1 Приложение и напредък в изследванията на силициево-карбидното покритие в термополеви материали въглерод/въглерод
1.1 Приложение и напредък в изследванията в подготовката на тигелите
В топлинното поле на монокристала,въглерод/въглероден тигелсе използва главно като съд за пренасяне на силициев материал и е в контакт скварцов тигел, както е показано на Фигура 2. Работната температура на въглерод/въглеродния тигел е около 1450℃, който е подложен на двойна ерозия от твърд силиций (силициев диоксид) и силициеви пари, и накрая тигелът става тънък или има пръстеновидна пукнатина, което води до повреда на тигела.
Чрез процес на химическо проникване на пари и in-situ реакция беше приготвен тигел с композитно покритие от въглерод/въглерод. Композитното покритие се състои от силициево-карбидно покритие (100~300μm), силициево покритие (10~20μm) и силициево-нитридно покритие (50~100μm), което ефективно инхибира корозията на силициевите пари върху вътрешната повърхност на тигела от въглерод/въглерод. В производствения процес загубата на композитно покрития тигел от въглерод/въглерод е 0,04 мм на пещ, а експлоатационният му живот може да достигне 180 печения.
Изследователите са използвали метод на химическа реакция, за да генерират равномерно силициево-карбидно покритие върху повърхността на тигела от въглерод/въглероден композит при определени температурни условия и защита на носещия газ, използвайки силициев диоксид и метален силиций като суровини във високотемпературна пещ за синтероване. Резултатите показват, че високотемпературната обработка не само подобрява чистотата и здравината на силициево-карбидното покритие, но също така значително подобрява износоустойчивостта на повърхността на въглерод/въглеродния композит и предотвратява корозията на повърхността на тигела от пари на SiO2 и летливи кислородни атоми в монокристалната силициева пещ. Срокът на експлоатация на тигела се увеличава с 20% в сравнение с този на тигела без силициево-карбидно покритие.
1.2 Приложение и напредък в изследванията на тръбите за насочване на потока
Водещият цилиндър е разположен над тигела (както е показано на Фигура 1). В процеса на издърпване на кристали, температурната разлика между вътрешната и външната част на полето е голяма, особено долната повърхност е най-близо до разтопения силициев материал, температурата е най-висока, а корозията от силициевите пари е най-сериозна.
Изследователите са изобретили прост процес и добра устойчивост на окисление на антиокислителното покритие на водещата тръба и метод за подготовка. Първо, върху матрицата на водещата тръба е отгледан in situ слой от силициев карбид, след което е приготвен плътен външен слой от силициев карбид, така че между матрицата и плътния повърхностен слой от силициев карбид е образуван преходен слой SiCw, както е показано на Фигура 3. Коефициентът на термично разширение е между матрицата и силициевия карбид. Това може ефективно да намали термичното напрежение, причинено от несъответствието на коефициента на термично разширение.
Анализът показва, че с увеличаване на съдържанието на SiCw, размерът и броят на пукнатините в покритието намаляват. След 10 часа окисление на въздух при 1100 ℃, скоростта на загуба на тегло на пробата от покритието е само 0,87%~8,87%, а устойчивостта на окисление и устойчивостта на термичен удар на силициево-карбидното покритие са значително подобрени. Целият процес на подготовка се извършва непрекъснато чрез химическо отлагане на пари, подготовката на силициево-карбидното покритие е значително опростена и цялостната производителност на цялата дюза е подобрена.
Изследователите предложиха метод за матрично укрепване и повърхностно покритие на графитна направляваща тръба за монокристален силиций czohr. Получената суспензия от силициев карбид беше равномерно покрита върху повърхността на графитната направляваща тръба с дебелина на покритието 30~50 μm чрез нанасяне с четка или пръскане, след което беше поставена във високотемпературна пещ за in-situ реакция. Температурата на реакцията беше 1850~2300 ℃, а запазването на топлината беше 2~6 часа. Външният слой SiC може да се използва в пещ за растеж на монокристали с диаметър 24 инча (60,96 см), като работната температура беше 1500 ℃, и беше установено, че няма напукване и падащ прах по повърхността на графитния направляващ цилиндър след 1500 часа.
1.3 Приложение и напредък в изследванията на изолационния цилиндър
Като един от ключовите компоненти на монокристалната силициева система за термично поле, изолационният цилиндър се използва главно за намаляване на топлинните загуби и контрол на температурния градиент на средата на термичното поле. Като поддържаща част от изолационния слой на вътрешната стена на монокристалната пещ, корозията от силициеви пари води до изпускане на шлака и напукване на продукта, което в крайна сметка води до повреда на продукта.
За да се подобри допълнително устойчивостта на корозия от силициеви пари на изолационната тръба от композит C/C-sic, изследователите поставиха приготвените продукти от композитни C/C-sic изолационни тръби в пещ за химическа реакция с пари и чрез процес на химическо отлагане от пари нанесоха плътно силициево-карбидно покритие върху повърхността на продуктите от композитни C/C-sic изолационни тръби. Резултатите показват, че процесът може ефективно да инхибира корозията на въглеродните влакна върху сърцевината на композита C/C-sic от силициеви пари, а устойчивостта на корозия на силициевите пари се увеличава 5 до 10 пъти в сравнение с въглерод/въглеродния композит, като същевременно се удължава експлоатационният живот на изолационния цилиндър и безопасността на термичната среда са значително подобрени.
2. Заключение и перспектива
Силициево-карбидно покритиесе използва все по-широко в термополевите материали въглерод/въглерод поради отличната си устойчивост на окисляване при висока температура. С нарастващия размер на термополевите материали въглерод/въглерод, използвани в производството на монокристален силиций, спешен проблем за решаване на проблема е как да се подобри равномерността на силициево-карбидното покритие върху повърхността на термополевите материали и да се удължи експлоатационният живот на термополевите материали въглерод/въглерод.
От друга страна, с развитието на индустрията за монокристален силиций, търсенето на високочисти въглерод/въглеродни термични материали също се увеличава, а SiC нановлакна също се отглеждат върху вътрешните въглеродни влакна по време на реакцията. Скоростта на масова аблация и линейна аблация на композитите C/C-ZRC и C/C-sic ZrC, получени чрез експерименти, са съответно -0,32 mg/s и 2,57 μm/s. Скоростта на масова и линейна аблация на композитите C/C-sic-ZrC е съответно -0,24 mg/s и 1,66 μm/s. Композитите C/C-ZRC с SiC нановлакна имат по-добри аблативни свойства. По-късно ще бъдат изследвани ефектите на различните източници на въглерод върху растежа на SiC нановлакна и механизмът на SiC нановлакна, подсилващи аблативните свойства на C/C-ZRC композитите.
Чрез процес на химическо проникване на пари и in-situ реакция беше приготвен тигел с композитно покритие от въглерод/въглерод. Композитното покритие се състои от силициево-карбидно покритие (100~300μm), силициево покритие (10~20μm) и силициево-нитридно покритие (50~100μm), което ефективно инхибира корозията на силициевите пари върху вътрешната повърхност на тигела от въглерод/въглерод. В производствения процес загубата на композитно покрития тигел от въглерод/въглерод е 0,04 мм на пещ, а експлоатационният му живот може да достигне 180 печения.
Време на публикуване: 22 февруари 2024 г.