1 等靜壓石墨的主要用途
1. 1 直拉單晶硅熱場(chǎng)和多晶硅鑄錠爐用加熱器
在直拉單晶硅熱場(chǎng)中，等靜壓石墨部件有坩堝、加熱器、電極、隔熱遮蔽板、籽晶夾持器、旋轉坩堝用的底座、各種圓板、熱反射板等約30 種。其中，80%的等靜壓石墨用于制造坩堝和加熱器等。
近年來(lái)，對單晶硅棒的直徑要求越來(lái)越大，300mm 晶片的生產(chǎn)日益成為主流。與此相應，單晶爐加熱區的直徑大多為800 mm，爐內的石墨坩堝為了保護放置其中的石英坩堝，直徑達到了860 mm，加熱器直徑約960 ～1000 mm，其他部件的直徑有的最大達到了1500 mm。
從2003 年開(kāi)始，人們對地球居住環(huán)境的保護意識逐漸增強，人們越來(lái)越青睞不排放二氧化碳的自然能源。在這種趨勢下，太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)急增。在太陽(yáng)能電池多晶硅片的制造過(guò)程中，首先要將多晶硅碎塊熔鑄成多晶硅方錠。其中鑄錠爐的加熱器需要用等靜壓石墨來(lái)制作。
1. 2 原子能工業(yè)
近年來(lái)，全球氣候變暖。人們認為化石燃料的使用所產(chǎn)生的二氧化碳正是導致這個(gè)問(wèn)題的主要原因。最近幾年，雖然發(fā)展中國家的經(jīng)濟成長(cháng)取得了舉世矚目的成果，但是電力不足的問(wèn)題卻深深地困擾著(zhù)這些國家。在這樣的情況下，人們的眼光轉向了能流密度遠遠高于太陽(yáng)能電池和風(fēng)力發(fā)電，且不排放二氧化碳和硫氧化物的原子能發(fā)電。
目前，全世界已投入使用的核反應堆大都以輕水反應堆為主。這種堆型的工作原理是利用核裂解時(shí)產(chǎn)生的熱能將冷水氣化為300 ℃的水蒸氣，推動(dòng)渦輪機發(fā)電。但是，因水堆溫度較低，輕水反應堆的發(fā)電效率不是太高。
與此相比，高溫氣冷堆卻沒(méi)有這樣的問(wèn)題。它以惰性氣體(氦氣) 為冷卻劑，不僅堆芯出口溫度可達近1 000 ℃，發(fā)電效率高，還適合制造氫氣?？梢哉f(shuō)是電力供給和環(huán)境保護兩不誤。石墨適合作為這種高溫氣冷堆的堆芯材料，因為石墨不但耐高溫，而且吸收中子少，傳熱性好。
核聚變的燃料及材料資源幾乎取之不盡，反應時(shí)釋放的能量也非常巨大。要使核聚變長(cháng)期進(jìn)行，就必須將等離子體維持在一定的溫度狀態(tài)。石墨正是核聚變等離子體維持不可或缺的重要材料。
1.2.1`核裂變堆(高溫氣冷堆)
石墨是中子的慢化劑和優(yōu)良的反射劑。其自身的許多優(yōu)良特性，確立了它在核工業(yè)領(lǐng)域中的地位。石墨不但能夠滿(mǎn)足工業(yè)量產(chǎn)的需求，而且還具備了結構材料所要求的高機械強度和耐高溫的特點(diǎn)，因此石墨適合作為高溫氣冷堆的結構材料。
石墨用作慢化劑及反射劑的性質(zhì)要求
(1)一般特性要求
對石墨的性質(zhì)要求隨核反應堆的類(lèi)型及設計構造不同而有所變化。核反應堆所需要的石墨材料均為大型材料。此外，大量生產(chǎn)時(shí)，要求石墨材料不僅品質(zhì)穩定，純度高，而且要耐腐蝕，強度高。
(2)核石墨的特性及純度
慢化劑用于核裂變反應堆，使核裂變產(chǎn)生的快中子減速為熱中子，提高中子和235U 原子核碰撞的機會(huì )，從而提高裂變反應的幾率。所以，要求慢化劑對中子有較大的散射截面和較小的吸收面。石墨對中子的慢化能力和反射能力僅次于重水，是除重水外最好的慢化劑。因此，它是高溫氣冷堆唯一可使用的結構材料。
(3)輻照損傷引起的物理變化
堆芯及周?chē)玫氖?，在輻照狀態(tài)下會(huì )產(chǎn)生變形，熱導率降低，彈性模量增大，發(fā)生輻照蠕變等。因此，用于慢化劑的石墨必須對輻照蠕變及變形所產(chǎn)生的輻照應力有很強的耐受力。
