各向同性热解石墨：机械密封界的“黑金”材料
白朔 在现代工业中，机械密封是防止流体泄漏的核心技术，从普通水泵到高端的航空、航天发动机，都离不开精密配合机械密封部件。由于在极薄的气、液膜甚至干摩擦状态下进行运转，需要密封材料同时具备自润滑、耐磨损、不透性等优异性能。 各向同性热解石墨以各向同性、高强、耐磨和完全不透的综合优势，为高性能机械密封材料提供了解决方案。未来，随着制备工艺的不断迭代和优化，各向同性热解石墨将在更广阔的应用领域得到应用，有望成为新一代高性能机械密封的核心材料，成为炭石墨材料中名副其实的“黑金”材料。 炭石墨材料有个“天生”短板 炭石墨材料具有优异的自润滑性和化学惰性，作为机械密封的关键材料得到了广泛的成功应用。然而传统工艺制备的炭石墨材料有一个“天生”的短板——三维联通的开口气孔。这是由于作为骨料颗粒粘结剂的沥青或树脂在高温炭化过程中释放出的气体形成的，不仅降低了材料的不透性，也大大降低了材料强度。 为弥补这一缺陷，采用浸渍树脂、金属（如锑、铜、银等）或无机盐填充开口气孔，获得不透性炭石墨复合材料。但填充孔隙的第二相物质又会因其与炭石墨材料不同的特性而受到应用限制，如树脂无法在高温条件下应用、金属存在热膨胀匹配和磨损问题等，在高温、抗氧化、长寿命等极端条件下无法满足应用要求。 “碳雨滴”让三维孔隙彻底消失 各向同性热解石墨的化学气相沉积工艺与传统工艺完全不同，其原料不再是固体骨料和粘结剂，而是甲烷、丙烷等碳氢气体。 碳氢气体在高温条件下受热分解，碳原子和少量氢原子团聚成纳米到微米级的碳氢小液滴，就像云雾中凝结的“碳雨滴”。这些小液滴不断沉降在模具表面，并在高温下实时炭化，迅速释放出氢后直接转化为固态碳结构。一层层碳氢液滴沉积、炭化，逐渐沉积生长成具有一定厚度的纯碳材料。由于炭化与沉积近乎同步完成，氢元素被及时释放，材料内部没有机会形成联通的孔隙，最终得到具备优异不透性的各向同性热解石墨，彻底告别了传统工艺遗留下的三维孔隙，无需任何浸渍处理即可得到应用。 这种材料不仅解决了不透性的问题，同时还具有各向同性、高强度、快速制备等优点。颗粒状碳结构是由“碳雨滴”脱氢炭化而成的基本结构单元，其组成大致可分为三部分：核心、包裹核心的层状结构和最外侧的缠结结构。这些碳原子层都以核心为中心呈圆周对称排列，形成了颗粒状的各向同性结构单元，无数基本结构单元堆积形成了各向同性的块体材料——各个方向都同样均匀、致密且性能相同。 同时纳米到微米级的基本结构单元在沉积过程中紧密结合且相互熔并，因此各向同性热解石墨材料与传统炭石墨材料相比强度提高2-3倍。与炭石墨材料长达2-3个月的传统制备工艺相比，化学气相沉积工艺的制备周期一般为2-3天，并可以根据应用需要进行近净成形的定制化制备，极大的缩短了材料制备周期和原材料损耗。 无需浸渍也能胜任密封要求 高致密度和几乎为零的开口气孔率，使各向同性热解石墨完全不透气体和液体，无需浸渍就能胜任机械密封的苛刻要求。均匀的颗粒结构赋予它高机械强度和出色的耐磨性，即便在干摩擦或边界润滑条件下，密封面也能维持长寿命。无开口气孔意味着氧分子难以向内部扩散，高温环境下的抗氧化性远超传统多孔石墨。此外，各向同性使材料在各个方向上的加工特性一致，能够高精度地加工密封端面，形成稳定的密封液膜，极大提升了密封可靠性。 从充满孔隙的传统炭石墨，到化学气相沉积“碳雨滴”生成的各向同性热解石墨，是纯碳质材料的一次飞跃。在实际机械密封应用中，各向同性热解石墨凭借高强度、均质和耐磨性，可以满足高速、高压、高温等极端条件下的应用需求，目前在航空发动机、航天动力装置、武器系统、卫星和无人机等应用领域已得到成功应用，为机械密封的可靠运行提供了坚实的材料支撑。 作者简介：白朔，中国科学院金属研究所研究员，1999年在中国科学院金属研究所获得博士学位，主要研究方向是热解石墨、各向同性热解石墨、炭石墨复合材料等特种炭材料的研究与应用，多种材料在航空、航天、电子等领域得到成功应用。研究成果共发表论文70余篇，获得发明专利授权40余项。相关成果曾获国防科技进步奖2项，主持国家部委重点、专项等项目和课题多项。