＊紀(jì)斌 呂尊華 馮于馳

（上海滬炭新材料科技有限公司 上海 201805）

靜壓石墨作為一種關(guān)鍵的材料，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。其制備與微觀結(jié)構(gòu)表征一直是研究的熱點(diǎn)，因其在導(dǎo)熱、導(dǎo)電等方面的卓越性能而備受關(guān)注。等靜壓石墨是通過在高溫高壓條件下將石墨微粉進(jìn)行等靜壓制備而成的一類材料。目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)高密度等靜壓石墨的研究日益深入，其在電子、材料科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸擴(kuò)展。然而，在其制備與微觀結(jié)構(gòu)表征的過程中，仍然存在著一系列挑戰(zhàn)和問題，如制備工藝的優(yōu)化、微觀結(jié)構(gòu)的精確表征等方面的難題亟待解決。因此，深入研究高密度等靜壓石墨的制備過程及其微觀結(jié)構(gòu)表征，對(duì)于推動(dòng)其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)際意義。在當(dāng)前背景下，加強(qiáng)對(duì)等靜壓石墨的研究，不僅有助于深入理解其性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，還為進(jìn)一步優(yōu)化其制備工藝提供了有力支持，為其廣泛應(yīng)用奠定了更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.石墨等靜壓制備的工藝流程

（1）原料選擇與預(yù)處理。在高密度等靜壓石墨制備的過程中，原料的選擇與預(yù)處理是確保最終產(chǎn)品性能的重要步驟。對(duì)于原料的選擇，通常優(yōu)先考慮天然石墨，其晶格結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，導(dǎo)電性能較好。在選擇天然石墨的基礎(chǔ)上，需注意其顆粒度、晶體結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)含量等參數(shù)，以保障后續(xù)工藝對(duì)材料的高效利用[1]。還可以考慮引入一定比例的人工石墨或添加劑，以調(diào)控最終產(chǎn)品的特定性能。

（2）石墨材料的孔隙控制。石墨材料的孔隙控制是高密度等靜壓石墨制備中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的密度、導(dǎo)熱性能以及力學(xué)性能。在制備過程中，合理的孔隙控制不僅能提高材料的力學(xué)穩(wěn)定性，還能有效改善其導(dǎo)熱性能。為實(shí)現(xiàn)良好的孔隙控制，首先需要在原料的選擇和預(yù)處理階段采取一系列措施。在原料選擇方面，需選擇顆粒均勻、結(jié)晶完整的原料，以減少后續(xù)孔隙形成的可能性。同時(shí)，通過對(duì)原料的細(xì)致預(yù)處理，包括粉碎和篩分等步驟，確保原料顆粒的均勻性，有助于提高等靜壓過程中的均一性[2]。

（3）加工參數(shù)優(yōu)化。加工參數(shù)的優(yōu)化在高密度等靜壓石墨制備中起到關(guān)鍵作用，直接決定了最終產(chǎn)品的致密度、晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。其中，加壓力度的選擇是一個(gè)至關(guān)重要的方面。在等靜壓制備的工藝中，通過機(jī)械力的作用，使石墨顆粒發(fā)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)顆粒的更緊密結(jié)合。為了最大限度地提高致密度，需要在適度提高壓力的同時(shí)，保證壓力均勻分布，避免因不均勻壓制而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不一致的問題。在實(shí)際操作中，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)和分析，確定最佳的加壓力度范圍，以平衡致密度和力學(xué)性能的要求。因此，在工藝中需要通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，確定最佳的保溫時(shí)間，以確保在提高致密度的同時(shí)保持較高的生產(chǎn)效率。

（4）立方壓制與燒結(jié)工藝。立方壓制和燒結(jié)工藝是高密度等靜壓石墨制備的關(guān)鍵步驟，直接決定了最終產(chǎn)品的致密度和晶體結(jié)構(gòu)。在立方壓制階段，通過加壓機(jī)械力的作用，使材料顆粒之間發(fā)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)顆粒的更緊密結(jié)合。為了提高立方壓制效果，需在適度提高壓力的同時(shí)，保證壓力均勻分布，避免因不均勻壓制而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不一致的問題。在實(shí)際操作中，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)和分析，確定最佳的加壓力度范圍，以平衡致密度和力學(xué)性能的要求。

