等静压技术突破大尺寸、高纯度、细结构特种石墨景气上行

  以石墨为主的碳基新材料产业作为战略性新兴起的产业，拥有广阔的发展前途，具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、易于精密机加工等特性，慢慢的变成为工业“宠儿”，被称为

  2021年8月24日，工信部将碳基新材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划。目前我国亟待攻克的“卡脖子”碳基材料品种有三大类：一是碳纤维及其制品（如高性能聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、碳纤维预浸料、复合材料和碳纸等）；二是特种石墨（如电火花加工用特种石墨、模具特种石墨、各向同性特种石墨、核石墨等）；三是功能炭材料（如中间相碳微球、电容炭、硬炭、硅炭、石墨烯导热膜和导电炭黑等）。

  其中，特种石墨是指碳的质量分数大于99.99%的石墨，又称“三高石墨”(高强度、高密度、高纯度)。具有高强度、高密度、高纯度、化学稳定性高、导热和导电率高、耐高温、耐辐射、润滑性强和易加工等特点。

  按成型方法分类，特种石墨可大致分为振动成型特种石墨、模压成型特种石墨、挤压成型特种石墨和等静压成型特种石墨四类。其中，等静压特种石墨产品性能最优良、工艺最复杂，应用领域也最高端。

  【等静压成型技术】是指将待压试样粉体置于高压容器中，利用液体或气体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，当液体或气体介质通过压力泵注入能承受压力的容器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。此时高压容器中的粉体在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。

  通过上述方法使瘠性粉料成型为致密坯体的方法称做等静压法。等静压成型制品具备“各向同性”的特点，材料的特性与尺寸、形状、取样方向无关。

  按成型温度的不同，等静压技术可分为热等静压(HIP)、温等静压(WIP)及冷等静压(CIP)三类。目前，由于技术壁垒和成本的原因，等静压石墨的生产大多采用冷等静压，采用热等静压生产的基本工艺的仍较少。

  1）冷等静压技术（Cold Isostatic Pressing，简称CIP）是在常温下，通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体（例如水或油或乙二醇混合液体）为压力介质。通常用压力为100~ 630MPa。对于金属，冷等静压技术能实现约100%的理论密度，陶瓷粉末能够达到约95%的理论密度。主要用以粉体材料成型，为进一步烧结或热等静压工序提供坯体。

  冷等静压技术又可以按成型模具是否与介接触分为【湿袋法】和【干袋法】两种。

  目前冷等静压技术被大范围的应用于日用陶瓷、建筑陶瓷、特种陶瓷等所有的领域。例如盘、碟、氧化铝研磨球、氧化铝化工填料球、耐火砖、陶瓷棍棒、火花塞、高频瓷套、复合陶瓷等。

  2）温等静压技术（Warm lsostatic Presses，简称WIP），压制温度一般在80~120℃下．也有在250~450℃下，使用特殊的液体或气体传递压力，使用压力为300MPa左右。大多数都用在粉体物料在室温条件下不能成型的石墨、聚酰胺橡胶材料等，以使能在升高的温度下获得坚实的坯体。

  3）热等静压技术（Hot Isostatic Pressing，简称HIP），是一种利用高温度高压力同时作用使金属或陶瓷制品经受各向同等压力从而使制件得以烧结和致密化的工艺技术。它具有化学成分稳定、力学性能各向同性、结构适应性好、成本较低的优点。

  在热等静压中，一般都会采用氩、氨等惰性气体作压力传递介质，包套材料通常用金属或玻璃。工作时候的温度一般为1000~2200℃ ，工作所承受的压力常为100~200MPa。2021年，北美热处理协会将热等静压技术与氢燃烧技术、增材制造技术列为最具发展的潜在能力的三大技术和工艺。

  热等静压设备由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、储气罐、冷却系统和计算机控制管理系统组成，其中高压容器为整个设备的关键装置。

  热等静压技术目前最主要的、最成熟的应用是对已成形的合金铸件，如铝合金、钛合金、高温合金铸件，进行致密化处理，消除其内部由于在成形过程中各区域冷却速度不均匀导致的缺陷，使其最终使用性能提高到该种材料的最高标准。

