Päikeseenergia tootmine on muutunud maailma kõige lootustandvamaks uueks energiatööstuseks. Võrreldes polükristallilise räni ja amorfse räni päikesepatareidega on monokristallilise räni kui fotogalvaanilise energia tootmise materjali fotoelektriline muundamise efektiivsus ja silmapaistvad kaubanduslikud eelised ning sellest on saanud päikeseenergia tootmise põhisuund. Czochralski (CZ) on üks peamisi meetodeid monokristallilise räni valmistamiseks. Czochralski monokristallilise ahju koostis hõlmab ahjusüsteemi, vaakumsüsteemi, gaasisüsteemi, termilise välja süsteemi ja elektrilist juhtimissüsteemi. Termilise välja süsteem on monokristallilise räni kasvu üks olulisemaid tingimusi ning monokristallilise räni kvaliteeti mõjutab otseselt termilise välja temperatuurigradientide jaotus.
Soojusvälja komponendid koosnevad peamiselt süsinikmaterjalidest (grafiitmaterjalid ja süsinik/süsinik komposiitmaterjalid), mis jagunevad vastavalt oma funktsioonidele tugiosadeks, funktsionaalseteks osadeks, kütteelementideks, kaitseosadeks, soojusisolatsioonimaterjalideks jne, nagu on näidatud joonisel 1. Monokristallilise räni suuruse jätkuva suurenemisega suurenevad ka soojusvälja komponentide suurusnõuded. Süsinik/süsinik komposiitmaterjalid on monokristallilise räni soojusvälja materjalide esimene valik tänu oma mõõtmete stabiilsusele ja suurepärastele mehaanilistele omadustele.
Tšokraltsiaalse monokristallilise räni tootmisel tekib ränimaterjali sulamisel räniauru ja sula räni pritsimine, mille tulemuseks on süsinik/süsinik termovälja materjalide ränistumise erosioon, mis mõjutab oluliselt süsinik/süsinik termovälja materjalide mehaanilisi omadusi ja kasutusiga. Seetõttu on süsinik/süsinik termovälja materjalide ränistumise erosiooni vähendamine ja nende kasutusea parandamine muutunud monokristallilise räni ja süsinik/süsinik termovälja materjalide tootjate üheks ühiseks mureks.Ränikarbiidist kateon tänu suurepärasele termilisele löögikindlusele ja kulumiskindlusele saanud süsinik/süsinik termovälja materjalide pinnakatte kaitse esimeseks valikuks.
Selles artiklis tutvustatakse monokristallilise räni tootmisel kasutatavate süsinik/süsinik termovälja materjalide põhjal ränikarbiidkatte peamisi valmistusmeetodeid, eeliseid ja puudusi. Selle põhjal antakse ülevaade ränikarbiidkatte rakendamisest ja uurimistöö edenemisest süsinik/süsinik termovälja materjalides vastavalt süsinik/süsinik termovälja materjalide omadustele ning esitatakse ettepanekud ja arendussuunad süsinik/süsinik termovälja materjalide pinnakatte kaitsmiseks.
1 Valmistamistehnoloogiaränikarbiidist kate
1.1 Manustamismeetod
Sisseehitamismeetodit kasutatakse sageli ränikarbiidist sisemise katte valmistamiseks C/C-sic komposiitmaterjalide süsteemis. See meetod kasutab esmalt segatud pulbrit süsinik/süsinik komposiitmaterjali mähkimiseks ja seejärel teostab kuumtöötlust teatud temperatuuril. Segatud pulbri ja proovi pinna vahel toimub katte moodustamiseks rida keerulisi füüsikalis-keemilisi reaktsioone. Selle eeliseks on protsessi lihtsus, tihedate ja pragudeta maatrikskomposiitmaterjalide valmistamiseks on vaja vaid ühte protsessi; väike suuruse muutus eelvormist lõpptooteni; sobib igale kiudtugevdatud struktuurile; katte ja aluspinna vahel saab moodustada teatud koostise gradiendi, mis sobib hästi aluspinnaga. Siiski on ka puudusi, näiteks kõrgel temperatuuril toimuv keemiline reaktsioon, mis võib kiudu kahjustada, ja süsinik/süsinikmaatriksi mehaaniliste omaduste halvenemine. Katte ühtlust on raske kontrollida selliste tegurite tõttu nagu gravitatsioon, mis muudab katte ebaühtlaseks.
1.2 Suspensioonkatmismeetod
Suspensioonkatmismeetod seisneb kattematerjali ja sideaine segamises seguks, segu ühtlaseks pealekandmiseks maatriksi pinnale ja kuivatamise järel inertses atmosfääris paagutatakse kaetud proov kõrgel temperatuuril, saavutades vajaliku katte. Eelised on protsessi lihtsus ja kasutatavus ning katte paksuse lihtne reguleerimine. Puuduseks on katte ja aluspinna vaheline nõrk nakketugevus, halb kuumakindlus ja madal ühtlus.
1.3 Keemilise aurureaktsiooni meetod
Keemilise aurureaktsiooni (CVR) meetod on protsessimeetod, mille käigus tahke ränimaterjal aurutatakse teatud temperatuuril räniauruks, mis seejärel difundeerub maatriksi sise- ja pinnakihtidesse ning reageerib kohapeal maatriksi süsinikuga, moodustades ränikarbiidi. Selle eeliste hulka kuuluvad ühtlane atmosfäär ahjus, ühtlane reaktsioonikiirus ja kaetud materjali sadestumise paksus kõikjal; protsess on lihtne ja hõlpsasti kasutatav ning katte paksust saab reguleerida räni aururõhu, sadestumise aja ja muude parameetrite muutmise abil. Puuduseks on see, et proovi mõjutab oluliselt selle asukoht ahjus ja räni aururõhk ahjus ei saavuta teoreetilist ühtlust, mille tulemuseks on ebaühtlane katte paksus.
1.4 Keemilise aurustamise meetod
Keemiline aurustamine (CVD) on protsess, mille käigus kasutatakse gaasiallikana süsivesinikke ja kandegaasina kõrge puhtusastmega N2/Ar-i, et viia segatud gaase keemilisse aurureaktorisse, ning süsivesinikud lagundatakse, sünteesitakse, difundeeritakse, adsorbeeritakse ja lahustatakse teatud temperatuuril ja rõhul, moodustades süsinik/süsinik komposiitmaterjalide pinnale tahkeid kilesid. Selle eeliseks on see, et katte tihedust ja puhtust saab kontrollida; see sobib ka keerukama kujuga toorikute jaoks; toote kristallstruktuuri ja pinnamorfoloogiat saab kontrollida sadestamisparameetrite reguleerimise abil. Puudusteks on liiga madal sadestamiskiirus, protsessi keerukus, kõrged tootmiskulud ning võimalikud kattedefektid, näiteks praod, võrgudefektid ja pinnadefektid.
Kokkuvõttes piirdub manustamismeetod oma tehnoloogiliste omadustega, mis sobivad laboratoorsete ja väikesemõõtmeliste materjalide arendamiseks ja tootmiseks; katmismeetod ei sobi masstootmiseks oma halva konsistentsi tõttu. CVR-meetod suudab rahuldada suurte toodete masstootmise nõudeid, kuid sellel on kõrgemad nõuded seadmetele ja tehnoloogiale. CVD-meetod on ideaalne meetod valmistamiseks.SIC-kate, kuid selle maksumus on CVR-meetodist kõrgem, kuna protsessi juhtimine on keeruline.
Postituse aeg: 22. veebruar 2024