陽(yáng)能電池及半導(dǎo)體晶片用石墨
在太陽(yáng)能、半導(dǎo)體行業(yè)中，大量使用等靜壓石墨，制作單晶直拉爐熱場(chǎng)石墨部件，多晶硅熔鑄爐用加熱器，化合物半導(dǎo)體制造用加熱器、坩堝等部件。近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，光伏產(chǎn)業(yè)中的單晶硅和多晶硅生產(chǎn)對(duì)石墨需求量巨大。目前，單晶、多晶硅產(chǎn)品均朝大型化、高端化發(fā)展，對(duì)等靜壓石墨也有了更高的要求，即：更大規(guī)格、更高強(qiáng)度、更高純度。
有色冶金連鑄用石墨結(jié)晶器
為了縮短生產(chǎn)工藝流程，降底成本，提高質(zhì)量，減少勞動(dòng)強(qiáng)度和對(duì)環(huán)境的污染，20多年來(lái)金屬材料生產(chǎn)逐漸向連鑄方向發(fā)展。
等靜壓石墨主要用于大型銅材生產(chǎn)線。自1985年開(kāi)始，我國(guó)從奧地利、法國(guó)、瑞士、日本等國(guó)先后引進(jìn)30多條生產(chǎn)線，而國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)制造的生產(chǎn)線已達(dá)到100多條，均采用石墨結(jié)晶器。
電極石墨
電火花加工是當(dāng)今模具行業(yè)的一次革命，它不僅簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)工藝手段，而且使制造異形模具成為可能。石墨無(wú)熔點(diǎn)，是電的良導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)石墨材料
等靜壓石墨具有中等的力學(xué)性能，特別出色的高溫力學(xué)性能，導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)低。在高溫氣冷堆中，主要用作反射劑、慢化劑及活性區(qū)結(jié)構(gòu)材料，同核燃料一道構(gòu)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(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)年之久，容易造成輻照損傷，從而改變石墨的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，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(guī)工程用石墨的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，核純和耐輻照損傷。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)核石墨材料的研制尚缺輻照試驗(yàn)這一環(huán)節(jié)，這是下一步研制中必須面對(duì)過(guò)程，除輻照要求外，核石墨在冷態(tài)狀態(tài)下的質(zhì)量要求是：規(guī)格大型化、質(zhì)量穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低。目前，我國(guó)只能生產(chǎn)少量的高溫氣冷堆反應(yīng)用核石墨，主要還是依賴進(jìn)口。
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熱解石墨
熱解石墨是新型炭素材料，是高純碳?xì)錃怏w在一定的爐壓下，在1800℃～2000℃的石墨基體上經(jīng)化學(xué)氣相沉積出的較高結(jié)晶取向的熱解碳，它具有高密度（2.20g/cm）、高純度（雜質(zhì)含量（0.0002%）和熱、電、磁、力學(xué)性能各向異性。在1800℃左右仍能維持10mmHg的真空度。
應(yīng)用
主要應(yīng)用
石墨加熱器、導(dǎo)流桶、PBN/PG復(fù)合加熱器、原子吸收管。
涂層產(chǎn)品應(yīng)用
半導(dǎo)體行業(yè)中，拉制硅單晶導(dǎo)流筒。
半導(dǎo)體行業(yè)石墨加熱器涂層。
晶片退火工藝PBN/PG復(fù)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(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)取決于其制造條件，其中以沉積溫度為重。
從其反應(yīng)機(jī)理上說(shuō),制備熱解碳要經(jīng)歷兩個(gè)階段:
1 發(fā)生炭化過(guò)程, 生成焦碳和分離的揮發(fā)產(chǎn)物。
2 生成的產(chǎn)物降解成熱解碳、水、氣體。
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