مواد المجال الحراري السائدة: مواد مركبة من الكربون والكربون

مركبات الكربون-الكربونهي نوع من مركبات ألياف الكربون، حيث تُستخدم ألياف الكربون كمادة تقوية، بينما يُستخدم الكربون المترسب كمادة أساسية.مركبات الكربون/الكربون هي الكربونبما أنه يتكون بالكامل تقريباً من الكربون العنصري، فإنه يتمتع بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية ويرث الخصائص الميكانيكية القوية لألياف الكربون. وقد تم استخدامه صناعياً في المجال الدفاعي سابقاً.

مجالات التطبيق:

المواد المركبة من الكربون/الكربونتقع هذه الشركات في منتصف السلسلة الصناعية، وتشمل مراحل الإنتاج الأولية تصنيع ألياف الكربون والتشكيل الأولي، أما مجالات التطبيق النهائية فهي واسعة نسبياً.المواد المركبة من الكربون/الكربونتُستخدم هذه المواد بشكل أساسي كمواد مقاومة للحرارة، ومواد مقاومة للاحتكاك، ومواد ذات أداء ميكانيكي عالٍ. وتُستخدم في مجالات الطيران والفضاء (بطانات فوهات الصواريخ، ومواد الحماية الحرارية، والأجزاء الهيكلية الحرارية للمحركات)، ومواد المكابح (السكك الحديدية عالية السرعة، وأقراص مكابح الطائرات)، والمجالات الحرارية الكهروضوئية (أسطوانات العزل، والبواتق، وأنابيب التوجيه، ومكونات أخرى)، والأجسام البيولوجية (العظام الاصطناعية)، وغيرها. حاليًا، في السوق المحليالمواد المركبة من الكربون/الكربونتركز الشركات بشكل أساسي على الرابط الفردي للمواد المركبة وتمتد إلى اتجاه التشكيل الأولي في المراحل الأولية.

تتميز المواد المركبة من الكربون والكربون بأداء شامل ممتاز، فهي ذات كثافة منخفضة، وقوة نوعية عالية، ومعامل مرونة نوعي عالٍ، وموصلية حرارية عالية، ومعامل تمدد حراري منخفض، ومقاومة جيدة للكسر، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للتآكل الكيميائي، وغيرها. وعلى وجه الخصوص، وعلى عكس المواد الأخرى، فإن قوة هذه المواد المركبة لا تتناقص بل قد تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. إنها مادة ممتازة مقاومة للحرارة، ولذلك تم استخدامها صناعياً لأول مرة في بطانات فوهات الصواريخ.

تتمتع المواد المركبة من الكربون والكربون بخصائص ميكانيكية ومعالجة ممتازة، تمامًا كألياف الكربون، بالإضافة إلى مقاومة عالية للحرارة والتآكل، مما جعلها منافسًا قويًا لمنتجات الجرافيت. خاصةً في مجال التطبيقات التي تتطلب قوة عالية، كمجال الطاقة الشمسية الكهروضوئية، تبرز مزايا المواد المركبة من الكربون والكربون من حيث التكلفة والسلامة بشكل متزايد في ظل الإنتاج الضخم لرقائق السيليكون، حتى بات ذلك مطلبًا أساسيًا. في المقابل، أصبح الجرافيت بديلًا للمواد المركبة من الكربون والكربون نظرًا لمحدودية الطاقة الإنتاجية المتاحة.

تطبيقات المجال الحراري الكهروضوئي:

يُعدّ المجال الحراري النظامَ المتكاملَ للحفاظ على نموّ السيليكون أحادي البلورة أو إنتاج سبائك السيليكون متعدد البلورات عند درجة حرارة مُحدّدة. ويلعب دورًا محوريًا في نقاء وتجانس وخصائص السيليكون أحادي البلورة ومتعدد البلورات، ويُمثّل المرحلةَ الأولى في صناعة تصنيع السيليكون البلوري. يُمكن تقسيم المجال الحراري، بحسب نوع المنتج، إلى نظام المجال الحراري لأفران سحب بلورات السيليكون أحادية البلورة، ونظام المجال الحراري لأفران سبائك السيليكون متعدد البلورات. ونظرًا لأنّ خلايا السيليكون أحادية البلورة تتمتّع بكفاءة تحويل أعلى من خلايا السيليكون متعدد البلورات، فإنّ حصة رقائق السيليكون أحادية البلورة في السوق في ازدياد مستمر، بينما تتناقص حصة رقائق السيليكون متعدد البلورات في السوق في بلدي عامًا بعد عام، من 32.5% في عام 2019 إلى 9.3% في عام 2020. ولذلك، يعتمد مُصنّعو المجال الحراري بشكل أساسي على تقنية المجال الحراري لأفران سحب البلورات الأحادية.

الشكل 2: المجال الحراري في سلسلة صناعة تصنيع السيليكون البلوري

يتكون المجال الحراري من أكثر من اثني عشر مكونًا، والمكونات الأساسية الأربعة هي البوتقة، وأنبوب التوجيه، وأسطوانة العزل، والسخان. ولكل مكون متطلبات خاصة بخصائص المواد. يوضح الشكل أدناه مخططًا تخطيطيًا للمجال الحراري لبلورة السيليكون الأحادية. تُعد البوتقة، وأنبوب التوجيه، وأسطوانة العزل الأجزاء الهيكلية لنظام المجال الحراري. وتتمثل وظيفتها الأساسية في دعم المجال الحراري بأكمله عند درجات الحرارة العالية، ولذلك فهي تتطلب خصائص عالية من حيث الكثافة، والمتانة، والتوصيل الحراري. أما السخان فهو عنصر تسخين مباشر في المجال الحراري، ووظيفته توفير الطاقة الحرارية. وهو مقاوم كهربائيًا في الغالب، لذا يتطلب خصائص مقاومة عالية للمواد.