Aurinkosähköstä on tullut maailman lupaavin uusi energiateollisuudenala. Verrattuna polysilikoni- ja amorfiseen piihin valmistetuilla aurinkokennoilla, monokiteisellä piillä on aurinkosähkön tuotantomateriaalina korkea valosähköinen muunnostehokkuus ja erinomaisia kaupallisia etuja, ja siitä on tullut aurinkosähkön tuotannon valtavirta. Czochralski (CZ) on yksi tärkeimmistä menetelmistä monokiteisen piin valmistamiseksi. Czochralskin monokiteisen uunin koostumus sisältää uunijärjestelmän, tyhjiöjärjestelmän, kaasujärjestelmän, lämpökenttäjärjestelmän ja sähköisen ohjausjärjestelmän. Lämpökenttäjärjestelmä on yksi tärkeimmistä olosuhteista monokiteisen piin kasvulle, ja lämpökentän lämpötilagradienttijakauma vaikuttaa suoraan monokiteisen piin laatuun.
Lämpökenttäkomponentit koostuvat pääasiassa hiilimateriaaleista (grafiittimateriaaleista ja hiili/hiili-komposiittimateriaaleista), jotka jaetaan toimintojensa mukaan tukiosiin, toiminnallisiin osiin, lämmityselementteihin, suojaosiin, lämmöneristysmateriaaleihin jne., kuten kuvassa 1 on esitetty. Monokiteisen piin koon kasvaessa myös lämpökenttäkomponenttien kokovaatimukset kasvavat. Hiili/hiili-komposiittimateriaaleista tulee ensisijainen valinta monokiteisen piin lämpökenttämateriaaleiksi niiden mittapysyvyyden ja erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien ansiosta.
Monokiteisen piin valmistusprosessissa piimateriaalin sulaminen tuottaa piihöyryä ja sulan piin roiskeita, mikä johtaa hiili/hiili-lämpökenttämateriaalien silikaatioeroosioon ja heikentää merkittävästi hiili/hiili-lämpökenttämateriaalien mekaanisia ominaisuuksia ja käyttöikää. Siksi hiili/hiili-lämpökenttämateriaalien silikaatioeroosion vähentäminen ja niiden käyttöiän parantaminen on tullut yhdeksi monokiteisen piin ja hiili/hiili-lämpökenttämateriaalien valmistajien yleisimmistä huolenaiheista.Piikarbidipinnoiteon tullut ensisijainen valinta hiili/hiili-lämpökenttämateriaalien pintakäsittelyn suojaukseen erinomaisen lämpöshokin ja kulutuskestävyytensä ansiosta.
Tässä artikkelissa esitellään piikarbidipinnoitteen tärkeimmät valmistusmenetelmät, edut ja haitat, alkaen monokiteisen piin tuotannossa käytetyistä hiili/hiili-lämpökenttämateriaaleista. Tämän perusteella tarkastellaan piikarbidipinnoitteen käyttöä ja tutkimuksen edistymistä hiili/hiili-lämpökenttämateriaaleissa hiili/hiili-lämpökenttämateriaalien ominaisuuksien perusteella ja esitetään ehdotuksia ja kehityssuuntia hiili/hiili-lämpökenttämateriaalien pintakäsittelyn suojaukseksi.
1 Valmistustekniikkapiikarbidipinnoite
1.1 Upotusmenetelmä
Upotusmenetelmää käytetään usein piikarbidin sisäpinnoitteen valmistukseen C/C-sic-komposiittimateriaalijärjestelmässä. Tässä menetelmässä käytetään ensin jauheseosta hiili/hiilikuitukomposiittimateriaalin käärimiseen, ja sitten suoritetaan lämpökäsittely tietyssä lämpötilassa. Sekoitetun jauheen ja näytteen pinnan välillä tapahtuu sarja monimutkaisia fysikaalis-kemiallisia reaktioita pinnoitteen muodostamiseksi. Sen etuna on, että prosessi on yksinkertainen, vain yhdellä prosessilla voidaan valmistaa tiheitä, halkeilemattomia matriisikomposiittimateriaaleja; Pieni koon muutos esimuotista lopputuotteeseen; Soveltuu mihin tahansa kuituvahvisteiseen rakenteeseen; Pinnoitteen ja substraatin välille voidaan muodostaa tietty koostumusgradientti, joka yhdistyy hyvin substraattiin. Menetelmällä on kuitenkin myös haittoja, kuten kemiallinen reaktio korkeassa lämpötilassa, joka voi vahingoittaa kuitua, ja hiili/hiilikuitumatriisin mekaanisten ominaisuuksien heikkeneminen. Pinnoitteen tasaisuutta on vaikea hallita esimerkiksi painovoiman kaltaisten tekijöiden vuoksi, mikä tekee pinnoitteesta epätasaisen.
