国内外碳素叶片的发展概况

冯勇祥

（自贡东新电碳有限责任公司，自贡 643000）

1 引言

碳素叶片（又称石墨叶片、碳素滑片、碳素旋片、碳石墨刮片、碳石墨密封条等）是电碳行业主要产品-机械用碳产品大类中一个普通的分类。一般的说它并不引起人们的更多关注，但它对用户来说，是不可忽视的重要配件，如四川省粮食公司汽车队从日本引进了几十辆日野载重汽车，就因为没有刹车泵碳素叶片的配件，使汽车不能正常应用。曾试用过胶木叶片、电极石墨叶片来替代，但效果均差。后经东新电碳厂提供了碳素叶片，经使用完全满足需要，解决了无日本配件的困惑。

碳素叶片的技术要求是随着主机的不同工况而定，一般的碳素叶片在质量上要求不高，但个别的主机需要的碳素叶片，需要的技术性能参数很高。如汽车转子发动机用的碳素叶片，要开发与满足它的应用，其难度很大，曾成为国际不易攻克的难题之一[1]。

世界各国都很重视该产品的开发，大多数的碳石墨企业都生产这类产品，个别的压缩机厂为了满足自身生产的需要，也自主开发压缩机用碳素叶片。

国外碳素叶片生产、研发的历史并不早，在上世纪四十年代，主要是随着无油压缩机开发的需要而发展的。我国碳素叶片的稍晚些，是在五十年代末、六十年代初，它是与电碳行业的兴起关联的。通过几10年电碳工作者的努力，碳素叶片无论产品的品种、生产工艺及其应用的水平，都有很大的提高和发展，已经能满足国内主机的发展的需要，有的还随着主机出口国外。

2 碳素叶片的国外状况

英国、德国、美国 、法国、日本、俄罗斯等国的碳石墨企业很重视该产品的开发，而且大多数都拥有强大的实力来生产这类产品。现就生产与推动碳素叶片发展起主导作用的著名企业介绍如下。

2.1 英国

英国是最早重视与开发压缩机、真空泵和液体泵用碳素叶片的国家，主要生产与研发企业是英国摩根碳素有限公司（以下简称英国摩根公司），它是国际上电碳行业包括机械用碳石墨材料生产与科研方面，质量最优异、声望最大、实力最强的著名企业之一。远在上世纪初的1962年就在公司出版的《碳素及其应用》发表了“碳在无油润滑压缩机中的应用”与“旋转气体压缩机、真空泵和液体泵用摩根碳素叶片”的论文。

该公司生产的碳素叶片目前已发展到能满足传统金属叶片所不适宜使用的各种不同用途。它的材料范围从碳石墨类发展到碳石墨浸渍树脂类、碳石墨浸渍金属类。它们有一个重要特点就是在广、宽的不同条件下，各有各的用途。它不仅适宜用于处理水、石油、燃料油和其他液体的泵，同样也适宜于输送不能被油污染的空气和气体压缩机。纯碳素叶片对许多化学品，包括大多数酸、碱和腐蚀性的盐是惰性的，因而耐腐蚀，不会给所接触的介质带来任何气味，所以用于食品加工工业是安全的[2-5]。

碳素叶片的工艺特点：（1）CY-10型碳素叶片的工艺特性是粗颗粒，焦炭为60%，石墨为40%组成。（2）CY-10基体材料浸不同树脂，浸渍酚醛树脂就变成CY-10C、浸渍糖浆就变成CY-10F。（3）CY-10基体材料浸渍金属铜就成MY-10A。

表1 英国摩根公司碳素叶片的性能Table 1 The Morgan’s carbon blade performance

2.2 德国

德国是很重视该产品开发的国家，从事生产的企业主要有德国SGL碳素集团、德国逊克碳素公司、德国康拉迪碳素公司等7家，它们也都是国际著名碳素产品企业 ，在中国都有强大的经营、开发机构。但真正在行动上肯下功夫的企业并不多，只有2家，它们是德国SGL碳素集团与德国逊克碳素公司。在碳素叶片生产、科研开发及交流方面这俩家企业尤为突出。所提供的各种产品其质量获得很高的评价并有较好的市场。下面将作重点的介绍。

