1 Szilícium-karbid bevonat alkalmazása és kutatási előrehaladás szén/szén hőtér anyagokban
1.1 Alkalmazás és kutatási előrehaladás a tégelykészítésben
Az egykristályos termikus mezőben aszén/szén olvasztótégelyfőként szilícium anyag hordozóedényeként használják, és érintkezik akvarc tégely, ahogy a 2. ábra mutatja. A szén/szén olvasztótégely üzemi hőmérséklete körülbelül 1450 ℃, amely kettős eróziónak van kitéve: szilárd szilícium (szilícium-dioxid) és szilíciumgőz, végül pedig a olvasztótégely elvékonyodik vagy gyűrűs repedés keletkezik rajta, ami a olvasztótégely meghibásodásához vezet.
Egy kompozit bevonatú szén/szén kompozit olvasztótégelyt állítottak elő kémiai gőzpermeációs eljárással és in situ reakcióval. A kompozit bevonat szilícium-karbid bevonatból (100~300μm), szilícium bevonatból (10~20μm) és szilícium-nitrid bevonatból (50~100μm) állt, amely hatékonyan gátolja a szilíciumgőz korrózióját a szén/szén kompozit olvasztótégely belső felületén. A gyártási folyamat során a kompozit bevonatú szén/szén kompozit olvasztótégely vesztesége kemencénként 0,04 mm, az élettartama pedig elérheti a 180 kemenceváltást.
A kutatók kémiai reakciós módszert alkalmaztak, hogy egyenletes szilícium-karbid bevonatot hozzanak létre a szén/szén kompozit olvasztótégely felületén bizonyos hőmérsékleti körülmények között és vivőgáz védelme mellett, szilícium-dioxidot és szilíciumfémet használva nyersanyagként egy magas hőmérsékletű szinterelőkemencében. Az eredmények azt mutatják, hogy a magas hőmérsékletű kezelés nemcsak a szilícium-dioxid bevonat tisztaságát és szilárdságát javítja, hanem jelentősen javítja a szén/szén kompozit felületének kopásállóságát is, és megakadályozza a tégely felületének korrózióját a SiO₂ gőz és az illékony oxigénatomok miatt a monokristályos szilíciumkemencében. A tégely élettartama 20%-kal nőtt a szilícium-dioxid bevonat nélküli olvasztótégelyhez képest.
1.2 Alkalmazás és kutatási előrelépés az áramlásvezető csőben
A vezetőhenger a tégely felett helyezkedik el (ahogy az az 1. ábrán látható). A kristályhúzás folyamata során a mező belső és külső hőmérséklete közötti hőmérsékletkülönbség nagy, különösen az alsó felület van legközelebb az olvadt szilícium anyaghoz, itt a legmagasabb a hőmérséklet, és a szilíciumgőz okozta korrózió a legsúlyosabb.
A kutatók egy egyszerű és jó oxidációs ellenállású eljárást találtak ki a vezetőcső antioxidációs bevonatára és előkészítési módszerére. Először egy szilícium-karbid whisker réteget növesztettek in situ a vezetőcső mátrixára, majd egy sűrű szilícium-karbid külső réteget készítettek elő, így egy SiCw átmeneti réteg alakult ki a mátrix és a sűrű szilícium-karbid felületi réteg között, ahogy az a 3. ábrán látható. A hőtágulási együttható a mátrix és a szilícium-karbid között volt. Ez hatékonyan csökkentheti a hőtágulási együttható eltérése által okozott hőfeszültséget.
Az elemzés azt mutatja, hogy a SiCw-tartalom növekedésével a bevonat repedéseinek mérete és száma csökken. 10 órás oxidáció után 1100 ℃-os levegőn a bevonatminta súlyvesztesége mindössze 0,87% ~ 8,87%, és a szilícium-karbid bevonat oxidációs ellenállása és hősokk-állósága jelentősen javul. A teljes előkészítési folyamatot folyamatosan végzik kémiai gőzfázisú leválasztással, ami jelentősen leegyszerűsíti a szilícium-karbid bevonat előkészítését, és javítja a teljes fúvóka átfogó teljesítményét.
