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走近名企|东洋炭素带你探索碳-石墨材料的海洋
2021年11月29日 发布 分类:行业要闻 点击量:255
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“科学技术产品的迅速进步,通常是与其组成材料和部件的快速发展密不可分的,然而这些材料和部件的发展是终端消费者无法以肉眼感知到的。尽管上述材料和部件对现代科技的发展产生了深远的影响,得到了广泛的应用,并且能够协助我们的工作,为我们的家庭提供能源,为汽车提供动力,甚至拯救我们的生命,但有些部件或复合材料不仅不为人们所见,甚至许多部件或复合材料仍为公众闻所未闻。”

 

上面是20203月,华盛顿邮报采访东洋炭素董事长兼首席执行官近藤尚孝(NaotakaKondo)发表题为Unlockingendlessopportunitiesincarbon”(解锁碳材料中的无尽机遇)报道中的一段文字,道出了大多数默默无闻的材料企业心声,但同时证明当取得诸如“东洋炭素供应全球30%的各向同性石墨”这样的成就,世人绝对会开始关注并重视这样一家企业。石墨作为最常见的碳材料,应用非常广泛,由市场容量和盈利点所主导,东洋炭素明确当前公司主要部门是半导体和汽车工业,其产品或技术介绍也就以此开始。

一、主力市场

半导体


MOCVD系统中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下,用射频、热辐射、感应等方式加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方),衬底温度为500-1200℃,H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区,进行气相沉积,要求石墨基座具有优良耐热性、导热性及耐氨气腐蚀性。"PERMA-KOTE"石墨基座已经被广泛的使用在MOVD设备中,"PERMA-KOTE"是指采用东洋炭素专有的化学气相沉积(CVD)工艺在高度纯化的各项同性石墨的表面沉积碳化硅薄膜的产品。


采用独特技术制造的碳化硅 / 碳化钽(SiC/TaC)复合材料电芯,推动了碳化硅(SiC)半导体制造的发展。这是一种高纯度各向同性石墨基体,上面覆盖着致密的碳化钽(TaC)涂层,碳化钽的熔点约为 4,000℃,具有超高的热耐久性,而且无裂纹,抗热震性好。


离子注入是将某种元素电离成离子,并使其在电场中加速,获得一定能量后注入固体材料表面内一定深度,以改变材料的物理、化学特性的一种技术。在半导体工艺技术中,离子注入具有高精度的剂量均匀性和重复性,可以获得理想的掺杂浓度和集成度,使电路的集成、速度、成品率和寿命大为提高,成本及功耗降低。在离子的发生、偏转及接收位置,都需要相应的石墨部件,要求石墨产品具有高纯度以避免污染,高硬度、高强度、高密度等以减少自身颗粒的析出。


电子封装就是安装集成电路内置芯片外用的管壳,起着安放固定密封,保护集成电路内置芯片,增强环境适应的能力,并且集成电路芯片上的铆点也就是接点,是焊接到封装管壳的引脚上的。按功能大致有压入﹑折弯﹑切断﹑铆合﹑熔接﹑测试﹑固定等分类。

汽车工业涉及石墨产品种类和功能庞杂,同时也与其他行业应用交集众多,挂一漏万还请读者包涵指点。



电火花成形(EDM)也称为“放电加工”,石墨材料由于重量轻、易加工成形;机加工、电加工效率都高于其他材料的特点,在放电加工领域得到广泛应用。


机械用炭-石墨材料针对汽车,电气、石油化工及机械行业提供所需炭——石墨零部件,主要应用于干式压缩机及真空泵旋片、回转压缩机、螺杆压缩机、径向式通风机等轴密封用密封环和套环、无油活塞式压缩机用石墨活塞杆密封和活塞导向环、机械密封、球阀用轴向端面密封件、液态介质输送用石墨轴承、密封圈、组合密封圈、旋片、转子及衬套等。


工业电机用炭刷,包含了四轮驱动汽车、摩托车、飞机、轨道机车、大型电动机、风力和水力等应用。 而炭刷用于可以用来改变电流的方向,起着换向的作用,从而让电机运转起来。工业炭刷要求具有耐高温、耐磨耗、耐腐蚀、高寿命、高电流通过等特性。炭刷需要金属系和电化石墨系材料,具备能通过高电流的特性。


刷架是在有刷电机里面盛装碳刷并保持碳刷位置的机械导槽。刷架一般由刷盒、涡卷弹簧和压指等主要零件组成,其作用是通过弹簧将压力加在与换向器或集电环表面滑动接触的碳刷上,使其在固定体与旋转体之间稳定地传导电。流碳刷架主要采用青铜铸件,铝铸件及其它合成材料,一般刷架材料本身要求具有良好的机械强度,加工性能,耐蚀性能,散热性能等。


石墨转子具有优良的润滑性,耐高温,良好的抗化学腐蚀性,广泛适用于各类汽车发动机和汽车空调里,吸气泵,真空泵,吸油泵等,生产各类石墨及石墨密封材料。


发动机汽缸顶部的衬垫或排气支管垫圈多采用以膨胀石墨制成的石墨密封。汽缸顶部衬垫是燃烧气体,冷却水以及润滑油的密封,排气支管垫圈是密封排气体的。不但是汽车,包括摩托车、农业机械、小型船舶等的发动机以及其它的高温高压反应容器的垫圈等也采用石墨密封。