1.2 Lietepinnoitusmenetelmä
Lietepinnoitusmenetelmässä pinnoitemateriaali ja sideaine sekoitetaan seokseksi, levitetään tasaisesti matriisin pinnalle ja inertissä ilmakehässä kuivaamisen jälkeen pinnoitettu näyte sintrataan korkeassa lämpötilassa, jolloin saadaan aikaan tarvittava pinnoite. Etuja ovat prosessin yksinkertaisuus ja helppokäyttöisyys sekä pinnoitteen paksuuden helppo hallinta. Haittapuolena on pinnoitteen ja alustan välinen heikko sitoutumislujuus, huono lämmönshokin kestävyys ja heikko pinnoitteen tasaisuus.
1.3 Kemiallinen höyryreaktiomenetelmä
Kemiallinen höyryreaktio (CVR) on prosessimenetelmä, jossa kiinteä piimateriaali höyrystetään piihöyryksi tietyssä lämpötilassa, ja sitten piihöyry diffundoituu matriisin sisä- ja pintaan ja reagoi in situ matriisin hiilen kanssa muodostaen piikarbidia. Sen etuja ovat tasainen ilmakehä uunissa, tasainen reaktionopeus ja pinnoitetun materiaalin kerrostumispaksuus kaikkialla; prosessi on yksinkertainen ja helppokäyttöinen, ja pinnoitteen paksuutta voidaan säätää muuttamalla piin höyrynpainetta, kerrostumisaikaa ja muita parametreja. Haittapuolena on, että näytteeseen vaikuttaa suuresti sen sijainti uunissa, eikä piin höyrynpaine uunissa saavuta teoreettista tasaisuutta, mikä johtaa epätasaiseen pinnoitteen paksuuteen.
1.4 Kemiallinen höyrypinnoitusmenetelmä
Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD) on prosessi, jossa hiilivetyjä käytetään kaasulähteenä ja erittäin puhdasta N2/Ar-kaasua kantokaasuna sekoitettujen kaasujen syöttämiseksi kemialliseen höyryreaktoriin, ja hiilivedyt hajotetaan, syntetisoidaan, diffundoidaan, adsorboidaan ja liuotetaan tietyssä lämpötilassa ja paineessa kiinteiden kalvojen muodostamiseksi hiili/hiili-komposiittimateriaalien pinnalle. Sen etuna on, että pinnoitteen tiheyttä ja puhtautta voidaan säätää; Se soveltuu myös monimutkaisempien muotoisten työkappaleiden käsittelyyn; Tuotteen kiderakennetta ja pinnan morfologiaa voidaan säätää säätämällä pinnoitusparametreja. Haittoja ovat, että pinnoitusnopeus on liian alhainen, prosessi on monimutkainen, tuotantokustannukset ovat korkeat ja pinnoitteessa voi esiintyä vikoja, kuten halkeamia, verkkovirheitä ja pintavirheitä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että upotusmenetelmä rajoittuu teknologisiin ominaisuuksiinsa, jotka soveltuvat laboratorio- ja pienikokoisten materiaalien kehittämiseen ja tuotantoon; pinnoitusmenetelmä ei sovellu massatuotantoon huonon konsistenssinsa vuoksi. CVR-menetelmä pystyy vastaamaan suurten tuotteiden massatuotantoon, mutta sillä on korkeammat vaatimukset laitteille ja teknologialle. CVD-menetelmä on ihanteellinen menetelmä valmistukseenSIC-pinnoite, mutta sen kustannukset ovat korkeammat kuin CVR-menetelmän prosessinohjauksen vaikeuden vuoksi.
Julkaisun aika: 22. helmikuuta 2024