A kutatók egy módszert javasoltak a grafit vezetőcső mátrixának megerősítésére és felületbevonatára czohr monokristályos szilícium esetében. A kapott szilícium-karbid szuszpenziót egyenletesen 30~50 μm vastagságú bevonattal vonták be a grafit vezetőcső felületén ecsettel vagy szórófestéssel, majd egy magas hőmérsékletű kemencébe helyezték in situ reakcióhoz. A reakcióhőmérséklet 1850~2300 ℃ volt, a hőtartás pedig 2~6 óra. A SiC külső réteg egy 24 hüvelykes (60,96 cm3) egykristályos növesztőkemencében használható, 1500 ℃ felhasználási hőmérsékleten, és azt tapasztalták, hogy 1500 óra elteltével sem keletkezik repedés vagy porhullás a grafit vezetőhenger felületén.
1.3 Alkalmazás és kutatási eredmények a szigetelőhengerben
A monokristályos szilícium hőtér-rendszer egyik kulcsfontosságú alkotóelemeként a szigetelőhenger főként a hőveszteség csökkentésére és a hőtér-környezet hőmérsékleti gradiensének szabályozására szolgál. Az egykristályos kemence belső falának szigetelőrétegének tartóelemeként a szilíciumgőz korróziója salakleválást és a termék repedését okozza, ami végül a termék meghibásodásához vezet.
A C/C-sic kompozit szigetelőcső szilíciumgőz korrózióállóságának további növelése érdekében a kutatók az előkészített C/C-sic kompozit szigetelőcső termékeket kémiai gőzreakciós kemencébe helyezték, és kémiai gőzleválasztási eljárással sűrű szilícium-karbid bevonatot készítettek a C/C-sic kompozit szigetelőcső termékek felületére. Az eredmények azt mutatják, hogy az eljárás hatékonyan gátolja a C/C-sic kompozit magján lévő szénszál szilíciumgőz általi korrózióját, és a szilíciumgőz korrózióállósága 5-10-szeresére nőtt a szén/szén kompozithoz képest, valamint a szigetelőhenger élettartama és a hőtér környezetének biztonsága jelentősen javult.
2. Következtetés és kilátások
Szilícium-karbid bevonategyre szélesebb körben használják a szén/szén hőtéri anyagokban, mivel kiváló oxidációs ellenállást mutat magas hőmérsékleten. A monokristályos szilíciumgyártásban használt szén/szén hőtéri anyagok méretének növekedésével egyre sürgetőbbé vált, hogyan lehet javítani a szilícium-karbid bevonat egyenletességét a hőtéri anyagok felületén, és hogyan lehet növelni a szén/szén hőtéri anyagok élettartamát.
Másrészt a monokristályos szilíciumipar fejlődésével a nagy tisztaságú szén/szén hőtér anyagok iránti igény is növekszik, és a reakció során SiC nanoszálakat is növesztenek a belső szénszálakon. A kísérletekkel előállított C/C-ZRC és C/C-sic ZrC kompozitok tömeges és lineáris ablációs sebessége -0,32 mg/s, illetve 2,57 μm/s. A C/C-sic-ZrC kompozitok tömeges és vonalas ablációs sebessége -0,24 mg/s, illetve 1,66 μm/s. A SiC nanoszálakat tartalmazó C/C-ZRC kompozitok jobb ablációs tulajdonságokkal rendelkeznek. Később a különböző szénforrások SiC nanoszálak növekedésére gyakorolt hatását, valamint a SiC nanoszálak C/C-ZRC kompozitok ablációs tulajdonságait erősítő mechanizmusát vizsgálják.
Egy kompozit bevonatú szén/szén kompozit olvasztótégelyt állítottak elő kémiai gőzpermeációs eljárással és in situ reakcióval. A kompozit bevonat szilícium-karbid bevonatból (100~300μm), szilícium bevonatból (10~20μm) és szilícium-nitrid bevonatból (50~100μm) állt, amely hatékonyan gátolja a szilíciumgőz korrózióját a szén/szén kompozit olvasztótégely belső felületén. A gyártási folyamat során a kompozit bevonatú szén/szén kompozit olvasztótégely vesztesége kemencénként 0,04 mm, az élettartama pedig elérheti a 180 kemenceváltást.
Közzététel ideje: 2024. február 22.