1 Εφαρμογή και ερευνητική πρόοδος της επίστρωσης καρβιδίου του πυριτίου σε υλικά θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα
1.1 Πρόοδος εφαρμογής και έρευνας στην παρασκευή χωνευτηρίου
Στο μονοκρυσταλλικό θερμικό πεδίο, τοχωνευτήριο άνθρακα/άνθρακαχρησιμοποιείται κυρίως ως δοχείο μεταφοράς υλικού πυριτίου και βρίσκεται σε επαφή με τοχωνευτήριο χαλαζία, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Η θερμοκρασία λειτουργίας του χωνευτηρίου άνθρακα/άνθρακα είναι περίπου 1450℃, το οποίο υπόκειται σε διπλή διάβρωση στερεού πυριτίου (διοξείδιο του πυριτίου) και ατμών πυριτίου, και τελικά το χωνευτήριο γίνεται λεπτό ή παρουσιάζει ρωγμή δακτυλίου, με αποτέλεσμα την αστοχία του χωνευτηρίου.
Ένα χωνευτήριο σύνθετης επίστρωσης άνθρακα/άνθρακα παρασκευάστηκε με χημική διαδικασία διαπερατότητας ατμών και in situ αντίδραση. Η σύνθετη επίστρωση αποτελούνταν από επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου (100~300μm), επίστρωση πυριτίου (10~20μm) και επίστρωση νιτριδίου του πυριτίου (50~100μm), η οποία θα μπορούσε να αναστείλει αποτελεσματικά τη διάβρωση των ατμών πυριτίου στην εσωτερική επιφάνεια του χωνευτηρίου σύνθετου άνθρακα/άνθρακα. Κατά τη διαδικασία παραγωγής, η απώλεια του χωνευτηρίου σύνθετου άνθρακα/άνθρακα με σύνθετη επίστρωση είναι 0,04 mm ανά κλίβανο και η διάρκεια ζωής μπορεί να φτάσει τις 180 φορές τον κλίβανο.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια μέθοδο χημικής αντίδρασης για να δημιουργήσουν μια ομοιόμορφη επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου στην επιφάνεια του χωνευτηρίου σύνθετου υλικού άνθρακα/άνθρακα υπό ορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας και την προστασία του φέροντος αερίου, χρησιμοποιώντας διοξείδιο του πυριτίου και μεταλλικό πυρίτιο ως πρώτες ύλες σε έναν κλίβανο σύντηξης υψηλής θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία όχι μόνο βελτιώνει την καθαρότητα και την αντοχή της επίστρωσης sic, αλλά βελτιώνει επίσης σημαντικά την αντοχή στη φθορά της επιφάνειας του σύνθετου υλικού άνθρακα/άνθρακα και αποτρέπει τη διάβρωση της επιφάνειας του χωνευτηρίου από ατμούς SiO2 και πτητικά άτομα οξυγόνου στον κλίβανο μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Η διάρκεια ζωής του χωνευτηρίου αυξάνεται κατά 20% σε σύγκριση με εκείνη του χωνευτηρίου χωρίς επίστρωση sic.
1.2 Πρόοδος εφαρμογής και έρευνας στον σωλήνα οδηγού ροής
Ο οδηγός κύλινδρος βρίσκεται πάνω από το χωνευτήριο (όπως φαίνεται στο Σχήμα 1). Κατά τη διαδικασία της εξαγωγής κρυστάλλων, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του πεδίου είναι μεγάλη, ειδικά η κάτω επιφάνεια είναι πιο κοντά στο τηγμένο πυριτικό υλικό, η θερμοκρασία είναι η υψηλότερη και η διάβρωση από ατμούς πυριτίου είναι η πιο σοβαρή.