2.2.1 德国SGL碳素集团

该集团生产与开发的碳素叶片（刮片）早期品牌 主 要 为：EK10、EK40、EK42、EK200与 EK300五种，其工艺是采用硬质碳，电化石墨、浸渍树脂、浸渍巴氏合金，后期开始较多地生产与开发EK60、V1754、V1771、V1352与V1640五种都为树脂粘结的碳素叶片，其推荐应用的强度等技术参数很一般，另外开发的V1626型碳素叶片是一种自润滑性较好的、强度与使用温度较高的，能承载高负荷的的特殊用途的碳素叶片。它在工艺上是采取石墨基并浸渍盐类物质的材质。所有这些型号碳素叶片的技术性能列于表2和表3。

表2 德国SGL碳素集团早期生产碳素叶片的性能Table 2 Early performance of carbon blades produced by Germany SGL Carbon Group

表3 德国SGL碳素集团近期生产碳素叶片的性能Table 3 Recent performance of carbon blades produced by Germany SGL Carbon Group

应用指南：

a.碳素叶片能够作为密封件有效地使用于无润滑旋转机械设备，如真空泵、气体泵以及液体泵，它比金属叶片有较大的优越性，其原因，就在于它具有一系列的特性，如好的自润滑性能、较低的密度、很好的热性能等。

b.浸渍金属的碳素叶片不仅具有好的自润滑性能，还有较高的强度。它比未浸渍金属的碳素叶片拥有更好的磨损速率。

c.浸或未浸碳素叶片通过试验，发现在相同尺寸的叶片离心力增加，负荷对磨损率有重大的影响。

d.碳素叶片的磨损也就是它的寿命很大程度上取决于摩擦付金属表面的光洁度。

e.碳素叶片应用与选择见表4。

表4 碳素叶片应用的推荐Table 4 Recommendations for carbon blade applications

注：①所有表4中材料都适合在V为20 m/s，P为3巴的条件下应用。

②适合的对摩材料：灰铸铁、铸铝、经表面处理的灰铸铁与铸铝、合金钢、碳/石墨。

③公差：IT6/矩形 ＞3, 偏差0.05/100mm长度[6，7]。

2.2.2 德国逊克碳素公司

该公司生产与开发的碳素叶片的型号主要有FE65（电化石墨）、FE67M（电化石墨浸盐类物质）、FH42Z2和FH44Z2（浸树脂的碳石墨产品）四种。FE65型碳素叶片是德国逊克碳素公司生产的一种较高品级的材料，它的机械强度较高、自润滑性能也好、并具有耐高温（在空气中可使用到600℃）、高速下寿命长的特点，因此可用于压缩机也可用于真空泵上。其生产工艺特征是经过浸渍后，再进行热处理的电化石墨。它的质量在中国市场颇有一些声望，很受用户的欢迎。FH42Z2是FH42碳石墨基料浸渍树脂而得，由于它的气孔率较大为15-15 %，通常浸渍要进行三次，前二次用毛坯浸渍，第三次用成品浸渍，浸后用酒精处理。产品每浸一次要固化一次，如浸三次的，前二次固化可不加压，第三次必须加压，否则容易出废品。

其主要性能见表5[8，9]。

表5 德国逊克碳素公司生产碳素叶片的性能Table 5 Performance of carbon blade produced by Shunk Carbon in Germany

2.2.3 德国康拉迪碳素公司

该公司生产的碳素叶片相对地报导较少，只有一种。其型号是B525，它的技术性能如下：

体积密度 1.63 g/cm3、气孔率 18 %、肖氏硬度70、洛氏硬度 25HR10/100、抗折强度 40MPa 、抗压强度130MPa 、杨氏模量1.0 GPa、热膨胀系数 4.0（240-470K）10-6/K 、导热性 50 W/mK、最高使用温度200℃、电阻率55μΩ/m、灰分1.50%[10]。

2.3 美国

美国有多家碳素公司如联合碳化物公司特种碳公司、皮尤阿碳素公司、斯塔克波尔公司、步高（POCO）公司、维克斯工程材料公司、圣玛利工厂、大湖炭素公司等都有碳素叶片的生产与开发研究的实力，而且都是国际著名的碳素企业，其中皮尤阿碳素公司相对地更重视碳素叶片的生产与开发工作，特作如下介绍。

皮尤阿碳素公司是美国生产机械用碳石墨制品包括碳素叶片生产的重要企业。该公司在开发碳素叶片方面作出了很大的努力，也取得了不少成绩。它所生产的碳素叶片已成系列。如低渗气率的P-9型碳素叶片、高强度的P5型碳素叶片与导热系数高的P03型碳素叶片三大类，而且经大量的实用性研究与试验，成功地探索出碳素叶片合适的制造工艺与应用，

