谈谈柔性石墨的开发应用现状与前景

    近年来随着科技进步的加快，作为碳材料家族中一员的柔性石墨以其优异的性能受到了越来越多人的青睐，并在不少领域得到了广泛的应用。然而，作为世界石墨生产和出口第一大国，我国在这一方面却与发达国家有着很大差距。本文拟从工作角度对我国柔性石墨的开发应用现状与前景作一简单分析。粗浅之见，望各位同行多予诲教。
                           
一
  
     柔性石墨，是鳞片石墨的一种深加工产品。它是利用鳞片石墨能形成层间化合物的特性，将鳞片石墨经特定的化学处理，使之形成某种层间化合物，再经高温热处理，使层间化合物分解，同时，石墨延C轴方向迅速膨胀，形成一种具有优良柔性的物质，即膨胀石墨（或柔性石墨），将膨胀石墨添加或不加粘结剂压制成的各种形体的材料即为柔性石墨材料。柔性石墨具有优良的性能，它在保留了鳞片石墨耐高温、耐腐蚀、自润滑等性能的同时，还具有柔软性、回弹性、可塑性、不渗透性、自粘性、低密度和各向异性等特性。因此，它能在苛刻的条件下工作。比如在密封方面，它与橡胶、石棉等相比，具有无可比拟的优越性，堪称当代的“密封之王”，有人还称它是一种“革命性的材料”。也正因为如此，柔性石墨才引起了世界各国的普遍重视，得到了迅速发展。从本世纪六十年代美国联合碳化物公司首先研制成功膨胀石墨密封材料开始，短短三十年的时间，柔性石墨已进入许多领域甚至一些高技术领域。特别象美、日、英、德等工业发达国家对柔性石墨的研究非常广泛，已涉及到层间化合物的制备方法等许多深层次的问题，且目前仍大有继续以展之势。

二
   
     我国对柔性石墨的研究应用起步较晚，过去用作关键设备上的高级柔性石墨材料一般都从国外进口。一九七八年以后，随着改革开放的深入，柔性石墨的研究开发才得以迅猛发展，并由此而进入了一个新阶段。其主要标志是：
    
（一） 对柔性石墨的分析研究形成了“小气候”
 浙江大学、上海密封材料研究所、合肥通用机械研究所等部门对这种材料的微观结构、膨胀机理、理化性能、影响因素、测试检验等方面进行了大量的科学分析，取得了较好效果。山东北墅石墨矿、慈禧密封材料厂等生产厂家也都要设立了科研所，他们在理论与实践的结合上积极探索，研制成功了一大批新的产品。同时，中国非金属矿工业协会还于一九八九年就柔性石墨的发展进行了专题研讨，并拟定了二○○○年战略规划，从而为这一新兴材料的开发指明了方向，打下了基础。
   
（二） 柔性石墨的生产技术有了新的突破
一是发明了制备层间化合物的方法，主要有化学浸渍法和电解法（也属化学法，通常称为电化学法）。目前在我国使用较多的是化学浸渍法，由于作为侵入物质和作为氧化剂的化学物质的不同，又有好多种不同的处理方法，但作为侵入物质的基本都是浓硫酸和浓硝酸，而作为氧化剂的一般都是硝酸盐、氯酸盐等氧化性混合物。二是石墨的膨胀工艺明显进步。八十年代初期的马弗炉膨胀汗已被淘汰，取而代之的是连续膨胀炉。现今国内使用的电加热和燃烧液化汽加热两种主要的连续膨胀炉成本低、产量大、质量稳定，基本能够适合大批量生产。三是柔性石墨的成型 方法逐步多样化。如板材成型由过去的模压发展到了现在的连续滚压（可生产无限长的板材）和模压与滚压相结合（适应性强、能生产多种规格的板材）的方法。石墨板材生产基本上团结滚压法，各种填料比较多的采用了模压法，而各种垫片则大多采用缠绕法。四是生产设备经过不断更新改造日趋先进。山东北墅石墨矿与科研部门合作，自己制成了连续压制设备；青岛电子材料厂、滨洲柔性石墨密封件厂、兴和石墨矿等单位还分别从日本、美国引进了石墨板材自动轧制流水线和柔性石墨生产工艺。这对加快柔性石墨的生产都起到了极大的促进作用。
    
