La generación de energía solar fotovoltaica se ha convertido en la industria de energías renovables más prometedora del mundo. En comparación con las células solares de polisilicio y silicio amorfo, el silicio monocristalino, como material para la generación de energía fotovoltaica, presenta una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica y ventajas comerciales excepcionales, y se ha consolidado como el material principal en la generación de energía solar fotovoltaica. El método Czochralski (CZ) es uno de los principales métodos para la preparación de silicio monocristalino. El horno Czochralski para la producción de silicio monocristalino incluye un sistema de horno, un sistema de vacío, un sistema de gas, un sistema de campo térmico y un sistema de control eléctrico. El sistema de campo térmico es fundamental para el crecimiento del silicio monocristalino, y la calidad de este se ve directamente afectada por la distribución del gradiente de temperatura del campo térmico.
Los componentes del campo térmico están compuestos principalmente de materiales de carbono (grafito y materiales compuestos de carbono/carbono), que se dividen en partes de soporte, partes funcionales, elementos calefactores, partes protectoras, materiales de aislamiento térmico, etc., según su función, como se muestra en la Figura 1. A medida que el tamaño del silicio monocristalino sigue aumentando, también aumentan los requisitos de tamaño para los componentes del campo térmico. Los materiales compuestos de carbono/carbono se convierten en la primera opción para los materiales del campo térmico en silicio monocristalino debido a su estabilidad dimensional y excelentes propiedades mecánicas.
Durante el proceso de fabricación del silicio monocristalino, la fusión del silicio produce vapor de silicio y salpicaduras de silicio fundido, lo que provoca la erosión por silicificación de los materiales de campo térmico de carbono/carbono. Esto afecta gravemente a las propiedades mecánicas y la vida útil de dichos materiales. Por lo tanto, reducir la erosión por silicificación de los materiales de campo térmico de carbono/carbono y mejorar su vida útil se ha convertido en una de las principales preocupaciones de los fabricantes de silicio monocristalino y de materiales de campo térmico de carbono/carbono.Recubrimiento de carburo de silicioSe ha convertido en la primera opción para la protección de recubrimientos superficiales de materiales de campo térmico de carbono/carbono debido a su excelente resistencia al choque térmico y al desgaste.
En este artículo, partiendo de los materiales de campo térmico de carbono/carbono utilizados en la producción de silicio monocristalino, se presentan los principales métodos de preparación, ventajas y desventajas del recubrimiento de carburo de silicio. Sobre esta base, se revisan las aplicaciones y los avances en la investigación del recubrimiento de carburo de silicio en materiales de campo térmico de carbono/carbono, de acuerdo con las características de dichos materiales, y se proponen sugerencias y líneas de desarrollo para la protección de recubrimientos superficiales de estos materiales.
1 Tecnología de preparación derecubrimiento de carburo de silicio
1.1 Método de incrustación
El método de incrustación se utiliza frecuentemente para preparar el recubrimiento interno de carburo de silicio en sistemas de materiales compuestos de carbono/carbono. Este método consiste en envolver el material compuesto de carbono/carbono con polvo mezclado y, posteriormente, someterlo a un tratamiento térmico a una temperatura determinada. Entre el polvo mezclado y la superficie de la muestra se produce una serie de reacciones fisicoquímicas complejas que dan lugar al recubrimiento. Sus ventajas radican en la simplicidad del proceso, permitiendo la preparación de materiales compuestos de matriz densa y sin grietas en un solo paso; la mínima variación de tamaño entre la preforma y el producto final; su idoneidad para cualquier estructura reforzada con fibra; y la posibilidad de formar un gradiente de composición entre el recubrimiento y el sustrato, logrando una buena integración con este último. Sin embargo, también presenta desventajas, como la reacción química a alta temperatura, que puede dañar la fibra, y la disminución de las propiedades mecánicas de la matriz de carbono/carbono. Además, la uniformidad del recubrimiento es difícil de controlar debido a factores como la gravedad, que provoca irregularidades en el mismo.
1.2 Método de recubrimiento con suspensión
El método de recubrimiento por suspensión consiste en mezclar el material de recubrimiento y el aglutinante, aplicar la mezcla uniformemente sobre la superficie de la matriz mediante brocha y, tras el secado en atmósfera inerte, sinterizar la muestra recubierta a alta temperatura para obtener el recubrimiento deseado. Las ventajas son la simplicidad y facilidad de operación del proceso, así como la facilidad para controlar el espesor del recubrimiento. Las desventajas son la baja adherencia entre el recubrimiento y el sustrato, la escasa resistencia al choque térmico y la baja uniformidad del recubrimiento.
1.3 Método de reacción química en fase vapor
El método de reacción química en fase vapor (CVR) consiste en evaporar silicio sólido a una temperatura determinada, convirtiéndolo en vapor de silicio. Este vapor se difunde en la superficie y el interior de la matriz, reaccionando in situ con el carbono para producir carburo de silicio. Entre sus ventajas se incluyen una atmósfera uniforme en el horno, una velocidad de reacción constante y un espesor de recubrimiento homogéneo. El proceso es sencillo y fácil de operar, y el espesor del recubrimiento se puede controlar modificando la presión del vapor de silicio, el tiempo de deposición y otros parámetros. La desventaja radica en que la muestra se ve muy afectada por su posición en el horno, y la presión del vapor de silicio no alcanza la uniformidad teórica, lo que resulta en un espesor de recubrimiento irregular.
1.4 Método de deposición química en fase vapor
La deposición química en fase vapor (CVD) es un proceso en el que se utilizan hidrocarburos como fuente de gas y N2/Ar de alta pureza como gas portador para introducir una mezcla de gases en un reactor químico en fase vapor. Los hidrocarburos se descomponen, sintetizan, difunden, adsorben y disuelven bajo ciertas temperaturas y presiones para formar películas sólidas en la superficie de materiales compuestos de carbono/carbono. Su ventaja radica en que se puede controlar la densidad y la pureza del recubrimiento; además, es adecuado para piezas con formas más complejas. La estructura cristalina y la morfología superficial del producto se pueden controlar ajustando los parámetros de deposición. Las desventajas son que la tasa de deposición es demasiado baja, el proceso es complejo, el costo de producción es alto y pueden aparecer defectos en el recubrimiento, como grietas, defectos de malla y defectos superficiales.
En resumen, el método de incrustación está limitado por sus características tecnológicas, lo que lo hace adecuado para el desarrollo y la producción de materiales de laboratorio y de pequeño tamaño; el método de recubrimiento no es adecuado para la producción en masa debido a su baja consistencia. El método CVR puede satisfacer la producción en masa de productos de gran tamaño, pero tiene mayores requisitos de equipo y tecnología. El método CVD es un método ideal para la preparaciónRecubrimiento de SIC, pero su coste es mayor que el del método CVR debido a la dificultad que presenta en el control del proceso.
Fecha de publicación: 22 de febrero de 2024