Come sono fatti i blocchi di grafite

Come vengono realizzati i blocchi di grafite?

I blocchi di grafite ad alta purezza-pressati isostaticamente sono un materiale di grafite-di fascia alta utilizzato nei semiconduttori, nel fotovoltaico, nel settore aerospaziale e in altri campi. Le loro caratteristiche principali sono "elevata purezza" e "isotropia".

La produzione di blocchi di grafite ad elevata purezza-pressati isostaticamente è un processo complesso che integra fisica, chimica e ingegneria di precisione. Può essere suddiviso nei seguenti passaggi fondamentali:

Fase 1: preparazione e lavorazione delle materie prime
1. Selezione: come materia prima primaria viene utilizzato il coke di petrolio o pece, poiché ha un alto contenuto di carbonio e poche impurità. Viene prima calcinato ad alta temperatura (circa 1300 gradi) per rimuovere sostanze volatili e umidità, aumentando così la sua vera densità e stabilità chimica.
2. Frantumazione e classificazione: il coke calcinato viene frantumato e macinato utilizzando apparecchiature quali frantoi a mascelle e mulini Raymond per produrre polveri di varie dimensioni delle particelle. Un mix strategicamente bilanciato di particelle di dimensioni grandi, medie e piccole è fondamentale per ottenere una struttura corporea verde ad alta-densità. Le particelle piccole riempiono gli spazi tra le particelle più grandi, ponendo le basi per i successivi-prodotti ad alta densità. 3. Purificazione: per raggiungere i requisiti di "elevata purezza" (tipicamente contenuto di ceneri inferiore a 50 ppm o anche 5 ppm), la polvere aggregata viene-lavata con acido (usando acido cloridrico, acido fluoridrico, ecc.) o sottoposta a clorazione ad alta-temperatura per rimuovere efficacemente le impurità metalliche.

Passaggio 2: miscelazione e stampaggio (fase principale)
1. Aggiunta del legante: la polvere aggregata graduata viene miscelata con un legante (solitamente catrame di carbone a temperatura media- o alta-) mentre viene riscaldata. Lo scopo della miscelazione è quello di rivestire uniformemente la superficie di ciascuna particella di aggregato con il catrame, formando una pasta plastica.
2. Pressatura isostatica: questa è la chiave per ottenere blocchi di grafite "isotropi". La pasta viene inserita in uno stampo di gomma elastica, sigillata e quindi inserita in una pressa isostatica ad alta-pressione riempita con olio idraulico (o acqua). Una pompa ad alta-pressione applica una pressione uniforme (tipicamente 100-200 MPa) al liquido. Poiché la pressione del liquido è uguale in tutte le direzioni, la pasta viene compressa uniformemente in tutte le dimensioni, determinando una disposizione disordinata delle particelle interne, eliminando l'orientamento delle particelle causato dalla pressatura convenzionale. Il risultato è un impasto verde con struttura uniforme e densità consistente.

Passaggio 3: calcinazione
Il corpo verde formato viene posto in un calcinatore e riscaldato lentamente a circa 1000 gradi in atmosfera protettiva (con polvere di coke o gas inerte). Durante questo processo, la pece legante subisce complesse reazioni di decomposizione e polimerizzazione, trasformandosi in un forte coke di pece, che lega saldamente insieme le particelle aggregate e trasforma il corpo verde in un corpo di carbonio con elevata resistenza meccanica.

Passaggio 4: grafitizzazione
Questo è il processo principale che conferisce le proprietà della grafite al materiale. Il corpo in carbonio calcinato viene posto in un forno Acheson o in un forno di grafitizzazione tandem riscaldato internamente sotto un'atmosfera di gas inerte, riscaldandolo direttamente a temperature di 2000-3000 gradi. A queste temperature estreme, gli atomi di carbonio "turbostratici" disordinati all'interno del materiale di carbonio si riorganizzano, formando una struttura cristallina di grafite tridimensionale regolare. Questo processo migliora significativamente la conduttività elettrica e termica del materiale, la resistenza agli shock termici e la stabilità chimica e volatilizza ulteriormente la maggior parte delle impurità residue, ottenendo la massima purezza ultra elevata.

Passaggio 5: lavorazione e controllo qualità
Dopo la grafitizzazione, i pezzi grezzi vengono torniti, fresati, piallati e rettificati utilizzando macchine utensili CNC ad alta-precisione in base ai disegni del cliente, producendo infine prodotti in grafite di elevata-purezza pressati isostaticamente dimensionalmente precisi. Prima della spedizione, vengono sottoposti a rigorosi test di densità, durezza, resistività, contenuto di ceneri e resistenza alla flessione.

In sintesi, le proprietà eccezionali dei blocchi di grafite di elevata purezza pressati isostaticamente-di elevata purezza, alta densità, isotropia ed eccellenti proprietà termiche ed elettriche-sono ottenute attraverso una catena di processi meticolosamente controllata: "raffinazione delle materie prime → pressatura isostatica isotropica → calcinazione e indurimento ad alta-temperatura → grafitizzazione e cristallizzazione a temperatura ultra-alta-temperatura." La pressatura isostatica garantisce l'uniformità strutturale, mentre la grafitizzazione ad alta-temperatura determina le proprietà fisiche e chimiche finali.

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