La produzione di energia solare fotovoltaica è diventata il settore delle nuove energie più promettente al mondo. Rispetto alle celle solari in polisilicio e silicio amorfo, il silicio monocristallino, come materiale per la produzione di energia fotovoltaica, presenta un'elevata efficienza di conversione fotoelettrica e notevoli vantaggi commerciali, ed è diventato il materiale principale per la produzione di energia solare fotovoltaica. Il metodo Czochralski (CZ) è uno dei principali metodi per la preparazione del silicio monocristallino. Il forno Czochralski per la produzione di silicio monocristallino comprende il sistema di cottura, il sistema del vuoto, il sistema del gas, il sistema del campo termico e il sistema di controllo elettrico. Il sistema del campo termico è una delle condizioni più importanti per la crescita del silicio monocristallino e la qualità del silicio monocristallino è direttamente influenzata dalla distribuzione del gradiente di temperatura del campo termico.
I componenti del campo termico sono costituiti principalmente da materiali a base di carbonio (materiali grafitici e materiali compositi carbonio/carbonio), che si suddividono in parti di supporto, parti funzionali, elementi riscaldanti, parti di protezione, materiali isolanti termici, ecc., a seconda della loro funzione, come mostrato in Figura 1. Poiché le dimensioni del silicio monocristallino continuano ad aumentare, anche i requisiti dimensionali per i componenti del campo termico aumentano. I materiali compositi carbonio/carbonio sono diventati la prima scelta per i materiali del campo termico del silicio monocristallino grazie alla loro stabilità dimensionale e alle eccellenti proprietà meccaniche.
Nel processo di produzione del silicio monocristallino czochralciano, la fusione del materiale di silicio produce vapore di silicio e schizzi di silicio fuso, con conseguente erosione da silicizzazione dei materiali termici in carbonio/carbonio, che ne compromettono seriamente le proprietà meccaniche e la durata. Pertanto, ridurre l'erosione da silicizzazione e migliorare la durata dei materiali termici in carbonio/carbonio è diventata una delle principali preoccupazioni dei produttori di silicio monocristallino e di materiali termici in carbonio/carbonio.rivestimento in carburo di silicioè diventata la prima scelta per la protezione superficiale dei materiali in carbonio/carbonio per applicazioni termiche grazie alla sua eccellente resistenza agli shock termici e all'usura.
In questo articolo, partendo dai materiali in carbonio/carbonio utilizzati nella produzione di silicio monocristallino, vengono presentati i principali metodi di preparazione, i vantaggi e gli svantaggi del rivestimento in carburo di silicio. Sulla base di ciò, vengono esaminati i progressi applicativi e di ricerca relativi al rivestimento in carburo di silicio nei materiali in carbonio/carbonio, tenendo conto delle caratteristiche di tali materiali, e vengono proposti suggerimenti e direzioni di sviluppo per la protezione superficiale di questi ultimi tramite rivestimento.
1 Tecnologia di preparazione dirivestimento in carburo di silicio
1.1 Metodo di incorporamento
Il metodo di inglobamento viene spesso utilizzato per preparare il rivestimento interno di carburo di silicio nei materiali compositi C/C-sic. Questo metodo prevede l'utilizzo di polveri miste per avvolgere il materiale composito carbonio/carbonio, seguito da un trattamento termico a una determinata temperatura. Tra le polveri miste e la superficie del campione si verificano una serie di complesse reazioni fisico-chimiche che portano alla formazione del rivestimento. I vantaggi di questo metodo risiedono nella semplicità del processo, che consente di ottenere materiali compositi a matrice densa e priva di crepe con un unico passaggio; nelle ridotte variazioni dimensionali tra la preforma e il prodotto finale; nell'idoneità a qualsiasi struttura rinforzata con fibre; nella possibilità di creare un gradiente di composizione tra il rivestimento e il substrato, garantendo una buona integrazione con quest'ultimo. Tuttavia, presenta anche degli svantaggi, come le reazioni chimiche ad alta temperatura, che possono danneggiare le fibre, e il deterioramento delle proprietà meccaniche della matrice carbonio/carbonio. Inoltre, l'uniformità del rivestimento è difficile da controllare, a causa di fattori quali la forza di gravità, che può causarne la non uniformità.
1.2 Metodo di rivestimento con impasto
Il metodo di rivestimento a impasto prevede di miscelare il materiale di rivestimento e il legante in una miscela, applicarla uniformemente sulla superficie della matrice con un pennello, asciugarla in atmosfera inerte e sinterizzare il campione rivestito ad alta temperatura, ottenendo così il rivestimento desiderato. I vantaggi sono la semplicità e la facilità di esecuzione del processo, nonché la facilità di controllo dello spessore del rivestimento; gli svantaggi sono la scarsa forza di adesione tra il rivestimento e il substrato, la bassa resistenza agli shock termici e la scarsa uniformità del rivestimento.
1.3 Metodo di reazione chimica in fase vapore
Il metodo di reazione chimica in fase vapore (CVR) è un processo che prevede l'evaporazione di materiale di silicio solido in vapore di silicio a una determinata temperatura. Successivamente, il vapore di silicio diffonde all'interno e sulla superficie della matrice, reagendo in situ con il carbonio presente nella matrice per produrre carburo di silicio. I suoi vantaggi includono un'atmosfera uniforme nel forno, una velocità di reazione e uno spessore di deposizione del materiale di rivestimento costanti in ogni punto. Il processo è semplice e facile da eseguire e lo spessore del rivestimento può essere controllato modificando la pressione del vapore di silicio, il tempo di deposizione e altri parametri. Lo svantaggio è che il campione è fortemente influenzato dalla posizione nel forno e la pressione del vapore di silicio nel forno non può raggiungere l'uniformità teorica, con conseguente spessore del rivestimento non uniforme.
1.4 Metodo di deposizione chimica da fase vapore
La deposizione chimica da fase vapore (CVD) è un processo in cui gli idrocarburi vengono utilizzati come fonte di gas e N2/Ar ad alta purezza come gas vettore per introdurre miscele di gas in un reattore chimico da fase vapore. Gli idrocarburi vengono decomposti, sintetizzati, diffusi, adsorbiti e disciolti a determinate temperature e pressioni per formare film solidi sulla superficie di materiali compositi carbonio/carbonio. Il suo vantaggio è che la densità e la purezza del rivestimento possono essere controllate; è inoltre adatto per pezzi con forme più complesse; la struttura cristallina e la morfologia superficiale del prodotto possono essere controllate regolando i parametri di deposizione. Gli svantaggi sono che la velocità di deposizione è troppo bassa, il processo è complesso, i costi di produzione sono elevati e possono verificarsi difetti del rivestimento, come crepe, difetti di reticolazione e difetti superficiali.
In sintesi, il metodo di inglobamento è limitato dalle sue caratteristiche tecnologiche, che lo rendono adatto allo sviluppo e alla produzione di materiali di laboratorio e di piccole dimensioni; il metodo di rivestimento non è adatto alla produzione di massa a causa della sua scarsa uniformità. Il metodo CVR può soddisfare la produzione di massa di prodotti di grandi dimensioni, ma ha requisiti più elevati per attrezzature e tecnologia. Il metodo CVD è un metodo ideale per la preparazionerivestimento SICma il suo costo è superiore a quello del metodo CVR a causa della difficoltà nel controllo del processo.
Data di pubblicazione: 22 febbraio 2024