Οι ερευνητές εφηύραν μια απλή διαδικασία και μια καλή αντίσταση στην οξείδωση για την αντιοξειδωτική επίστρωση του οδηγού σωλήνα και μια μέθοδο παρασκευής. Αρχικά, ένα στρώμα από ίνες καρβιδίου του πυριτίου αναπτύχθηκε in situ στη μήτρα του οδηγού σωλήνα και στη συνέχεια παρασκευάστηκε ένα πυκνό εξωτερικό στρώμα καρβιδίου του πυριτίου, έτσι ώστε να σχηματιστεί ένα μεταβατικό στρώμα SiCw μεταξύ της μήτρας και του πυκνού επιφανειακού στρώματος καρβιδίου του πυριτίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής ήταν μεταξύ της μήτρας και του καρβιδίου του πυριτίου. Αυτό μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την θερμική καταπόνηση που προκαλείται από την αναντιστοιχία του συντελεστή θερμικής διαστολής.
Η ανάλυση δείχνει ότι με την αύξηση της περιεκτικότητας σε SiCw, το μέγεθος και ο αριθμός των ρωγμών στην επίστρωση μειώνονται. Μετά από 10 ώρες οξείδωσης σε αέρα στους 1100 ℃, ο ρυθμός απώλειας βάρους του δείγματος επίστρωσης είναι μόνο 0,87%~8,87% και η αντοχή στην οξείδωση και η αντοχή σε θερμικό σοκ της επίστρωσης καρβιδίου του πυριτίου βελτιώνονται σημαντικά. Η όλη διαδικασία παρασκευής ολοκληρώνεται συνεχώς με χημική εναπόθεση ατμών, η παρασκευή της επίστρωσης καρβιδίου του πυριτίου απλοποιείται σημαντικά και η συνολική απόδοση ολόκληρου του ακροφυσίου ενισχύεται.
Οι ερευνητές πρότειναν μια μέθοδο ενίσχυσης της μήτρας και επιφανειακής επίστρωσης του οδηγού σωλήνα γραφίτη για μονοκρυσταλλικό πυρίτιο czohr. Το ληφθέν πολτό καρβιδίου του πυριτίου επικαλύφθηκε ομοιόμορφα στην επιφάνεια του οδηγού σωλήνα γραφίτη με πάχος επίστρωσης 30~50 μm με επίστρωση με βούρτσα ή μέθοδο επίστρωσης με ψεκασμό και στη συνέχεια τοποθετήθηκε σε κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας για αντίδραση in situ, η θερμοκρασία αντίδρασης ήταν 1850~2300 ℃ και η διατήρηση της θερμότητας ήταν 2~6 ώρες. Το εξωτερικό στρώμα SiC μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κλίβανο ανάπτυξης μονοκρυστάλλων 24 ιντσών (60,96 cm) και η θερμοκρασία χρήσης είναι 1500 ℃ και διαπιστώθηκε ότι δεν υπάρχει ρωγμή και πτώση σκόνης στην επιφάνεια του κυλίνδρου οδηγού γραφίτη μετά από 1500 ώρες.
1.3 Πρόοδος εφαρμογής και έρευνας στον μονωτικό κύλινδρο
Ως ένα από τα βασικά συστατικά του συστήματος θερμικού πεδίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου, ο μονωτικός κύλινδρος χρησιμοποιείται κυρίως για τη μείωση της απώλειας θερμότητας και τον έλεγχο της κλίσης θερμοκρασίας του περιβάλλοντος θερμικού πεδίου. Ως υποστηρικτικό μέρος του εσωτερικού μονωτικού στρώματος του τοίχου του φούρνου μονοκρυστάλλου, η διάβρωση από ατμούς πυριτίου οδηγεί σε πτώση σκωρίας και ρωγμάτωση του προϊόντος, η οποία τελικά οδηγεί σε αστοχία του προϊόντος.
