1 Aplikace a výzkumný pokrok povlaků z karbidu křemíku v tepelně izolačních materiálech uhlík/uhlík
1.1 Aplikace a pokrok ve výzkumu v přípravě kelímků
V tepelném poli monokrystalu,uhlíkový kelímekpoužívá se hlavně jako přepravní nádoba pro křemíkový materiál a je v kontaktu skřemenný kelímek, jak je znázorněno na obrázku 2. Provozní teplota uhlík/uhlíkového kelímku je asi 1450 ℃, což vede k dvojité erozi pevného křemíku (oxidu křemičitého) a křemíkových par, a nakonec kelímek ztenčí nebo se v něm objeví prstencová trhlina, což vede k jeho selhání.
Kompozitní povlak z uhlík/uhlíkového kelímku byl připraven chemickou permeací par a reakcí in situ. Kompozitní povlak se skládal z povlaku karbidu křemíku (100~300 μm), křemíkového povlaku (10~20 μm) a povlaku nitridu křemíku (50~100 μm), které dokázaly účinně inhibovat korozi křemíkových par na vnitřním povrchu uhlík/uhlíkového kelímku. Během výrobního procesu je úbytek materiálu z uhlík/uhlíkového kelímku s kompozitním povlakem 0,04 mm na pec a jeho životnost může dosáhnout 180 pecních cyklu.
Výzkumníci použili metodu chemické reakce k vytvoření rovnoměrného povlaku karbidu křemíku na povrchu kelímku z kompozitu uhlík/uhlík za určitých teplotních podmínek a pod ochranou nosného plynu, s použitím oxidu křemičitého a kovového křemíku jako surovin ve vysokoteplotní slinovací peci. Výsledky ukazují, že vysokoteplotní zpracování nejen zlepšuje čistotu a pevnost povlaku sic, ale také výrazně zlepšuje odolnost povrchu kompozitu uhlík/uhlík proti opotřebení a zabraňuje korozi povrchu kelímku parami SiO a těkavými atomy kyslíku v monokrystalické křemíkové peci. Životnost kelímku se ve srovnání s kelímkem bez povlaku sic prodloužila o 20 %.
1.2 Aplikace a pokrok ve výzkumu v oblasti vodicích trubic
Vodicí válec se nachází nad kelímkem (jak je znázorněno na obrázku 1). Během procesu tažení krystalů je teplotní rozdíl mezi vnitřním a vnějším polem velký, zejména spodní povrch je nejblíže roztavenému křemíkovému materiálu, teplota je tam nejvyšší a koroze křemíkovými parami je nejzávažnější.
Výzkumníci vynalezli jednoduchý proces a dobrou oxidační odolnost antioxidačního povlaku vodicí trubice a metodu jeho přípravy. Nejprve byla na matrici vodicí trubice in situ nanesena vrstva vláknitého materiálu z karbidu křemíku a poté byla připravena hustá vnější vrstva z karbidu křemíku, čímž se mezi matricí a hustou povrchovou vrstvou karbidu křemíku vytvořila přechodová vrstva SiCw, jak je znázorněno na obrázku 3. Koeficient tepelné roztažnosti byl mezi matricí a karbidem křemíku. To mohlo účinně snížit tepelné namáhání způsobené nesouladem koeficientů tepelné roztažnosti.
Analýza ukazuje, že se zvyšujícím se obsahem SiCw se velikost a počet trhlin v povlaku zmenšují. Po 10 hodinách oxidace na vzduchu o teplotě 1100 °C je úbytek hmotnosti vzorku povlaku pouze 0,87 % až 8,87 % a výrazně se zlepšuje odolnost proti oxidaci a tepelnému šoku povlaku z karbidu křemíku. Celý proces přípravy je prováděn kontinuálně chemickým nanášením z plynné fáze, což značně zjednodušuje přípravu povlaku z karbidu křemíku a posiluje komplexní výkon celé trysky.
