等靜壓工藝——

      *精密的成型工藝

      以石墨為主的碳基新材料產業作為戰略性新興產業，擁有廣闊的發展前景，具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱震、易于精密機加工等特性，逐漸成為工業“寵兒”，被稱為 新材料領域的第四大類材料。

      2021年8月24日，工信部將 碳基新材料納入“十四五”原材料工業相關發展規劃。目前我國亟待攻克的“卡脖子”碳基材料品種有三大類：一是 碳纖維及其制品（如高性能聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、碳纖維預浸料、復合材料和碳紙等）；二是 特種石墨（如電火花加工用特種石墨、模具特種石墨、各向同性特種石墨、核石墨等）；三是 功能炭材料（如中間相碳微球、電容炭、硬炭、硅炭、石墨烯導熱膜和導電炭黑等）。

     其中，特種石墨是指碳的質量分數大于99.99%的石墨，又稱“三高石墨”(高強度、高密度、高純度)。具有高強度、高密度、高純度、化學穩定性高、導熱和導電率高、耐高溫、耐輻射、潤滑性強和易加工等特點。

特種石墨分類

      按成型方法分類，特種石墨可以分為振動成型特種石墨、模壓成型特種石墨、擠壓成型特種石墨和等靜壓成型特種石墨四類。其中，等靜壓特種石墨產品性能*優良、工藝*復雜，應用領域也*高端。

各類型特種石墨制品示意圖

      【等靜壓成型技術】是指將待壓試樣粉體置于高壓容器中，利用液體或氣體介質不可壓縮的性質和均勻傳遞壓力的性質從各個方向對試樣進行均勻加壓，當液體或氣體介質通過壓力泵注入壓力容器時，根據流體力學原理，其壓強大小不變且均勻地傳遞到各個方向。此時高壓容器中的粉體在各個方向上受到的壓力是均勻的和大小一致的。

      通過上述方法使瘠性粉料成型為致密坯體的方法稱做等靜壓法。等靜壓成型制品具備“各向同性”的特點，材料的特性與尺寸、形狀、取樣方向無關。

等靜壓成型與其他成型方法原理對比圖

      按成型溫度的不同，等靜壓技術可分為 熱等靜壓(HIP)、溫等靜壓(WIP)及冷等靜壓(CIP)三類。目前， 由于技術壁壘和成本的原因，等靜壓石墨的生產大多采用冷等靜壓，采用熱等靜壓生產工藝的仍較少。

      1）冷等靜壓技術（Cold Isostatic Pressing，簡稱CIP）是在常溫下，通常用橡膠或塑料作包套模具材料， 以液體（例如水或油或乙二醇混合液體）為壓力介質。一般使用壓力為100~ 630MPa。對于金屬，冷等靜壓技術可以實現約100%的理論密度，陶瓷粉末可以達到約95%的理論密度。 主要用以粉體材料成型，為進一步燒結或熱等靜壓工序提供坯體。

冷等靜壓系統示意圖

      冷等靜壓技術又可以按成型模具是否與介接觸分為【 濕袋法】和【 干袋法】兩種。

濕式和干袋式冷等靜壓成型原理

      目前冷等靜壓技術被廣泛應用于日用陶瓷、建筑陶瓷、特種陶瓷等各個領域。例如盤、碟、氧化鋁研磨球、氧化鋁化工填料球、耐火磚、陶瓷棍棒、火花塞、高頻瓷套、復合陶瓷等。

      2）溫等靜壓技術（Warm lsostatic Presses，簡稱WIP），壓制溫度一般在80~120℃下．也有在250~450℃下， 使用特殊的液體或氣體傳遞壓力，使用壓力為300MPa左右。主要用于粉體物料在室溫條件下不能成型的石墨、聚酰胺橡膠材料等，以使能在升高的溫度下獲得堅實的坯體。

      3）熱等靜壓技術（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP），是一種利用高溫高壓同時作用使金屬或陶瓷制品經受各向同等壓力從而使制件得以燒結和致密化的工藝技術。它具有化學成分穩定、力學性能各向同性、結構適應性好、成本較低的優點。

      在熱等靜壓中， 一般采用氬、氨等惰性氣體作壓力傳遞介質，包套材料通常用金屬或玻璃。工作溫度一般為1000~2200℃ ，工作壓力常為100~200MPa。 2021年，北美熱處理協會將熱等靜壓技術與氫燃燒技術、增材制造技術列為*具發展潛力的三大技術和工藝。

      熱等靜壓設備由高壓容器、加熱爐、壓縮機、真空泵、儲氣罐、冷卻系統和計算機控制系統組成，其中高壓容器為整個設備的關鍵裝置。

熱等靜壓系統示意圖

      根據待加工產品需求，可以將熱等靜壓技術應用分為以下三類：

      01

      致密化處理

      熱等靜壓技術目前*主要的、*成熟的應用是 對已成形的合金鑄件，如鋁合金、鈦合金、高溫合金鑄件，進行致密化處理，*其內部由于在成形過程中各區域冷卻速度不均勻導致的缺陷，使其*終使用性能提高到該種材料的*高標準。