机械密封多用于汽车空调的制冷空压机以及发动机冷却用的水泵。与普通用泵相比,其负荷且批量生产,多采用树脂结合质。大型车用高负荷时,有时采用炭石墨质。旋转机的顶点密封采用炭素材料。旋转机圆长形的汽缸内呈鼓圆形的三角形转子在气化燃料以吸收——压缩——燃烧——爆发——排气的程度下,消耗能源进行旋转,给旋转轴传送动力。因在转子的各项点装有叶片,被称为顶点密封。由于受到燃烧爆发引起的高温高压,所有要求具有金属材料同样的机械强度和润滑性。因此需采用以高强度炭质为基体的金属浸渍品。

二、创新材料

东洋炭素于1941年制造碳刷起家,到1974年称为世界上第一家成功量产大尺寸各向同性石墨的公司,其碳制品和技术也随着时代的需要不断发展。不仅在半导体和汽车工业这样的主力市场,从家电到航空航天、医疗等领域的尖端产品,应有尽有

 

比如,东洋炭素开发的热解碳为基体,导热性极高的C/C复合材料已经用于小行星探测器的离子引擎网格,并且和同位素石墨材料被用于核聚变反应堆的关键等离子体测试设备。


C/C复合材料生产流程

与东洋炭素之前的明星材料各向同性石墨相比,C/C复合材料是一种通过对碳纤维增强塑料进行高温烘烤和热处理而制成的碳化塑料复合材料,其不仅高强、高弹、高韧性能更好,可耐2000℃甚至更高温度,密度低适用于轻量化要求场景,最重要的是,加持化学气相渗透(CVI)处理和碳纤维结构控制技术,其导热系数可实现比铜更高!

三、主力材料

名企一定兼顾锐度和厚度,如果说C/C复合材料是东洋炭素的矛,各向同性石墨当然就是它的盾。除了石墨耐高温、耐化学品、优良的导热和导电性以及耐摩擦和磨损这些特性外,各向同性石墨还具有各个方向的均匀热膨胀、由于其细颗粒结构而具有高强度以及材料特性变化非常小的特性。


琢磨工厂(香川县三丰市)

为应对物联网、人工智能等技术的发展带来的半导体需求量的增加,作为半导体器件的基础的硅晶圆,为了提高生产效率而直径变大,对大直径各向同性石墨产品的需求在增长。20205月,东洋炭素宣布琢磨工厂(香川县三丰市)扩产大口径各向同性石墨产品,但不是单纯的增设会提高固定费用的设备,而是在现有工厂中投入新设备,推行自动化。

四、传统应用(示例)


机械用碳-石墨利用碳的自润滑性和耐化学性和耐热性,用于不能使用金属的高温环境中的滑动部件,以及浸没在化学品中和不能使用润滑部件的领域。


多晶铸锭需要用到石墨热场,起到承载、发热及保温的作用,要求石墨件的使用环境为最高1600摄氏度、氩气或真空环境中,石墨材料分别作电阻加热器、保护围板等、碳毡用于保温、CC材料用于连接紧固部件及坩埚盖板、保温毡保护板等


单晶硅则是将多晶硅料经过加热熔化,通过直拉法(CZ)进行单晶硅棒的生产。

要求氩气或真空环境中,通过石墨加热器发热至1600℃左右,对石墨坩埚内的多晶原料加热,熔化成液体,通过控制液面温度,提拉籽晶,最终长成单晶棒。

多孔碳是一种具有特殊结构的新型碳材料,其中含有许多在活性炭等一般碳材料中没有的介孔,并且作为工业材料难以获得,由于其具有许多特征性介孔,因此具有高催化活性,可用于燃料电池的电极催化剂等。

结语

以上碳材料产品的开发基于对材料的全民处理能力。东洋炭素拥有包括基础加工、热处理、提纯、表面处理、浸渍、成型和检测。比如,东洋炭素通过在卤素气体环境中热处理石墨材料,去除材料中的杂质。使用高纯度处理可以将石墨材料中的金属杂质保持在 5 ppm 或以下;再比如陶瓷、耐火材料和粉末冶金领域被广泛应用的冷等静压成型;还有包括真空处理、氮气氩气处理、氢气处理、卤素处理等各种热处理能力;薄壁加工、3D打印、特殊内径、多孔、截面、叶片、热缩等高难度加工能力……

20201月,新冠疫情还未爆发,东洋炭素中国公司忘年会对2019年业绩总结,“下半年经济状况急速下行,非常不稳定”。原因很多,有传统行业向5GAI、自动驾驶等新兴产业的过渡,有贸易保护带来的关税壁垒,也有来碳减排方面的挑战。总之,对于东洋炭素而言,成为其领域的开拓者通常意味着开发新创新的设备尚不存在,实际上,这是另一项挑战的起点。近藤尚孝先生在另一场和所说可以作为注脚,“遥遥领先意味着我们必然会犯错误,但因为我们永不放弃,我们取得了其他人无法做到的事情,我们将成功产品所赚取的大部分利润用于开发下一代产品。”


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