等静压石墨特性值
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等静压石墨的特性
1、各向同性
石墨压制前的物料,无论是糊料,还是粉末,物料的颗粒排列是无序的,在压力作用下,粉末颗粒发生位移和变形,颗粒间的接触表面因塑性变形而增大,发生机械的咬合和交织,使物料被压实。物料中的炭质颗粒,用显微镜观察,可以看到,他们既非圆形,也非方形。属不规则形状。即长、宽比不同。在挤压和模压的情况下,受单方向压力和模具摩擦作用,这些炭质颗粒将作有序排列。这便造成最终产品性能上的差异,如电气、机械、热性能等。即垂直于压力面的方向与水平于压力面的方向性能不同,人们称其为“各向异性”。在许多使用的场合,不需要石墨的“各向异性”,而需要它的“各向同性”。
等静压成型改物料的单方向(或双方向)受压为多方向(全方位)受压,碳素颗粒始终处于无序状态。从而使最终产品没有或很少有性能上的差异。方向上的性能比不大于111。人们称其为:“各向同性”。当然,为了进一步缩小性能上的差异,除关键的等静压机成型外,尚需在炭质颗粒结构和工艺上进一步调整。
各向同性石墨材料的最大特征,是石墨各方向测定的性能都是等同性的(异方性)。它的异方向性为1.0-1.1,一般为1.02-1.06。此外,各向同性石墨的体积密度、机械强度等与普通石墨相比,其性能要高一个档次,如体积密度为 1.70-1.90g/cm3(普通石墨为
1.60-1.80 g/cm3 ),抗折强度为35-90MPa(普通石墨为25-45MPa)等。
2、体积密度的均一性
为制造细结构,质地致密,组织均匀的石墨制品,采用粉末压制(而非糊料)是唯一的方法。而用粉末压制只有采用模压方法和等静压方法。在采用模压成型时,无论是单面压制或双面压制,受摩擦力(炭质颗粒间和制品与模具间)的影响,压力的传递将逐渐降低,从而造成体积密度的不均匀。这种差异,随制品的高度增加而加大。
这种毛坯整体上的密度不均匀,不仅为以后工序——焙烧带来隐患,亦将造成毛坯加工成品部件时,带来单个产品的性能差异,是十分有害的。
采用等静压机成型时,产品各方位受力均匀,体积密度比较均一,且不受产品高度的限制。
3、可以制造大规格制品
由于信息产业的飞速发展,单晶硅的直径不断向大直径方向延伸,已由原来的75-100mm,发展到150-200mm,而且正向250mm、300mm发展。需要石墨材料的直径也随之增加。此外电火花加工用石墨、连铸石墨、核反应堆用石墨亦需大规格制品,如当今商品市场上已出现?1500×2000mm的石墨制品。而采用模压方法是无法完成的。这是因为它受到下列制约:(1)压机吨位的限制
以产品直径1500mm为例,假如压制单位压力为100MPa,则压制的使用压力将为:17,662.5t,设计的吨位将更高。虽然当今制造这样高吨位的压机,并不困难,但是假如制品长度加大,则此压机将是一个庞然大物。造价亦十分可观。
(2)产品高度的限制
目前采用双面压制模压产品的高度,也只能在300-400mm之间,假如制品高度为2,000mm,在通常情况下,上滑块与压机床面高度与制品高度比是4:1,那么压机的空间距离将达到8000mm。虽然对压机和模具进行结构改变,有望降低一些高度,但压机的设计与制造上将遇到很大的困难。更何况如此高的产品,其体积密度上的差异,将十分明显。甚至造成中间部位无法成型的状态。
(3)焙烧的限制
统计数据表明,炭石墨制品的生产废品,70%以上是焙烧工序造成的,废品的主要形式是产品的内、外部裂纹。造成焙烧产品开裂的原因很多,诸如配方的合理性、粘结剂的加入量多少、单位压力的大小、焙烧曲线的快慢、产品受热的均匀程度、焙烧低温过程的“浸氧”、填充料的性质等等,但不可否认,制品体积密度的不均匀,是产品内部结构缺欠所造成焙烧开裂的主要元凶之一。这是因为体积密度的不同,膨胀系数便有差异,在焙烧过程中,将产生不均衡的内应力。当这种内应力超过制品本身强度时,便因内应力释放而开裂。这种开裂不仅在焙烧过程中产生,在冷却过程也易于产生。
由于等静压机成型的产品,如上所述,在很大程度上,克服了体积密度的不均匀性,不仅在产品规格相同的情况下,产品开裂的可能性大幅度降低,而且使生产大规模产品成为可能。除上述之外,采用等静压机成型的等静压石墨,除圆形和板材之外,还可以制造异形产品。更重要的是,产品性能与产品的规格大小无关。
4、各向同性石墨与各向异性石墨的性能比较
各向同性石墨与各向异性石墨的性能比较见表3-1
表3-1 各向同性石墨与各向异性石墨的特性比较
对比项目各向同性石墨各向异性石墨
各向异性比 1.0-1.1 大于1.1
平均焦炭颗粒直径/?m 1-10 10-100
体积密度/(g/cm3) 1.7-2.0 1.6-1.8
抗折强度/MPa 39.2-98 29.4-58.8
毛坯尺寸/mm
最大直径-圆筒形1500 500
最大直径-圆柱形1100 500
最大长度2500 500
毛坯形状可以制造长尺寸和异形材料不能制造长尺寸和异形制品
毛坯尺寸与特性特性与毛坯形状尺寸无关根据毛坯形状、尺寸大小特性不同
毛坯尺寸精度精度不好精度较好
毛坯内离散程度体积密度的R值与毛坯内部位置无关,特性离散小,0.03
以内
中心部位与周边部位特性有差异,0.06
左右
体积密度LOT间的离散±0.03±0.6