Výzkumníci navrhli metodu zpevnění matrice a povrchového povlaku grafitové vodicí trubice pro monokrystalický křemík Czohr. Získaná suspenze karbidu křemíku byla rovnoměrně nanesena na povrch grafitové vodicí trubice s tloušťkou povlaku 30~50 μm štětcem nebo stříkáním a poté umístěna do vysokoteplotní pece pro reakci in situ, přičemž reakční teplota byla 1850~2300 °C a tepelná izolace trvala 2~6 hodin. Vnější vrstva SiC může být použita v peci pro růst monokrystalů o průměru 24 palců (60,96 cm) při teplotě 1500 °C a bylo zjištěno, že po 1500 hodinách nedochází k praskání ani vypadávání prášku na povrchu grafitového vodicího válce.
1.3 Aplikace a pokrok ve výzkumu izolačních válců
Jako jedna z klíčových součástí systému tepelného pole z monokrystalického křemíku se izolační válec používá hlavně ke snížení tepelných ztrát a regulaci teplotního gradientu prostředí tepelného pole. Jako nosná součást izolační vrstvy vnitřní stěny monokrystalické pece vede koroze křemíkovými parami k usazování strusky a praskání produktu, což nakonec vede k jeho selhání.
Aby se dále zvýšila odolnost kompozitní izolační trubky C/C-sic proti korozi v parách křemíku, vědci vložili připravené kompozitní izolační trubky C/C-sic do pece pro chemickou reakci s parou a na jejich povrch nanesli hustý povlak z karbidu křemíku chemickým nanášením z par. Výsledky ukazují, že tento proces dokáže účinně inhibovat korozi uhlíkových vláken na jádru kompozitu C/C-sic v parách křemíku. Odolnost proti korozi v parách křemíku se ve srovnání s kompozitem uhlík/uhlík zvyšuje 5 až 10krát, čímž se výrazně prodlužuje životnost izolačního válce a zvyšuje se bezpečnost tepelného pole.
2. Závěr a výhled
Povlak z karbidu křemíkuDíky své vynikající odolnosti proti oxidaci při vysokých teplotách se stále častěji používá v tepelně izolačních materiálech typu uhlík/uhlík. S rostoucí velikostí tepelně izolačních materiálů typu uhlík/uhlík používaných při výrobě monokrystalického křemíku se naléhavým problémem, jak zlepšit rovnoměrnost povlaku karbidu křemíku na povrchu tepelně izolačních materiálů a prodloužit životnost tepelně izolačních materiálů typu uhlík/uhlík, stalo řešení naléhavé.
Na druhou stranu s rozvojem průmyslu monokrystalického křemíku roste i poptávka po vysoce čistých tepelně-polních materiálech uhlík/uhlík a během reakce se na vnitřních uhlíkových vláknech pěstují i nanovlákna SiC. Rychlost hmotnostní ablace a lineární ablace kompozitů C/C-ZRC a C/C-sic ZrC připravených experimentálně je -0,32 mg/s, respektive 2,57 μm/s. Rychlost hmotnostní a lineární ablace kompozitů C/C-sic-ZrC je -0,24 mg/s, respektive 1,66 μm/s. Kompozity C/C-ZRC s nanovlákny SiC mají lepší ablativní vlastnosti. Později budou studovány vlivy různých zdrojů uhlíku na růst nanovláken SiC a mechanismus, jakým nanovláken SiC posilují ablativní vlastnosti kompozitů C/C-ZRC.
Kompozitní povlak z uhlík/uhlíkového kelímku byl připraven chemickou permeací par a reakcí in situ. Kompozitní povlak se skládal z povlaku karbidu křemíku (100~300 μm), křemíkového povlaku (10~20 μm) a povlaku nitridu křemíku (50~100 μm), které dokázaly účinně inhibovat korozi křemíkových par na vnitřním povrchu uhlík/uhlíkového kelímku. Během výrobního procesu je úbytek materiálu z uhlík/uhlíkového kelímku s kompozitním povlakem 0,04 mm na pec a jeho životnost může dosáhnout 180 pecních cyklu.
Čas zveřejnění: 22. února 2024