（三） 柔性石墨的应用领域进一步扩大
八十年代初期，我国的柔性石墨只应用于密封材料，而且还只是在石油、化工等少数行业中用作静密封，应用范围很窄。进入八十年代中期之后，随着科学研究的深入和产品质量的改善，柔性石墨的应用才有了突破。首先是在密封方面有了提高，能够在压力交变和温度交变较大的情况下正常工作，即可用作出了动密封，此时，它不仅防泄漏，而且还以自身的润滑性保护轴和阀杆等免遭磨损，起到延长设备使用寿命之功效。由于柔性石墨对各种液体、汽体均不渗透，能够达到完全密封，因而它在汽车、造船等行业特别受欢迎。其次，柔性石墨还被制成各种保护渣，广泛运用于钢锭浇铸技术。在这方面，比较典型的是山东北墅石墨矿于一九八五年首先研制成功的KP8052100型防缩孔剂 ，经鞍山钢铁公司第二炼钢厂等单位试用，能提高钢锭成坯率0.747%，提高质量合格率0.258%,具有十分理想的经济和社会效益，该产品还荣获国家科技进步三等奖。一九八七年该矿保温材料的第二代产品KPV100型防缩孔剂问世，当时在本溪召开的中日镇静钢浇铸技术交流会上介绍，受到了中外专家的充分肯定，重庆钢铁公司等单位由于采用了这种新材料而生产出了一大批用户欢迎的优质产品。从此以后石墨保温材料逐步取得了在钢铁工业中的统治地位。第三，有些厂家在冶炼稀有金属时使用柔性石墨作保护材料，也取得了初步成功。此外，柔性石墨还被用作原子核装置的抗辐射内衬材料，高温炉中杂质扩散挡栅材料和热屏蔽材料，烧结碳化钨氮化物模具的内衬，高温石墨组件的电气触点或加热元件，坩埚内衬以及改进型整流电刷和可变阻器的电刷等。
    
（四） 柔性石墨的开发方向呈现“多极化”
首先是应用研究面向多行业。如前所述，柔性石墨已不仅仅服务于密封行业一家而是进入了冶金、电力、医疗、食品甚至核能等领域。其次是出现了柔性石墨复合材料，即柔性石墨与其他材料复合，这样既保持了石墨的性能、又弥补了不足，两全其美，扩大了使用范围。目前国内的柔性石墨复合材料主要有三种：一是柔性石墨与金属的复合。如在柔性石墨层间加上一层铁芯制成复合石墨板材，就可增加抗拉强度；在石墨缠绕垫片边缘包上一层金属，如不锈钢，就可增大垫片的强度和耐磨性，避免垫片变型。类似的还有金属石墨汽垫、增强填料环等等。二是柔性石墨与粘结剂的复合，石墨膨胀倍数不足80倍时，或者强度要求较高时，可将膨胀石墨与粘结剂进行复合山东北墅石墨矿按照这一原理制成的复合石墨轴承内衬、SB型石墨润滑带等产品使用效果极佳。三是石墨与金属粒子亲合。即把膨胀石墨颗粒通过添加、混合等方式，使之形成含金属的膨胀石墨颗粒，然后压制成各种形态的复合材料，它可以改善柔性石墨材料的耐热冲击性和防锈性。经使用发现，这种材料能够长度消除柔性石墨对金属的腐蚀作用。
    
（五） 柔性石墨材料的生产迅速发展
十年间，我国柔性石墨制品生产从起步发展到了现在的一百多个生产厂家，年产量约达600吨，国内柔性石墨材料的研制成功和生产能力的扩大，既结束了我国过去在这方面依靠进口的局面，又推动了相关工业的进步。可以预见，在不久的将来，我国的柔性石墨工业一定会跨入世界先进行列。
                                    
三
   
    近几年来，尽管我国柔性石墨的研究开发进展较快，但应该说我们的差距还很在，目前的状况与石墨生产“第一大国”的地位是不相称的。膨胀石墨压制柔性石墨材料这项技术是60年代末由美国人首先发明的，七十年代在工业发达国家得到了推广应用，而到了八十年代，又在日本取得了重大发展。从近十年的文献资料看，80%的研究成果属于日本、其次是西德，占近10%，相比之下，我们在这方面显然是落后了。出现这种不应有的现象的原因和表现，笔者认为主要有以下几点：
    
（一） 对石墨的研究重视不够
目前我国还没有一个专门研究石墨及其应用、生产的科研机构，而日本则有十多个专业化公司，并且取得了重大成果。科研上不去，石墨新产品的开发就缺乏理论指导，这是我国石墨生产所以落后的一个重要原因。
    
（二） 生产企业缺乏科技进步能力“争先创新”意识弱
 我国石墨生产发展历史也比较长，可以说有着丰富的生产经验，但产品的档次上不去，至今仍然是原料和初级品生产居多，深加工产品和柔性石墨制品仅占很少一点比例。出现这种情况，一方面是由于长时期密闭发展；另一方面，不少企业缺乏人才，科研经费严重不足。这是影响柔性石墨研究开发的又一因素。
    