石墨材料在高溫氣冷堆的使用現狀及今后的課題
高溫氣冷堆非常安全這一特征，使人們提出了模塊化高溫氣冷堆的設計理念。下一代超高溫核反應堆( UHTR)，朝著(zhù)高功率密度、高溫化方向邁進(jìn)。技術(shù)上的這些發(fā)展進(jìn)步，對新一代石墨材料的特性提出了更高的要求，比如，更高的輻照損傷耐受力，產(chǎn)品均質(zhì)化，物美價(jià)廉，長(cháng)期供貨等。美國在下一代核反應堆( NGNP) 研發(fā)計劃中，把日本東洋炭素的IG － 430 和羅蘭石墨美國分公司的2020 兩種牌號的等靜壓石墨作為備選的堆芯材料進(jìn)行研究。這2種石墨的性能指標見(jiàn)表1。
1.2.2  核聚變反應堆
石墨用于核聚變反應堆的等離子體面對材料，很大程度上減少了等離子體中的金屬雜質(zhì)，并表現出良好的導熱性，因此極大地提高了等離子體的能量約束特性?，F在大型的核聚變反應堆JT－60U 和JET的內壁幾乎都包覆了石墨。
2007 年10 月，國際原子能機構發(fā)起由7個(gè)國家(日本、EU、俄羅斯、美國、中國、韓國、印度) 聯(lián)手執行的國際熱核聚變實(shí)驗反應堆(ITER)計劃。這個(gè)計劃預計于2016 年在法國卡達拉什完成。
隨著(zhù)核聚變裝置逐漸大型化，為了生成高溫等離子體，導熱性好、機械強度高的石墨材料被用做面對等離子體的第一壁材料，且表現出了良好的放電脈沖效果。此外，即使它們混入等離子體中，因原子序數低，引起的輻照損失小，所以能使高溫等離子體保持穩定。但是，氫的同位素入射會(huì )導致石墨材料生成CH4 氣體的消耗性化學(xué)飛濺現象以及輻射增強升華損耗現象(輻射增強升華是指等離子體粒子處于輻照環(huán)境下，即使當前溫度未達到石墨的正常熱升華溫度，石墨材料也會(huì )升華損耗的現象)。因此，采用石墨材料做等離子體的面對材料時(shí)，必須注意石墨的使用條件，特別是溫度。
1.2.3 其他核石墨(反應控制材料)
不管核反應堆中的核分裂物質(zhì)是否增減，核反應堆必須設置控制棒以及時(shí)補償和調節原子反應堆中的中子數。高溫氣冷堆使用碳與B4C 結合制成的圓柱體為控制棒。這要求石墨材料在所使用的溫度環(huán)境中必須保持穩定，而且能耐中子輻照。
總之，世界原子能工業(yè)正經(jīng)歷著(zhù)各種各樣的發(fā)展變化。在高溫氣冷堆領(lǐng)域，南非和中國的商用高溫氣冷堆正在推進(jìn)中。在核聚變反應堆領(lǐng)域，有實(shí)驗反應堆。國際熱核聚變實(shí)驗反應堆( ITER)計劃開(kāi)展的同時(shí)，日本的JT－60 裝置改造也在先期進(jìn)行中。
1. 3 放電加工電極
主要以石墨或銅為電極的放電加工被廣泛用于金屬模具等加工領(lǐng)域。對放電加工用石墨的形狀加工前工序要求: ①工具消耗少; ②加工速度快; ③加工面粗糙度好; ④無(wú)尖端突起等。放電加工工序要求: ①放電加工速度快; ②電極長(cháng)度消耗少; ③電極角損耗少; ④被加工物的加工面粗糙度好; ⑤被加工物的加工面凹凸少等。
放電加工用石墨電極與銅電極相比，有如下優(yōu)點(diǎn): ①比銅輕，易搬運，同形狀下，只有銅重量的1 /5; ②易加工; ③切削加工不易產(chǎn)生應力及熱變形;④熔點(diǎn)在3 000 ℃以上，熱膨脹系數小，石墨電極很少因放電加工產(chǎn)生的熱量而變形。但是，石墨電極也存在一些缺點(diǎn)，如①切削加工時(shí)易產(chǎn)生粉塵; ②易損耗等。