2.石墨等靜壓制備的微觀結(jié)構(gòu)表征方法

（1）X射線衍射分析。X射線衍射分析是一種非常有效的手段，用于揭示高密度等靜壓石墨中的晶體結(jié)構(gòu)信息。通過照射單色X射線入射樣品，通過晶體結(jié)構(gòu)中原子的散射，產(chǎn)生衍射圖樣。X射線衍射分析通過測定不同角度處的衍射角和相應(yīng)的強(qiáng)度，可以得到關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息。在高密度等靜壓石墨的研究中，X射線衍射分析有助于確定石墨晶格的排列方式、晶格常數(shù)以及可能存在的晶體缺陷。

圖1 高密度等靜壓石墨微觀SEM圖

（2）掃描電子顯微鏡觀察。掃描電子顯微鏡（SEM）是一種能夠提供高分辨率表面形貌信息的強(qiáng)大工具，對(duì)于高密度等靜壓石墨的微觀結(jié)構(gòu)觀察起到至關(guān)重要的作用。在SEM觀察中，通過照射樣品表面的高能電子束，可獲得樣品表面的形貌圖像[3]。SEM通過優(yōu)化電子束的加速電壓和探針電流，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面的高分辨率成像。還可以通過不同探測器的選擇，獲得有關(guān)樣品表面形貌、晶粒大小、顆粒分布等信息。具體如圖1所示。

在高密度等靜壓石墨的觀察中，SEM可以直觀地展示樣品的表面形貌和顆粒分布情況。通過對(duì)不同工藝參數(shù)下樣品表面的比較觀察，可以深入了解各種工藝對(duì)石墨微觀結(jié)構(gòu)的影響。

（3）熱導(dǎo)率測量。熱導(dǎo)率測量是評(píng)估高密度等靜壓石墨導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵手段之一。通過測定材料對(duì)熱量傳導(dǎo)的響應(yīng)，可以全面了解其導(dǎo)熱性能，并為石墨在導(dǎo)熱材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供實(shí)質(zhì)性的數(shù)據(jù)支持。在進(jìn)行熱導(dǎo)率測量時(shí)，需要考慮一系列實(shí)驗(yàn)條件和儀器選擇。

熱導(dǎo)率測量的實(shí)驗(yàn)條件中，需要確保樣品的幾何形狀和尺寸能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，以保證測量的準(zhǔn)確性。通常情況下，采用平板熱源法或熱電偶法進(jìn)行熱導(dǎo)率測量。在平板熱源法中，樣品的幾何形狀和尺寸對(duì)測量結(jié)果有顯著影響，因此需要在保證石墨樣品均勻性的前提下，選擇合適的尺寸和形狀。在熱電偶法中，石墨樣品的制備和安裝對(duì)測量結(jié)果同樣至關(guān)重要。

（4）密度和孔隙度測試。密度和孔隙度是直接影響高密度等靜壓石墨物理性能的關(guān)鍵參數(shù)。準(zhǔn)確測定石墨樣品的密度和孔隙度對(duì)于揭示其微觀結(jié)構(gòu)以及在應(yīng)用中的性能至關(guān)重要。

在密度測試中，采用比重法或氣體置換法是常見的測量方法。比重法通過測量石墨樣品在空氣和液體中的質(zhì)量差異來計(jì)算密度。而氣體置換法則通過測量石墨樣品吸收氣體的體積變化來得到密度。在進(jìn)行密度測試時(shí)，需考慮樣品的形狀和尺寸，以及實(shí)驗(yàn)條件的選擇，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

孔隙度測試是通過測量石墨樣品中的孔隙體積來獲取數(shù)據(jù)的。采用氣體滲透法或液體浸漬法是常見的孔隙度測試方法。在氣體滲透法中，通過測量氣體滲透到孔隙中的體積來計(jì)算孔隙度。而在液體浸漬法中，通過測量液體浸漬樣品前后的體積變化來得到孔隙度。在進(jìn)行孔隙度測試時(shí)，需要選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法，以滿足石墨樣品的實(shí)際情況[4]。同時(shí)，需對(duì)測試條件進(jìn)行精確控制，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。密度和孔隙度的準(zhǔn)確測試結(jié)果為高密度等靜壓石墨的微觀結(jié)構(gòu)提供了實(shí)質(zhì)性的數(shù)據(jù)支持。通過對(duì)這些參數(shù)的深入了解，能夠?yàn)閮?yōu)化石墨制備工藝、提高其在導(dǎo)熱材料等領(lǐng)域的應(yīng)用性能提供科學(xué)依據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