碳素叶片生产的工艺特征：

(1)这三类碳都是非浸渍的碳材料，其技术性能见表6。如果按使用需要，P-9型碳可浸渍酚醛、呋喃与聚脂树脂，P5型碳可浸渍巴氏合金、银、氟化锂、聚乙烯，而P03型碳可浸渍无机盐。这些都有已开发的成熟产品，以供调配使用。

表6 美国皮尤阿碳素公司生产碳素滑片的性能Table 6 The performance of carbon slide produced by Pew CARBON in the United States

(2)P03型碳是含量高的碳与低灰分沥青混合后经石墨化制得、P5型碳是采用煅烧石油焦，少量木炭与玻璃碳来制得、P-9型碳则是细粒天然石墨并加入较多沥青而制得，它们都有其性能特点，以满足各种机型的需要。

(3)为了适用于轻负荷装置的需要，公司也生产G-1型树脂粘结碳的碳素叶片[11，12]。

2.4 法国

美尔森集团（原为罗兰碳素公司）是法国生产机械用碳（包括碳素叶片）的唯一企业。它的发展历史很早，是国际上第一个取得电刷专利和人工石墨化专利的企业。一些高端碳石墨制品如等静压石墨、电火花石墨、连铸石墨、各种石墨换热器等该公司不仅都生产，而且品种、质量都很优异，是国际著名品牌。

机械用碳（包括碳素叶片）的生产与科研实力同样雄厚，品种俱全，质量优异，不仅满足本国国民经济发展的需求，还大量出口国外，该公司碳素叶片的代表性品牌为JP563，它是浸渍铜的碳素叶片，其技术性能：体积密度为2.2g/cm3、肖氏硬度70 、抗压强度 140 MPa、抗折强度70MPa、气孔率 ＜1 % 、热胀系数 5.3×10-6/℃[13，14]。

2.5 俄罗斯

俄罗斯把碳石墨叶片归纳在抗磨碳素材料一类，而抗磨碳素材料在俄罗斯受到相当重视，有国际知名的俄罗斯结构石墨研究院和电碳工艺设计研究院两个科研院对它们进行开发与研究，通过长期的努力，到目前为止该材料的生产工艺、采用的测试和工艺装备、应用等都具有世界先进水平，因此不仅在国内，而且在国外也获得广泛应用。

俄罗斯碳素叶片的代表性产品是AMC-5M型碳素叶片，它制造的工艺最大特点，是采用含有环氧树脂硅有机粘结的材料，它的同类型号还有AMC-1与AMC-3。而AMC-5，则是用聚酰胺粘结剂来生产，它的技术性能：体积密度为1.25g/cm3抗压强度为140-200 Mpa、抗折强度为150-200 Mpa.

而AMC-5M型碳素叶片特别适用于无油润滑空气压缩机，它能在5-8米/秒圆周速度下作无润滑工作，寿命为7000小时[15，16]。

2.6 日本

日本是一个特别重视机械用炭包括碳素叶片生产与研究的国家，拥有多家很有实力的炭素制品生产的企业，如日本碳素公司、日本东海炭素公司、东洋碳素公司、日本电极公司与日本斐辑川公司等.尽管它的起步较晚，但是经过几十年的努力，取得了长足的进步。具体表现在旋转活塞发动机用碳素叶片（刮片）的开发（碳素行业中世界级难题）上，1964年末日本碳素公司研发的碳素叶片（刮片）就在样机上试验，创造了672小时台架试验记录，才看到了成功的曙光，后又经7年的攻关，最终解决碳素叶片生产中的强度、耐磨性、均匀性三大关键才取得了成功。值得一提的，为了提高强度，曾探索了石墨浸渍铝与锑的应用 ，它也为后期的机械用碳石墨的高速发展，奠定了良好的基础。

日本东洋碳素公司也是重视碳素叶片生产与研究的著名企业，该公司一般推荐碳素叶片的品牌为KC40K和KC41OK两种[17]，KC40K是碳石墨质而KC41OK是浸渍树脂质。其技术性能见表7， 它们适用于回转压缩机，吸、吐压力差3-5 Kg/cm2，速度12m/sec，真空400 mmHg。

表7 日本东洋炭素公司碳素叶片的技术性能Table 7 Technical performance of carbon blade produced by TOYO TANSO in Japan

3 国内碳素叶片的发展简况

中国的碳素叶片是随着机械用碳材料生产的发展而起步的，始于上世纪五十年代末。但它的发展速度还是令人鼓舞的。初期研制与生产碳素叶片的只有2家，为哈尔滨电碳厂与上海电碳厂。所投入的力量也是很有限的，品种只有几个，产量廖廖无几。到六十年末。我国为了大力发展机械、化工、化肥、轻纺、印刷等行业、先后从日本、德国等国引进了多种多样的专用设备，其中有大量的配件是碳素叶片。因此研制与开发替代进口的碳素叶片 变成我国进行宏观指导下的一项非常重要的工作。