（三） 相关工业基础差，抑制了石墨新产品、新技术的研制，生产。
 仅就柔性石墨密封材料来说，本来其性能优于所有的其他同类产品，但许多厂家往往一考虑价格因素就摇头，对新材料总存有“戒心”。还有一些厂家甚至至今还在抱着早被国外淘汰了的密封材料不放。这样一来只能是互相制约，形成了一种使新技术失去市场，老产品又不能及时更新换代的恶性循环。
    
（四） 生产水平较低，产品质量与发达国家差距较大
如膨胀石墨国外已能用我种方法生产颛我们只有一种方法；有的产品，国外已形成 了生产规模，而我国还处于起步阶段，有的甚至还是空白；柔性石墨制品的抗拉强度比国外同类产品低近20%，而摩擦系数则要比国外产品高20%。此外，在品种规格上，我们也显得单簿，西方一些发达国家和日本根据不同的使用条件，研制了抗氧化型、防腐型等1600多种柔性石墨制品，几乎达到了应有尽有的程度；在柔性石墨制品复合材料方面，日本已研制成功了六种，而我们只有三种，其中还有一种尚处于试用阶段。
    
（五） 生产工艺落后
目前，国内大多数厂家基本上是采用手工作坊的方式生产柔性石墨制品，稍好点的也只是达到了半机械化程度，使用引进先进设备的只是个别企业。而国外则普遍是自动流水线作业，设备先进，生产能力大，质量也比较、稳定。

 四
    
    柔性石墨改其制品作为一种新材料有着极其广阔的应用前景，根据预测，今后国际市场对石墨的需求量将以每年4-5%的速度递增。预计到本世纪末，国内外市场每年对柔性石墨的需求总量将达到二万五千吨，其中用作制品原料的约为 一万三千吨。现在国家又限制了汽车、彩电等的进口，这又大大增加国内市场对柔性石墨制品的消化能力。由于一些客观原因，发达国家所需的柔性石墨亦将逐步转向进口。同时，柔性石墨的应用潜力也还很大，科研部门研究表明，这种材料还将在高温化学反应、船舶工业、核工业和航天工业中有所作为。因此，应该说我们面临的是千载难逢的良机，为了能够在这种有利的条件下高质量地做好工作，振兴我国的柔性石墨工业，笔者认为，当前和今后一个时期，我们必须有效地解决好以下几个方面的问题：
    
（一） 建立权威性的柔性石墨研究中心。从势力雄厚的科研部门和大专院校抽调力量组成班子，从多方面开展对柔性石墨的分析研究，特别是对层间化合物结构、性能等的深入研究，并力求多出成果，为应用研究和工业化生产提供理论依据。
    
（二） 建立信息、情报中心和信息交流制度。定期或不定期召开“发布会”使国内有关单位能及时了解、掌握国外的研究和生产情况；国内各厂家之间的管理、技术产品能及时得以沟通。这样，不仅有利于相互取长补短，实现共同提高和发展，而且能够互相启发，起到抛砖引玉之效，进而加快柔性石墨的研制开发进程。
    
（三） 跟踪国外步伐，赶超先进水平，努力缩小与发达国家的差距。一方面信息情报部门要发挥作用，准确掌握国外柔性石墨的发展动态，另一方面，要把理论研究、应用研究和产品生产结为一体，走联合开发路子，这样既可以解决资金、产品用户等实际问题，又能缩短研制周期，可以大大加快工业化速度。
    
    现今当务之急是要下力气抓好柔性石墨复合材料的研制。目前，国外在这方面的研究方兴未艾。复合材料是使柔性石墨扬长避短、扩大应用范围、提高其性能的一条有效途径。我们应注意引、消化、吸收先进国家的生产技术，坚定不移地发展深加工，在不断提高质量的前提下，瞄准高、精、尖方向研制新产品，努力开拓我国柔性石墨发展的新时代。
    
（四） 加强企业基础建设，为发展柔性石墨工业练就过硬“内功”。柔性石墨的发展状况如何，最终要由生产企业来体现。因此，抓企业建设同样也是一项重要工作。一是要改善企业管理，提高管理水平；二是要逐步用先进技术装备企业，即在研制新产品的同时，研制新工艺和新设备，使新材料在形成批量生产能力的同时，有比较先进的工艺和设备条件做保证。三是加强标准化工作，使柔性石墨的研制生产走上统一轨道，为今后按国际标准组织生产打好基础，四是采取多种形式培训技术人才，壮大企业的科技力量，五是注意环境保护，对生产膨胀石墨产生的各种废酸、废水要搞好处理和利用。
    
（五） 建议国家有关部门与发达国家联系、协商，及早制订“柔性石墨及其制品”的国际标准和检测标准，并在国内企业中积极采用国际标准。同时，采取措施大力宣传和推广应用柔性石墨研制开发的促进作用。