  热等静压能够最终靠高温度高压力的作用，将两种或两种以上的金属材料或陶瓷材料之间通过接触面原子间的相互扩散原理，实现固-固、固-粉、粉-粉连接，使多种材料整体化。与其他连接技术相比，两种材料的交界处紧密结合，无缺陷，交界处性能与母材无差别。

  热等静压粉末冶金是指利用热等静压工艺，将粉末状原材料灌装于特殊设计的包套中，在高温度高压力和等静压力作用下直接烧结成指定形状的产品。建立在粉末冶金优势的基础上，热等静压技术能使粉末状材料固结成更加致密，性能更高的成品。

  使用该项技术成形的零件内部组织均匀，同时力学性能与同材质锻件相当。结合了模具控形技术和计算机模拟技术，制品尺寸精度较高，且材料利用率超过90%，可谓最具发展的潜在能力的成形技术。与其他成型方法相比，该工艺具有设计灵活、性能优异、材料内部均一致密、实现双金属材料锭坯料的制备等优点。

  作为特种石墨（高纯石墨）中最重要、能够得到各向同性度最高产品的一类石墨，利用等静压工艺成型的石墨被称为【等静压石墨】，其具有耐高温、耐腐蚀、高强度、电导率和热导率良好、自润滑性、热线胀系数低以及高温状态下仍保持良好的强度等性能，被大范围的应用于机械、化工、电子、航空航天和核工业等高科技领域。等静压石墨的生产的基本工艺最重要的包含：细磨、筛分、配料、混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化和提纯等。

  当前等静压石墨正大范围的应用于光伏、半导体、新能源电池、核电、电火花（EDM）加工、冶炼、稀土等领域。上篇投研报告 《需求高增与技术革新共振，特种石墨奔轶绝尘》 已有详细介绍。等静压石墨需求与下游应用行业景气度密切相关。

  由于高昂的进口成本及部分国家的对高端特种石墨（如大规格、细粒度的核石墨、航空航天石墨）进行的技术封锁，我国特种石墨进口量增长缓慢。

  根据海关总署的多个方面数据显示，2019-2021年中国从海外进口的特种石墨约为2.55、2.2、2.8万吨；其次，由于高端特种石墨技术壁垒较高、具备一体化生产能力的规模以上企业相对较少，加上特种石墨材料的生产周期较长、周转速度慢，以及生产设备价格昂贵、投资回报周期较长，我国特种石墨产量增长较慢。

  根据石墨邦的数据，2019-2021年国内特种石墨实际产量约为6.0、6.6、8.9万吨。与此同时，受下游光伏、半导体、新能源电池、核电等领域加快速度进行发展的影响，我国的特种石墨需求量已从2019年的11.5万吨增至2021年度15.7万吨，供需缺口扩大。

  我国的特种石墨行业起步较晚，对产品应用技术及相关基础理论研究不够深入，大部分国产产品与世界领先水平尚存在一定的差距。

  国内特种石墨一直处在供给不足状态，尽管当前国内特种石墨的产能已经大幅度上升，但高端产品仍较少，尤其是大规格细颗粒的高端特种石墨产品（如核石墨、航空航天用石墨）目前其实是依赖国外进口，存在国产替代空间。

  我国等静压石墨的研制始于20世纪60年代初，初期主要为科研院所试制。20世纪80年代，上海碳素厂等企业首次尝试批量生产等静压石墨，但由于技术基础薄弱，加之国外企业的技术封锁，中国等静压石墨的整体水平远落后于美、德、法、日等国。

  经过多年发展，国内等静压石墨市场已形成国产厂商和海外石墨巨头多极竞争的格局，以五星新材、成都炭材、赛迈科（原中钢新型材料）为代表的国产等静压石墨有突出贡献的公司已成功打破国外等静压石墨企业在华垄断的局面，通过自主研发不断突破各类等静压石墨产品的核心技术，部分国产产品的性能参数和质量已不逊色于法国美尔森、德国西格里、日本东洋炭素等国际巨头。