鑄件熱等靜壓前后對比圖

      02

      擴散連接

      熱等靜壓可以通過高溫高壓的作用， 將兩種或兩種以上的金屬材料或陶瓷材料之間通過接觸面原子間的相互擴散原理，實現固-固、固-粉、粉-粉連接，使多種材料整體化。與其他連接技術相比，兩種材料的交界處緊密結合，無缺陷，交界處性能與母材無差別。

擴散連接工藝過程示意圖

      03

      粉末冶金成形

      熱等靜壓粉末冶金是指利用熱等靜壓工藝，將粉末狀原材料灌裝于特殊設計的包套中，在高溫高壓和等靜壓力作用下直接燒結成指定形狀的產品。 建立在粉末冶金優勢的基礎上，熱等靜壓技術可以使粉末狀材料固結成更加致密，性能更高的成品。

熱等靜壓粉末冶金示意圖

      使用該項技術成形的 零件內部組織均勻，同時 力學性能與同材質鍛件相當。結合了模具控形技術和計算機模擬技術，制品尺寸精度較高，且材料利用率超過90%，可謂*具發展潛力的成形技術。與其他成型方法相比，該工藝具有設計靈活、性能優異、材料內部均一致密、實現雙金屬材料錠坯料的制備等優點。

熱等靜壓粉末冶金成形的優點

      二

      等靜壓石墨技術突破實現

       產能供應不及需求增長

      作為特種石墨（高純石墨）中*重要、可以獲得各向同性度*高產品的一類石墨，利用等靜壓工藝成型的石墨被稱為【 等靜壓石墨】，其具有 耐高溫、耐腐蝕、高強度、電導率和熱導率良好、自潤滑性、熱膨脹系數低以及高溫狀態下仍保持良好的強度等性能，被廣泛應用于機械、化工、電子、航空航天和核工業等高科技領域。等靜壓石墨的生產工藝主要包括：細磨、篩分、配料、混捏、成型、焙燒、浸漬、石墨化和提純等。

等靜壓石墨工藝示意圖

      當前等靜壓石墨正廣泛應用于光伏、半導體、新能源電池、核電、電火花（EDM）加工、冶煉、稀土等領域。 等靜壓石墨需求與下游應用行業景氣度密切相關。

等靜壓石墨和模壓石墨的具體應用領域

      由于高昂的進口成本及部分國家的對高端特種石墨（如大規格、細粒度的核石墨、航空航天石墨）進行的技術封鎖，我國特種石墨進口量增長緩慢。

      根據海關總署的數據顯示，2019-2021年中國從海外進口的特種石墨約為2.55、2.2、2.8萬噸； 其次，由于高端特種石墨技術壁壘較高、具備一體化生產能力的規模以上企業相對較少，加上特種石墨材料的生產周期較長、周轉速度慢，以及生產設備價格昂貴、投資回報周期較長，我國特種石墨產量增長較慢。

      根據石墨邦的數據，2019-2021年國內特種石墨實際產量約為6.0、6.6、8.9萬噸。與此同時， 受下游光伏、半導體、新能源電池、核電等領域快速發展的影響，我國的特種石墨需求量已從2019年的11.5萬噸增至2021年度15.7萬噸， 供需缺口擴大。

2019-2022年中國特種石墨供需情況

      我國的特種石墨行業起步較晚，對產品應用技術及相關基礎理論研究不夠深入，大部分國產產品與*領先水平尚存在一定的差距。

      國內特種石墨長期處于供給不足狀態，盡管當前國內特種石墨的產能已經大幅上升，但高端產品仍較少，尤其是 大規格細顆粒的高端特種石墨產品（如核石墨、航空航天用石墨）目前主要還是依賴國外進口，存在國產替代空間。

      我國等靜壓石墨的研制始于20世紀60年代初，初期主要為科研院所試制。20世紀80年代，上海碳素廠等企業首次嘗試批量生產等靜壓石墨，但由于 技術基礎薄弱，加之 國外企業的技術封鎖，中國等靜壓石墨的整體水平遠落后于美、德、法、日等國。

      經過多年發展，國內等靜壓石墨市場已形成國產廠商和海外石墨巨頭多極競爭的格局， 以五星新材、成都炭材、賽邁科（原中鋼新型材料）為代表的國產等靜壓石墨龍頭企業已成功打破國外等靜壓石墨企業在華壟斷的局面，通過自主研發不斷突破各類等靜壓石墨產品的核心技術，部分國產產品的性能參數和質量已不遜色于法國美爾森、德國西格里、日本東洋炭素等國際巨頭。

