La generazione di energia solare fotovoltaica è diventata il nuovo settore energetico più promettente al mondo. Rispetto alle celle solari in polisilicio e silicio amorfo, il silicio monocristallino, come materiale per la generazione di energia fotovoltaica, presenta un'elevata efficienza di conversione fotoelettrica e straordinari vantaggi commerciali, ed è diventato il materiale principale per la generazione di energia solare fotovoltaica. Il processo Czochralski (CZ) è uno dei principali metodi per la preparazione del silicio monocristallino. La composizione del forno monocristallino Czochralski comprende il sistema del forno, 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 principalmente costituiti da materiali in carbonio (grafite e materiali compositi carbonio/carbonio), suddivisi in parti di supporto, parti funzionali, elementi riscaldanti, parti protettive, materiali isolanti termici, ecc., in base alle loro funzioni, come mostrato in Figura 1. Con il continuo aumento delle dimensioni del silicio monocristallino, aumentano anche i requisiti dimensionali per i componenti del campo termico. I materiali compositi carbonio/carbonio diventano la prima scelta per i materiali del campo termico per il silicio monocristallino grazie alla loro stabilità dimensionale e alle eccellenti proprietà meccaniche.
Nel processo di produzione del silicio monocristallino cecoralciano, la fusione del silicio produce vapore di silicio e spruzzi di silicio fuso, con conseguente erosione da silicizzazione dei materiali a campo termico carbonio/carbonio, compromettendone seriamente le proprietà meccaniche e la durata utile. Pertanto, ridurre l'erosione da silicizzazione dei materiali a campo termico carbonio/carbonio e migliorarne la durata utile è diventata una delle preoccupazioni comuni dei produttori di silicio monocristallino e di materiali a campo termico carbonio/carbonio.Rivestimento in carburo di silicioè diventato la prima scelta per la protezione del rivestimento superficiale dei materiali a campo termico carbonio/carbonio grazie alla sua eccellente resistenza agli shock termici e all'usura.
In questo articolo, partendo dai materiali a campo termico carbonio/carbonio utilizzati nella produzione di silicio monocristallino, vengono introdotti i principali metodi di preparazione, i vantaggi e gli svantaggi del rivestimento in carburo di silicio. Su questa base, vengono esaminati l'applicazione e i progressi della ricerca sul rivestimento in carburo di silicio nei materiali a campo termico carbonio/carbonio in base alle caratteristiche di tali materiali, e vengono proposti suggerimenti e direzioni di sviluppo per la protezione superficiale dei materiali a campo termico carbonio/carbonio.
1 Tecnologia di preparazione dirivestimento in carburo di silicio
1.1 Metodo di incorporamento
Il metodo di inclusione viene spesso utilizzato per preparare il rivestimento interno in carburo di silicio nei sistemi compositi C/C-sic. Questo metodo utilizza inizialmente una polvere miscelata per avvolgere il materiale composito carbonio/carbonio, quindi esegue un trattamento termico a una determinata temperatura. Una serie di complesse reazioni fisico-chimiche si verificano tra la polvere miscelata e la superficie del campione per formare il rivestimento. Il suo vantaggio è la semplicità del processo: un unico processo può preparare materiali compositi a matrice densa e priva di crepe; variazioni dimensionali ridotte dalla preforma al prodotto finale; adatto a qualsiasi struttura rinforzata con fibre; è possibile formare un certo gradiente di composizione tra il rivestimento e il substrato, che si combina bene con quest'ultimo. Tuttavia, presenta anche degli svantaggi, come la reazione chimica ad alta temperatura, che può danneggiare la fibra, e il calo delle proprietà meccaniche della matrice carbonio/carbonio. L'uniformità del rivestimento è difficile da controllare, a causa di fattori come la gravità, che rende il rivestimento irregolare.
1.2 Metodo di rivestimento in sospensione
Il metodo di rivestimento in sospensione consiste nel miscelare il materiale di rivestimento e il legante in una miscela, applicarlo uniformemente con un pennello sulla superficie della matrice e, dopo l'essiccazione in atmosfera inerte, sinterizzare il campione rivestito ad alta temperatura, ottenendo così il rivestimento desiderato. I vantaggi sono la semplicità e la facilità d'uso del processo e la facilità di controllo dello spessore del rivestimento; gli svantaggi sono la scarsa adesione tra il rivestimento e il substrato, la scarsa resistenza del rivestimento agli shock termici e la scarsa uniformità del rivestimento.
1.3 Metodo di reazione chimica al vapore
Il metodo di reazione chimica da vapore (CVR) è un processo che evapora il materiale solido di silicio in vapore di silicio a una certa temperatura, dopodiché il vapore di silicio si diffonde all'interno e in superficie della matrice e reagisce 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 costante e uno spessore di deposizione del materiale rivestito uniforme in ogni punto. Il processo è semplice e facile da usare e lo spessore del rivestimento può essere controllato modificando la pressione di 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 di 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 vapore
La deposizione chimica da vapore (CVD) è un processo in cui gli idrocarburi vengono utilizzati come fonte di gas e N₂/Ar ad alta purezza come gas di trasporto per introdurre gas misti in un reattore chimico da vapore. Gli idrocarburi vengono quindi decomposti, sintetizzati, diffusi, adsorbiti e sciolti a una determinata temperatura e pressione per formare film solidi sulla superficie di materiali compositi carbonio/carbonio. Il suo vantaggio è la possibilità di controllare la densità e la purezza del rivestimento; è adatto anche per pezzi di forma più complessa; la struttura cristallina e la morfologia superficiale del prodotto possono essere controllate regolando i parametri di deposizione. Gli svantaggi sono la velocità di deposizione troppo bassa, la complessità del processo, gli elevati costi di produzione e la possibilità di difetti del rivestimento, come crepe, difetti di maglia e difetti superficiali.
In sintesi, il metodo di inclusione è limitato dalle sue caratteristiche tecnologiche, che lo rendono adatto allo sviluppo e alla produzione di materiali da laboratorio e di piccole dimensioni; il metodo di rivestimento non è adatto alla produzione di massa a causa della sua scarsa consistenza. Il metodo CVR può soddisfare la produzione di massa di prodotti di grandi dimensioni, ma richiede requisiti più elevati in termini di attrezzature e tecnologia. Il metodo CVD è un metodo ideale per la preparazione.Rivestimento SIC, ma il suo costo è più elevato del metodo CVR a causa della difficoltà nel controllo del processo.
Data di pubblicazione: 22 febbraio 2024