①原料選擇與預(yù)處理

選用天然石墨作為主要原料，同時(shí)引入一定比例的人工石墨和添加劑。物理預(yù)處理采用磨粉和篩分，確保原料顆粒均勻?；瘜W(xué)預(yù)處理通過酸洗去除表面氧化物和雜質(zhì)，提高原料表面活性。

②石墨材料的孔隙控制

在原料選擇和預(yù)處理過程中，通過選擇顆粒均勻、結(jié)晶完整的原料，以減少后續(xù)孔隙形成的可能性。在等靜壓制備的工藝中，通過合理控制加壓過程和燒結(jié)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙的進(jìn)一步控制。

③X射線衍射分析

采用X射線衍射儀測量樣品的衍射圖譜，通過解析衍射峰的位置和強(qiáng)度，得到關(guān)于石墨晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)以及晶體缺陷的信息。

④密度和孔隙度測試

通過比重法測量石墨樣品的密度，采用氣體滲透法或液體浸漬法測量孔隙度。在測試中，確保樣品制備的平整度和導(dǎo)電性，選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)測試條件進(jìn)行精確控制。

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

通過實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果，具體如下：

表1 石墨樣品加工參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 X射線衍射分析數(shù)據(jù)

表3 密度和孔隙度測試數(shù)據(jù)

加工參數(shù)優(yōu)化：從表1中可以看出，隨著加壓力度、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間的增加，石墨樣品的致密度逐漸提高，力學(xué)性能也相應(yīng)增強(qiáng)。然而，需在保證致密度的同時(shí)考慮能耗和生產(chǎn)效率，找到最佳的加工參數(shù)組合。

X射線衍射分析：通過表2的數(shù)據(jù)，可以確定衍射角和強(qiáng)度，進(jìn)而得到關(guān)于石墨晶體結(jié)構(gòu)的信息。通過解析衍射圖譜，有助于了解石墨晶體的排列方式和可能存在的晶體缺陷。

密度和孔隙度測試：表3展示了不同樣品的密度和孔隙度數(shù)據(jù)。密度的差異反映了加工參數(shù)對(duì)致密度的影響，而孔隙度數(shù)據(jù)則提供了關(guān)于樣品孔隙分布的信息。這對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化等靜壓制備工藝具有指導(dǎo)意義。

通過實(shí)驗(yàn)可以得出在加工參數(shù)優(yōu)化中，適度提高加壓力度、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間有助于提高高密度等靜壓石墨的致密度和力學(xué)性能，但需在能耗和生產(chǎn)效率之間找到平衡點(diǎn)。X射線衍射分析揭示了石墨樣品的晶體結(jié)構(gòu)信息，為深入了解其微觀特征提供了有力支持。密度和孔隙度測試結(jié)果表明，通過優(yōu)化加工參數(shù)，可以有效控制石墨樣品的密度和孔隙度，為其在導(dǎo)熱材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

4.結(jié)語

本研究深入探討了高密度等靜壓石墨的制備與微觀結(jié)構(gòu)表征，通過精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，從原料選擇與預(yù)處理、孔隙控制、加工參數(shù)優(yōu)化，到立方壓制與燒結(jié)工藝等多個(gè)方面展開系統(tǒng)性的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在適度提高加壓力度、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間的條件下，可以有效提高石墨樣品的致密度和力學(xué)性能。X射線衍射分析揭示了石墨的晶體結(jié)構(gòu)信息，掃描電子顯微鏡觀察提供了直觀的微觀結(jié)構(gòu)特征。熱導(dǎo)率測量和密度孔隙度測試結(jié)果進(jìn)一步印證了加工參數(shù)對(duì)導(dǎo)熱性能和材料密實(shí)度的重要影響。通過這些研究，對(duì)高密度等靜壓石墨的制備工藝和微觀結(jié)構(gòu)有了更深層次的認(rèn)識(shí)，為其在導(dǎo)熱材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了科學(xué)基礎(chǔ)。本研究不僅為石墨材料的制備工藝提供了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，也為未來的石墨材料研究和應(yīng)用拓展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。