      目前，由于生產成本更低、生產工序更齊全， 國產廠商在等靜壓石墨的重要下游“光伏熱場”行業市場競爭力已明顯超過國際巨頭，等靜壓石墨領域的國產化替代正處于加速期。

      上海有色網SMM的數據顯示， 2020-2022年，國產人造石墨和天然石墨價格均處于穩定上升的趨勢，高端人造石墨價格從2020年的6.9萬元/噸上升至2022年底的8.3萬元/噸，高端天然石墨價格也從2020年的5.3萬元/噸漲至2022年底的5.9萬元/噸。

      但是到2023年，受鋰電行業競爭壓力加大的影響，頭部負極材料廠商的石墨產能及自供比例不斷提升，依靠規模優勢，對中小廠商進行價格狙擊，負極材料行業正處于“洗牌期”。負極材料價格的的持續下跌帶動整體石墨價格出現一定程度的回落，特別是中端人造石墨價格已逼進成本側。

      但與此同時，值得注意的是，2020年等靜壓石墨經歷一輪降價后，受下游行業高景氣度的影響，又于2021年初迅速上漲至7.2萬元/噸左右，并 長期保持穩定區間。截至2023年6月份，等靜壓石墨價格未見下跌，仍保持在7.5-8.5萬元/噸的區間。

國產人造石墨、天然石墨、

等靜壓石墨近年來價格變化趨勢圖

      四

      中國等靜壓石墨市場格局

      01

      國外企業

      目前，國外特種石墨核心廠商主要有日本東洋炭素、德國西格里、法國美爾森、美國步高。上述4家廠商的大尺寸、高純度、細結構的高端等靜壓石墨產品在全球市場上占據絕對領先地位。

特種石墨國外代表企業

      02

      國內企業

      根據公開渠道數據整理， 目前國內規模以上特種石墨企業主要有五星新材、成都炭材、賽邁科、寧新新材、東方碳素、新成新材、平頂山博翔、河南卡博斯8家。2021年，8家企業總銷售收入約為32億元，同比增長55%。

      與此同時，收入規模TOP3企業（五星新材、成都炭材、賽邁科）在8家企業的總銷售收入中占比逐年遞增，從2019年的44%增長至2021年的58%。隨著頭部企業所建的產線逐步投入使用， 預計我國頭部特種石墨廠商市場占有率將進一步上升。

中國主要規模以上特種石墨企業（TOP8）

2019年至2021年銷售收入情況

      基于以下判斷，我方認為當前我國等靜壓石墨市場存在【 具備一體化生產能力的規模以上的特種石墨企業將會搶占更多的市場份額】和【 等靜壓石墨存在較高市場增長空間】兩大趨勢：

      1）技術、資金、人才壁壘顯著：

      ①技術壁壘：由于下游應用多元化，不同行業客戶對特種石墨的性能要求不同，產品指標呈現差異化特點；其次，特種石墨生產周期較長，燒制過程的穩定性要求高，當前我國大規格細顆粒的高端特種石墨產品僅有少數頭部廠商能生產。

      ②資金壁壘：特種石墨屬于資金密集型行業，生產周期較長、周轉速度慢，需要生產企業具備較大的投資規模特種石墨的生產設備價格昂貴，投資回報周期較長，，對企業的資金實力和資金流動性要求較高。

      ③人才壁壘：特種石墨材料制造行業由于工藝復雜、生產步驟較多，并對產品不斷更新和研發的需求較大，需要擁有高專業技術水平的研發生產團隊，能夠把握行業發展趨勢，不斷研發新的石墨材料，適應下游石墨制品行業的需求。

      2）高端特種石墨/等靜壓石墨供不應求的狀態短期內難以扭轉：

      ①供給側：由于 高昂的進口成本及 部分國家的對高端特種石墨（如大規格、細粒度的核石墨、航空航天石墨）進行的技術封鎖，我國等靜壓石墨進口受限；加上高端特種石墨技術、資金、人才壁壘較高，具備一體化生產能力的規模以上企業較少，我國特種石墨產能增長較慢。整體供給量增長緩慢。

      ②需求側：受下游光伏、新能源電池、核電、冶煉、稀土等行業高速發展的影響，我國特種石墨的需求量持續提高。

      3）新型特種石墨材料在半導體（集成電路）領域的應用進一步拓寬。

      4）地緣政治緊張、全球經濟下行的宏觀背景下，各國追求能源獨立步伐加速，光伏熱場、半導體、新能源電池、核能安全等需求的激增將帶動特種石墨市場快速增長。

      參 考 文 獻

      [1] 復雜金屬零件熱等靜壓整體成形技術，史玉升，華中科技大學出版社，2018

      [2] 特種陶瓷（第2版），王零森 ，中南大學出版社，2005

      [3] 東方碳素：招股說明書（上會稿）

      [4] 熱等靜壓——不僅僅是一種*的成型技術，中國粉體網

      [5] 等靜壓成型技術，無機非金屬材料科學

      （來源鏈接：https://it.sohu.com/a/709731753_121123888）