Προκειμένου να ενισχυθεί περαιτέρω η αντοχή στη διάβρωση των σύνθετων μονωτικών σωλήνων C/C-sic από ατμούς πυριτίου, οι ερευνητές τοποθέτησαν τα παρασκευασμένα προϊόντα σύνθετων μονωτικών σωλήνων C/C-sic στον κλίβανο χημικής αντίδρασης ατμών και προετοίμασαν πυκνή επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου στην επιφάνεια των σύνθετων μονωτικών σωλήνων C/C-sic με χημική διαδικασία εναπόθεσης ατμών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η διαδικασία μπορεί να αναστείλει αποτελεσματικά τη διάβρωση των ινών άνθρακα στον πυρήνα του σύνθετου υλικού C/C-sic από ατμούς πυριτίου και η αντοχή στη διάβρωση των ατμών πυριτίου αυξάνεται κατά 5 έως 10 φορές σε σύγκριση με το σύνθετο υλικό άνθρακα/άνθρακα, ενώ η διάρκεια ζωής του κυλίνδρου μόνωσης και η ασφάλεια του περιβάλλοντος θερμικού πεδίου βελτιώνονται σημαντικά.
2. Συμπέρασμα και προοπτική
Επίστρωση καρβιδίου του πυριτίουΧρησιμοποιείται όλο και περισσότερο σε υλικά θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα λόγω της εξαιρετικής αντοχής του στην οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία. Με το αυξανόμενο μέγεθος των υλικών θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή μονοκρυσταλλικού πυριτίου, ο τρόπος βελτίωσης της ομοιομορφίας της επίστρωσης καρβιδίου του πυριτίου στην επιφάνεια των υλικών θερμικού πεδίου και η βελτίωση της διάρκειας ζωής των υλικών θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα έχει γίνει ένα επείγον πρόβλημα που πρέπει να λυθεί.
Από την άλλη πλευρά, με την ανάπτυξη της βιομηχανίας μονοκρυσταλλικού πυριτίου, η ζήτηση για υλικά θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα υψηλής καθαρότητας αυξάνεται επίσης, και οι νανοΐνες SiC αναπτύσσονται επίσης στις εσωτερικές ίνες άνθρακα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Οι ρυθμοί αφαίρεσης μάζας και γραμμικής αφαίρεσης των σύνθετων υλικών C/C-ZRC και C/C-sic ZrC που παρασκευάζονται με πειράματα είναι -0,32 mg/s και 2,57 μm/s, αντίστοιχα. Οι ρυθμοί αφαίρεσης μάζας και γραμμής των σύνθετων υλικών C/C-sic-ZrC είναι -0,24mg/s και 1,66 μm/s, αντίστοιχα. Τα σύνθετα υλικά C/C-ZRC με νανοΐνες SiC έχουν καλύτερες ιδιότητες αφαίρεσης. Αργότερα, θα μελετηθούν οι επιδράσεις διαφορετικών πηγών άνθρακα στην ανάπτυξη των νανοϊνών SiC και ο μηχανισμός των νανοϊνών SiC που ενισχύουν τις ιδιότητες αφαίρεσης των σύνθετων υλικών C/C-ZRC.
Ένα χωνευτήριο σύνθετης επίστρωσης άνθρακα/άνθρακα παρασκευάστηκε με χημική διαδικασία διαπερατότητας ατμών και in situ αντίδραση. Η σύνθετη επίστρωση αποτελούνταν από επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου (100~300μm), επίστρωση πυριτίου (10~20μm) και επίστρωση νιτριδίου του πυριτίου (50~100μm), η οποία θα μπορούσε να αναστείλει αποτελεσματικά τη διάβρωση των ατμών πυριτίου στην εσωτερική επιφάνεια του χωνευτηρίου σύνθετου άνθρακα/άνθρακα. Κατά τη διαδικασία παραγωγής, η απώλεια του χωνευτηρίου σύνθετου άνθρακα/άνθρακα με σύνθετη επίστρωση είναι 0,04 mm ανά κλίβανο και η διάρκεια ζωής μπορεί να φτάσει τις 180 φορές τον κλίβανο.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Φεβρουαρίου 2024