  目前，由于生产所带来的成本更低、生产工序更齐全，国产厂商在等静压石墨的重要下游“光伏热场”行业市场竞争力已明显超过国际巨头，等静压石墨领域的国产化替代正处于加速期。

  上海有色网SMM的多个方面数据显示，2020-2022年，国产人造石墨和天然石墨价格均处于稳定上升的趋势，高端人造石墨价格从2020年的6.9万元/吨上升至2022年底的8.3万元/吨，高端天然石墨价格也从2020年的5.3万元/吨涨至2022年底的5.9万元/吨。

  但是到2023年，受锂电行业竞争压力增大的影响，头部负极材料厂商的石墨产能及自供比例不断的提高，依靠规模优势，对中小厂商进行价格狙击，负极材料行业正处于“洗牌期”。负极材料价格的的持续下跌带动整体石墨价格会出现某些特定的程度的回落，特别是中端人造石墨价格已逼进成本侧。

  但与此同时，有必要注意一下的是，2020年等静压石墨经历一轮降价后，受下业高景气度的影响，又于2021年初迅速上涨至7.2万元/吨左右，并长期保持稳定区间。截至2023年6月份，等静压石墨价格未见下跌，仍保持在7.5-8.5万元/吨的区间。

  目前，国外特种石墨核心厂商主要有日本东洋炭素、德国西格里、法国美尔森、美国步高。上述4家厂商的大尺寸、高纯度、细结构的高端等静压石墨产品在全球市场上占据绝对领先地位。

  根据公开渠道数据整理，目前国内规模以上特种石墨企业主要有五星新材、成都炭材、赛迈科、宁新新材、东方碳素、新成新材、平顶山博翔、河南卡博斯8家。2021年，8家企业总出售的收益约为32亿元，同比增长55%。

  与此同时，收入规模TOP3企业（五星新材、成都炭材、赛迈科）在8家企业的总出售的收益中占比逐年递增，从2019年的44%增长至2021年的58%。随着头部企业所建的产线逐步投入到正常的使用中，预计我国头部特种石墨厂商市场占有率将进一步上升。

  基于以下判断，我方认为当前我国等静压石墨市场存在【具备一体化生产能力的规模以上的特种石墨企业将会抢占更多的市场占有率】和【等静压石墨存在较高市场增长空间】两大趋势：

  ①技术壁垒：由于下游应用多元化，不一样的行业客户对特种石墨的性能要求不同，产品指标呈现差异化特点；其次，特种石墨生产周期较长，烧制过程的稳定性要求高，当前我国大规格细颗粒的高端特种石墨产品仅有少数头部厂商能生产。

  ②资金壁垒：特种石墨属于资金密集型行业，生产周期较长、周转速度慢，需要生产企业具备较大的投资规模特种石墨的生产设备价格昂贵，投资回报周期较长，，对企业的资金实力和资金流动性要求较高。

  ③人才壁垒：特种石墨材料制造行业由于工艺复杂、生产步骤较多，并对产品一直更新和研发的需求较大，需要拥有高专业方面技术水平的研发生产团队，能够把握行业发展的新趋势，不断研发新的石墨材料，适应下游石墨制品行业的需求。

  ①供给侧：由于高昂的进口成本及部分国家的对高端特种石墨（如大规格、细粒度的核石墨、航空航天石墨）进行的技术封锁，我国等静压石墨进口受限；加上高端特种石墨技术、资金、人才壁垒较高，具备一体化生产能力的规模以上企业较少，我国特种石墨产能增长较慢。整体供给量增长缓慢。

  ②需求侧：受下游光伏、新能源电池、核电、冶炼、稀土等行业快速地发展的影响，我国特种石墨的需求量持续提高。

  4）地理政治学紧张、全球经济下行的宏观背景下，各国追求能源独立步伐加速，光伏热场、半导体、新能源电池、核能安全等需求的激增将带动特种石墨市场快速增长。

  [1] 复杂金属零件热等静压整体成形技术，史玉升，华中科技大学出版社，2018