特種石墨

並非所有特種石墨都必須達到同樣的高密、高強、高純指標，使用於不同場合的特種石墨有特定的強度、密度要求，即強度、密度指標不一樣。許多特種石墨不需要達到高純，灰分並非主要質量指標。有的特種石墨不需要高強、高密但需要高純。有的特種石墨如電火花加工用石墨根據不同的加工工藝和加工對象需要不同理化指標的細顆粒結構石墨或特細顆粒結構石墨。

電火花加工是機械製造工業中的一種新型加工工藝，電火花加工可以對許多硬度較大的金屬進行加工，並可加工形狀複雜、精度要求較高的零部件，作為陽極的工具電極可以使用銅質材料，也可使用石墨材料。用作電火花加工的工具電極的石墨材料必須具備下列條件：

（1）結構緻密、組織均勻，不應當有粗顆粒料和大的氣孔；

（2）有較高的機械強度，又有良好的加工性能，能加工出複雜的形狀或銳角、薄片狀；

（3）石墨質工具電極，在電火花加工過程中有一定損耗，這種損耗應儘可能低；

（4）放電特性穩定，加工速度較快。因此電火花加工用石墨一般都採用細顆粒結構石墨或特細顆粒結構石墨，在物理性能上最好是各向同性。所以當前中國電火花加工石墨材料市場上用得較多的是細顆粒結構的各向同性石墨。

2005年國內需要電火花加工石墨估計為4000T，其中使用高檔石墨約佔25%，使用中低檔石墨約佔75%。今後可能以10%的年增漲幅度上升。使用進口高檔石墨（主要是等靜壓成型的各向同性石墨）約佔全部用量10%。國外電火花加工用各向同性石墨的品種較多，可分別用於粗加工、半精加工、精加工、精細加工、超精細加工和精密加工（線切割等模具的加工）。

機械工業中的鑄造行業大量使用石墨材料作為加壓鑄造、離心鑄造、超硬合金的熱擠壓等加工的模具，大到火車車輪，小到精密零件都可以使用石墨模具。石墨模具可多次重複使用，脫模后的鑄件具有較高的光潔度，有的無需進一步加工即可使用。用作鑄造模具的石墨材料應該是質地緻密、熱膨脹係數較低、抗氧化性能較好的石墨，用於鑄造尺寸較大的鑄件的石墨可以用較粗的粒度組成，而用於鑄造小型精密零件的石墨必須使用細顆粒結構的石墨。中國用於製造模具的石墨數量較大，2005 年連續鑄造用石墨約1500t、燒結模用石墨估計需要4000t。表4為吉炭集團上海炭素廠生產的細顆粒結構石墨的規格和技術性能。

在模具石墨中以金屬連續鑄造石墨的質量要求最嚴，要求其熱導率高，熱穩定性和耐熱衝擊性好，潤滑性好，不與熔融金屬浸潤，不與鑄造金屬反應，容易加工成尺寸精確的模具。連續鑄造石墨的特性一般如下：體積密度1.7-1.9g/cm，抗折強度30-40MPa，抗拉強度20-30MPa，熱導率100 < 130 W/(m · K)。

縱形角板為 1260 mm X 200 mm X 280 mm ;橫形板材為1000 mm X 70 mm X 240 mm ;鑄造 速度根據鑄板的尺寸不同而異，取值範圍為0. 7 ~4 m/min。冷模壓細顆粒結構石墨或等靜壓成型的細 顆粒結構石墨都可以加工成金屬連續鑄造用石墨件。

高純石墨一般指含碳量在99. 99%以上的石 墨，在組織結構上可分為粗顆粒結構、細顆粒結構 和超細顆粒結構三類，高純石墨大量用於直拉單晶 硅爐中。集成電路的基礎材料主要是硅單晶晶元，當前硅單晶的成長工藝主要採用直拉（CZ)法，其他 方法還有磁場直拉法（MCZ)、區域（FZ)法以及雙坩堝拉晶法，全球電子工業用直拉單晶硅約佔單晶硅 總用量的80% ,直拉單晶硅爐中的石墨件是消耗品，採用高純石墨材料加工成直拉單晶硅爐的加熱系統。2005年中國需要直拉硅單晶爐用 石墨約800 t。

高純石墨另一重要用途是加工成各類坩堝，用 於生產貴金屬、稀有金屬或高純金屬、非金屬材料。光 譜分析用石墨電極也是一種高純石墨，可用於除碳素以外的所有元素的光譜化學分析，光譜分析用石墨 電極用擠壓方法成型。成品的雜質元素含量應不大於6*10在光譜分析中製備標準樣品和用化學方法捕集雜質時需用光譜純炭粉或光譜純石墨粉，這兩種 高純材料對雜質含量的要求都是在6 *10；在某些 用途方面，需要含碳量達到99.9995%,總灰分含量 小於5 *10。高純石墨的成型方法有擠壓成型、模壓 成型及等靜壓成型三種。表9為中國生產的高純石 墨產品理化性能指標舉例，表10為中國光譜分析 用高純石墨電極產品理化性能舉例。

石墨是建造核反應堆使用的減速材料和反射材料之一，早期的反應堆都是石墨堆。作為結構材料使用的核反應堆用石墨在選用原料、工藝控制、成品檢驗上比石墨電極嚴格得多，也昂貴得多，核反應堆用石墨必需具備下列性能：對慢中子的吸收量小、高溫強度好、抗熱震性高、對快中子的減速性能好、在輻照下尺寸穩定、雜質含量極少。硼、鎘等易於吸收中子的元素要嚴格控制其含量。

核石墨必需有較高的體積密度M 因為石墨對快中子的減速作用是依靠快中子對碳原子的碰撞作用而實現的M 單位體積內碳原子越多M 減速效果越好M所以體積密度是核石墨的主要指標之一M 體積密度也與石墨的氣孔率和滲透率直接有關M 為了避免核燃料及載熱體的損失M 要將氣孔率及滲透率降低到一定水平。石墨的機械強度也與其體積密度有關，一般石墨堆使用的核石墨的體積密度在1.7-1.75g/cm。國外一般核石墨的物理指標舉例如表05。

用於發電的核反應堆當前主要是不需要用石墨的壓水堆，但專家預計高溫氣冷堆很有發展前途，高溫氣冷堆則需要大量的高級石墨材料9 在高溫氣冷堆中由於用氦氣作為冷卻劑，用炭素及陶瓷材料作為燃料的包覆材料，用石墨或炭質材料作為減速材料和爐芯結構材料，可以把接近( --- 5的高溫氣體導出反應堆外作為能源使用。國際上已經建立了多座開發研究用高溫氣冷堆，所用的石墨材料性能詳見表。

雖然國際上對各向同性石墨的定義有待於進一步明確，一般是測量產品直徑方向和長度方向的某些物理性能指標並計算其比值，有的用熱膨脹係數的比值表示，最簡單的是以電阻率的比值表示，其異向比在1.0~1.1範圍內稱為各向同性 產品，超過1.1稱為各向異性產品。日本等工業技 術先進國家用等靜壓成型方法生產的大型各向同 性石墨直徑達1.5 m，長度達3 %，體積密度達到 1.95-2.0 g/cm，各向異性比縮小到1.05。製造 各向同性石墨除使用一般石油焦外，還使用改性 瀝青焦、天然瀝青焦、氧化石油焦、不經煅燒的生石油焦、天然石墨等。