从此，哈尔滨电碳厂、上海电碳厂在有关科研院所与大用户的支持下，碳素叶片生产获得了长足的进步，产量提高，品种增加，开始为实现国产化奠定了良好基础。

进入七十年代，北京电碳厂与四川东新电碳厂都抓住了用户急需碳素叶片的难得的机遇，开发了各自的不同用途与型号的碳素叶片，这就有力地推动了国内碳素叶片的迅猛发展。

国内碳素叶片发展到今天，可以说它的生产、科研，呈现出一片欣欣向荣的局面，能生产各种碳素叶片的企业已有数10家，产品的品种、质量、生产的工艺与设备等都已满足我国国民经济发展的需要，而且产品质量达到或接近国际同类产品的先进水平，使所需进口的碳素叶片实现了国产化，为国家节约了大量外汇。

在重视技术交流并积极为之工作的国内碳素叶片企业，主要有哈尔滨电碳公司、上海电碳厂、东新电碳公司、北京电碳厂等，特作如下介绍。

3.1 哈尔滨电碳公司、哈尔滨电碳研究所

该公司是国内最早开发碳素叶片的企业，也是发挥引领作用的企业，它不仅自身积极组织科研力量，从事碳素叶片的开发工作，而且及时地通过多种方式推动行业对碳素叶片的重视。具体表现在：

①80年代初哈尔滨电碳厂、电碳研究所为满足国产WH5.2/2型空气压缩机生产需要，确立了科研项目，并通过一年多的试验与努力，终于成功开发出T532型大型碳素叶片，由于其优异的质量，荣获了黑龙江省1984年度科技成果三等奖；

②1989年前后，先后向机电部申报哈尔滨电碳研究所承担“M301碳塑复合石墨滑片（碳素叶片）研制的机电部计划项目”，向省机械委承担汽车用刹车泵用M304石墨滑片（碳素叶片）计划项目，都获得批准，后在开发过程中，出色地完成任务，研制出的产品取得了优异的质量、较高的使用寿命，前者拥有机械强度高、抗冲击性能好等特点，可以替代德国林斯道夫公司生产的V1298型复合碳素叶片，后者可替代德国逊克碳素公司生产的FE-65型碳素叶片，双双实现了国产化。

③ 在开发碳素叶片的整个过程，公司充分利用情报信息的优势，开展了大力宣传并组织了碳素叶片动向的技术交流；如多次编印了碳素叶片的产品样本、组织专人撰写了介绍了碳素叶片的论文并在《炭素》等刊物上发表，所有这些技术交流，有力地推动了国内碳素叶片的生产与科研工作的发展[18-29]。

迄今为止，哈尔滨电碳公司、哈尔滨电碳研究所先后开发了10多种碳素叶片的型号，其性能见表8。

公司碳素叶片生产工艺的特征有：

（1）较多地重视生产工序较少、成本相对较小的碳塑复合石墨片（碳素叶片），也就是M3系列产品；

（2）能满足特殊用户对各种复杂工况：高温。高压、高速、腐蚀性强介质中应用所需的浸渍酚醛、呋喃等树脂或浸渍各种金属的碳素叶片。

（3）碳素叶片生产品种多样化，能为用户提供更多的碳素叶片的选择，见表8 。

表8 哈碳公司碳素叶片的技术性能Table 8 Technical performance of carbon blade produced by Harbin Electrical Carbon Factory Co.,Ltd

3.2 上海电碳厂（现上海摩根电碳公司）

该厂在机械用碳材料包括碳素叶片的开发上，有其独特的优势，因此科研与生产进展的速度也要来得快。在我国碳素叶片开发初期，为满足国民经济发展的需要与推动该产品工艺的完善、质量的提高、品种的增加，所作的贡献较大。

工厂为碳素叶片用户提供的品种中主要有五种浸环氧树脂类碳石墨材料与三种浸呋喃树脂类碳石墨材料,其技术性能参数见表9，另外该厂还较早地成功开发了金属浸渍工艺，为一些碳素叶片的特殊用户提供了服务[30-31]。

表9 上海电碳厂碳素叶片的技术性能Table 9 Technical performance of carbon blade produced by Shanghai Electrical Carbon Factory

