提到石墨，你可能先想到鉛筆芯、電池電極，但有一種升級版石墨——高純石墨，早已悄悄滲透到航天、核電、半導(dǎo)體等尖端領(lǐng)域，成為支撐人類科技進步的“隱形功臣”。它以99.99%以上的高含碳量，自帶“十八般武藝”，在極端環(huán)境中大展身手，今天就來揭開它的神秘面紗！

能成為高端產(chǎn)業(yè)的“香餑餑”，高純石墨的實力可不容小覷，它憑借自潤滑性好、強度大、導(dǎo)電性良好、耐酸耐堿、耐腐蝕、耐高溫、膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、密封性能高、結(jié)構(gòu)勻稱致密等特點，穩(wěn)穩(wěn)扎根電氣、冶金、國防航天、能源、化工等行業(yè)，更在第三代半導(dǎo)體、核工業(yè)、光伏等新興領(lǐng)域占據(jù)核心地位，堪稱科技發(fā)展的“關(guān)鍵拼圖”。

來源：AMG石墨

1 兩種誕生路徑：天然與人造的“提純賽道”

高純石墨因原料和制備方法不同可以分為天然高純石墨和人造高純石墨。高純天然石墨憑借良好的導(dǎo)電和傳熱性能廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如耐火材料、防銹涂料、碳素電極、發(fā)電機、潤滑劑、核工業(yè)中的防護材料等。而人造高純石墨則由于其形貌和粒徑分布一致應(yīng)用于預(yù)焙陽極、特種石墨和核工業(yè)等領(lǐng)域。

利用天然石墨制備高純石墨往往是先利用浮選方法對石墨礦進行初步提純，而后利用堿酸法、氫氟酸法對浮選精礦進一步提純，最終利用高溫法或高溫氯化法獲得高純石墨產(chǎn)品。而人造高純石墨一般是將原料經(jīng)過初步處理后放入特制高溫反應(yīng)爐中進行石墨化和提純，主要是利用高溫爐的超高溫度將石油焦和瀝青焦石墨化，并通入鹵素氣體與雜質(zhì)反應(yīng)使之氣化而揮發(fā)，從而獲得高純石墨。

無論是高純天然石墨的制備還是高純?nèi)嗽焓闹苽?，都對原料的質(zhì)量有嚴格要求。天然石墨想要達到高純石墨要求，基本只有高溫法才能滿足生產(chǎn)需求，而高溫法由于能耗大，對設(shè)備要求高，所以對原料質(zhì)量有著一定要求，往往是利用已經(jīng)通過其他方法提純后品位達到99%的石墨產(chǎn)品進行提純，最終達到99.99%的高純石墨要求；而人造高純石墨往往選擇優(yōu)質(zhì)石油焦和瀝青焦進行生產(chǎn)，其中石油焦灰分應(yīng)小于0.5%，而且通常只使用低硫石油焦進行生產(chǎn)，因此石油焦硫含量在0.5%以下。

2 高端領(lǐng)域“大顯身手”：高純石墨的應(yīng)用

以高純石墨為原材料的行業(yè)主要集中在高新技術(shù)如半導(dǎo)體材料、光伏、石墨烯、核石墨等領(lǐng)域。

第三代半導(dǎo)體材料

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，石墨制品廣泛應(yīng)用于晶體生長爐、炭化爐、石墨化爐等高溫?zé)崽幚碓O(shè)備中。第三代半導(dǎo)體碳化硅所使用的高純石墨制品包括晶體生長用石墨坩堝、石墨加熱器、石墨粉等，其純度對碳化硅晶體質(zhì)量起著決定性的作用。

物理氣相法生長SiC示意圖

目前多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)碳化硅單晶時，都是采用物理氣相傳輸法，該方法是將碳化硅粉料放置在石墨坩堝底部，將碳化硅籽晶放置在石墨坩堝頂部，隨后對石墨坩堝進行加熱，直至達到碳化硅的升華溫度。隨后，碳化硅粉料會逐漸分解為Si蒸汽、Si2C和SiC2等氣相物質(zhì)，這些物質(zhì)會在軸向溫度梯度的作用下逐漸升華至坩堝頂部，在坩堝頂部的SiC籽晶表面凝結(jié)，就能獲得碳化硅單晶。

核石墨

核級高純石墨是核電工程化廣泛應(yīng)用的一種材料，核電級石墨材料被應(yīng)用在高溫氣冷堆堆芯中：如導(dǎo)管、燃料元件、支撐構(gòu)件。

來源：恒圣新材

核級石墨必須是高純石墨，高純石墨主要有骨料、黏結(jié)劑及浸漬劑。骨料主要是針狀石油焦與瀝青焦。核級高純石墨對微量元素控制要求比較高，在隔絕空氣條件下，進行長期間高溫灼燒純化，將雜質(zhì)去除，降低鹵素和低熔點金屬等微量元素含量。核級高純石墨炭素成型采用等靜壓工藝，將物料置于彈性體模具中，密封嚴密后抽出空氣，維持真空環(huán)境，將模具放入等靜壓液壓缸體中，通過各向同性液體相同壓力作用于模具，壓力傳遞給炭素材料，坯料致密。

光伏領(lǐng)域

來源：金順炭素

在光伏行業(yè)，特別是作為太陽能電池的電極材料，石墨具有廣泛的應(yīng)用，良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性使其成為生產(chǎn)太陽能電池電極的理想材料。此外，直拉硅單晶生長爐是制備硅單晶材料的主要設(shè)備，其中單晶爐加熱系統(tǒng)主要包括高純石墨加熱器、石英坩堝、石墨坩堝及保溫材料等。給石墨加熱器通入直流電，提供系統(tǒng)熱源以熔化多晶硅原料，加熱器的功率可以通過電源的電壓或電流來調(diào)節(jié)。加熱器所釋放的熱量經(jīng)保溫系統(tǒng)保溫后，可以形成適合硅單晶生長的熱場環(huán)境。

石墨烯

石墨烯是目前世界上最薄的納米材料，具有高化學(xué)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學(xué)性能和電性能等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。制備石墨烯的主要原材料是高純石墨。

其它

在更具挑戰(zhàn)性的航空航天領(lǐng)域，高純石墨依然表現(xiàn)出色。它被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中火箭發(fā)動機尾部的噴管喉襯和原子反應(yīng)堆的中子減速劑，以及導(dǎo)彈的隔熱、耐熱材料，甚至人造衛(wèi)星上的無線電連接和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)材料也可見高純石墨的身影。

參考來源：
徐生龍等.半導(dǎo)體制造業(yè)用碳化硅制備工藝研究與實踐
趙小國.電子級直拉硅單晶生長過程中關(guān)鍵問題控制研究
曹世界.高純石墨用原料的提純工藝研究
李彬彬等.核電用石墨常溫和高溫摩擦磨損性能研究
吳忠舉等.物化提純法提純SiC用高純石墨制品技術(shù)研究
趙賽丹等.天然鱗片石墨的提純及其電化學(xué)性能研究
顏玲亞等.世界新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展、新貿(mào)易格局下我國石墨資源安全分析