放電加工用石墨電極廠(chǎng)家都生產(chǎn)從低價(jià)格的粗加工用產(chǎn)品到精加工用的不同等級的產(chǎn)品。最近，市場(chǎng)上出現了和傳統概念不相同的超微粒子放電加工用石墨電極。這種電極以降低石墨消耗為目標，其開(kāi)發(fā)思路簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是: 電極消耗少→放電加工時(shí)從電極上脫落的石墨顆粒少→微粒子→顆粒間的結合強度高→瀝青骨料高效合理利用→調整制造參數，降低次品率及制造成本。至于超微粒子放電加工用石墨電極能否市場(chǎng)化，還要取決于石墨電極廠(chǎng)家的生產(chǎn)技術(shù)水平。
目前情況下，切削加工在金屬模具的深部及細部加工上還顯得有些束手無(wú)策。因為現有刀具的形狀和強度很難達到深部及細部加工的要求。因此，開(kāi)發(fā)了用于精加工的精密放電用石墨電極，以期充分利用石墨電極的諸多優(yōu)點(diǎn)，這種石墨電極是用等靜壓石墨加工而成的。圖1 比較了傳統石墨材料與等靜壓石墨材料的顯微結構。
1.4  有色金屬連鑄用石墨結晶器
由于可以實(shí)現鑄造工序的簡(jiǎn)化、產(chǎn)品合格率的提高以及產(chǎn)品組織結構的均勻化等優(yōu)點(diǎn)，用連鑄連軋方式生產(chǎn)有色金屬板、管、棒等已經(jīng)非常普遍。目前，生產(chǎn)大規格的純銅、青銅、黃銅、白銅主要采取連鑄的方法。其中，對產(chǎn)品質(zhì)量起著(zhù)至關(guān)重要影響的結晶器就是用等靜壓石墨材料制成的。由于等靜壓石墨材料在熱傳導、熱穩定、自潤滑、抗浸潤及化學(xué)惰性等方面具有良好的性能，使之成為制作結晶器不可替代的材料。
1.5 其他用途
等靜壓石墨還用于制作金剛石工具和硬質(zhì)合金的燒結模具，光纖拉絲機的熱場(chǎng)部件(加熱器、保溫筒等)，真空熱處理爐的熱場(chǎng)部件(加熱器、承載框等)，以及精密石墨熱交換器、機械密封部件、活塞環(huán)、軸承、火箭噴嘴等。
2 等靜壓石墨的市場(chǎng)概況
2.1 國內市場(chǎng)等靜壓石墨的需求量
目前，中國只能生產(chǎn)低品質(zhì)的等靜壓石墨，高品質(zhì)等靜壓石墨完全依賴(lài)進(jìn)口。其中，80%來(lái)自日本，20%來(lái)自歐美。國外進(jìn)口的等靜壓石墨坯料，售價(jià)在人民幣15 ～ 100 萬(wàn)元/ t 不等，極大部分在人民幣15 ～ 25 萬(wàn)元/ t。表2 列出了2006 年以來(lái)國內等靜壓石墨的市場(chǎng)需求量。
3.2 國內市場(chǎng)等靜壓石墨的供應量

由于國內眾多炭素企業(yè)看到等靜壓石墨依賴(lài)進(jìn)口的局面。近幾年來(lái)，掀起了一股研制和生產(chǎn)等靜壓石墨的熱潮，國產(chǎn)等靜壓石墨的供應量將不斷增加，但近幾年仍然以進(jìn)口為主。目前國內市場(chǎng)集中在低端等靜壓石墨制品，而且有一哄而上的局面，和中國大量上多晶硅項目非常相似，極有可能造成產(chǎn)能過(guò)剩惡性競爭局面，所以應該把精力放在高端等靜壓制品上面，向國外先進(jìn)水平看齊。表3 為2006 年以來(lái)國內等靜壓石墨的市場(chǎng)供應量。

3  結語(yǔ)
在當今的工業(yè)生產(chǎn)中，石墨已經(jīng)成為一種必不可少的關(guān)鍵材料，特別是在太陽(yáng)能工業(yè)、LED 工業(yè)、半導體工業(yè)和核工業(yè)方面，石墨的需求量在急劇增加，質(zhì)量要求也越來(lái)越高。等靜壓石墨的質(zhì)量水平、生產(chǎn)規模已成為衡量一個(gè)國家總體工業(yè)水平的標桿。開(kāi)發(fā)我國具有自主知識產(chǎn)權的高品質(zhì)等靜壓石墨產(chǎn)品，已經(jīng)迫在眉睫。