3.3 东新电碳公司

公司是三线配套的企业，抓住了四川多家引进企业急需国外机械用碳包括碳素叶片配套件的难得的机遇，于1976年调配了人力、物力，成立了机械用碳石墨研究所，并先后从英国引进了金相显微镜、远红外测定仪，从日本引进了热性能测试仪器等国际一流的先进的碳石墨测定仪器，自力更生研发了高端工艺装备，所有这些为加速推动国内碳素叶片生产与科研的发展奠定了良好基础。通过几年全力以赴地为机械用碳包括碳素叶片的科研与开发的努力，使碳素叶片的生产技术。产品质量和产品推广应用，都能达到国际同类产品的先进水平。完全满足了引进产品的国产化的需求、还随主机出口国外。

公司碳素叶片生产工艺特征：主要是浸渍树脂或合金的碳素叶片，其产品技术性能及应用，见表10。为满足少量用户的需要，公司还提供树脂石墨材料制的碳素叶片[32-37]。

表10 东碳公司主要生产的碳素叶片技术性能Table 10 Technical performance of main carbon blade produced by Dongtan Carbon

表11 东新电碳公司主要碳素叶片的应用Table 11 Application of main carbon blades in Dongxin Carbon Co., LTD

3.4 北京电碳厂

该厂主要是以生产各种用途的炭棒起家的，是我国电碳生产历史最悠久的几个厂之一。六十年代就试生产各种碳石墨密封环与轴承。七十年代初，为了满足本地印刷机援外任务的需要，而进行开发印刷机用碳素叶片。工厂非常重视，投入了人力物力，在科技人员的积极努力工作下，很快就获得了成功，开发出的碳素叶片使用寿命平均可达2-3年，仅1972年就生产了数万片，及时地满足用户的需求[38-40]。

其生产工艺特征：

①生产的品种有M205与M206型两种，前者是挤压，后者是模压的，

②原料：熟石油焦60 %、熟沥青焦33 % 、南墅石墨7 % 与适量的煤沥青（软化点88℃），

③混合、轧辊、混合、热压、焙烧、浸渍沥青、500℃炭化、石墨化、再进行机械加工。毛坯规格8×30×210 mm，成品规格5×28×200 mm,其技术性能见表12。

表12 北京电碳厂碳素叶片技术性能Table 12 Technical performance of carbon blade produced by Beijing Electrical Carbon Factory

4 总结

英国摩根公司与美国皮尤阿碳素公司是最早重视碳素叶片的开发企业。在生产工艺与应用方面，取得了卓越成效并能积极进行技术交流的企业。这对推动各国碳素叶片的生产发展起到很大作用，是值得学习的。

德国集团的经营理念，特别是营销策略，在高度为用户服务的指导下，做了大量的工作，不仅组织编印产品样本，介绍选用的指导性资料，还落实到具体产品的成本降低上，开发与提供价廉物美的树脂复合碳素叶片。最终使供、销双方都达到满意的效果，值得我们思考。

国内碳素叶片生产企业与国外著名企业竞争的50多年中，应该说是作出了很大的贡献、取得不错的业绩，也积累丰富的生产与科研工作经验，取得较多的科研成果，但因种种原因，技术交流方面的重视性还显得不够，部份地影响了我国碳素叶片生产与研发向着更高水平的发展。而在这方面哈尔滨电碳公司、哈尔滨电碳研究所作出了榜样，能发挥自身开展科技情报工作的优势，及时地将碳素叶片生产与研发的成果报导出来，对此我们期望在行业内形成一个高度重视技术交流工作的新局面。

南京压缩机股份有限公司上世纪末从德国GM AG 公司引进滑片压缩机系列5个机型,该滑片压缩机的特点是结构简单、低压(0 .2 MP a )、排气量大、体积小、质量轻,特别适用于安装在水泥罐车上使用[41-42]。石墨滑片（以下简称碳素叶片）是压缩机中的关键易磨损件，供应靠进口。为节省外汇，立足于国内，该公司决定自力更生去开发，并争得有关院、所的协助，历经二年，终于成功地研制出采用新型材料-聚酰亚胺作粘结剂并加少量炭纤维来生产碳素叶片，其性能与国外同类产品相同。另外，沈阳航空工业学院专业人员对空气压缩机用密封石墨条研究的论文信息等提示我们[43]，如果专业生产企业与用户技术交流多一点、沟通合作好一点，其效果可能会更好一些，为此建议今后应加强技术交流。另外聚酰亚胺作粘结剂并加少量炭纤维来生产碳素叶片的工艺确实是一种创新，也值得引起重视。