主流の熱場材料：C/C複合材料

炭素-炭素複合材料炭素繊維強化複合材料の一種で、炭素繊維を強化材、堆積炭素をマトリックス材料としている。C/C複合材料は炭素ですほぼ完全に元素炭素で構成されているため、優れた耐熱性を持ち、炭素繊維の持つ強靭な機械的特性を受け継いでいます。防衛分野では既に実用化されています。

応用分野：

C/C複合材料これらは産業チェーンの中間に位置し、上流には炭素繊維やプリフォームの製造が含まれ、下流の応用分野は比較的広い。C/C複合材料主に耐熱材料、摩擦材料、高機械的性能材料として使用されます。航空宇宙（ロケットノズル喉部ライニング、熱保護材料、エンジン熱構造部品）、ブレーキ材料（高速鉄道、航空機ブレーキディスク）、太陽光発電熱分野（断熱バレル、るつぼ、ガイドチューブなどの部品）、生体（人工骨）などの分野で使用されています。現在、国内ではC/C複合材料企業は主に複合材料の単一工程に焦点を当て、上流のプリフォーム方向へと事業を拡大している。

C/C複合材料は、低密度、高比強度、高比弾性率、高熱伝導率、低熱膨張係数、優れた破壊靭性、耐摩耗性、耐アブレーション性など、総合的に優れた性能を有しています。特に、他の材料とは異なり、C/C複合材料の強度は温度上昇に伴って低下するどころか、むしろ増加する可能性があります。そのため、優れた耐熱性材料であり、ロケットのスロートライナーとして最初に工業化されました。

C/C複合材料は、炭素繊維の優れた機械的特性と加工性を受け継ぎ、グラファイトの耐熱性と耐腐食性を兼ね備えているため、グラファイト製品の強力な競合材料となっています。特に、高強度要求の分野である太陽光発電・熱分野においては、大型シリコンウェハーの製造において、C/C複合材料のコスト効率と安全性がますます重要視され、必須の材料となっています。一方、供給側の生産能力の限界から、グラファイトはC/C複合材料の補完材料としての役割を担うようになっています。

太陽光発電と熱エネルギーの分野における応用例：

熱処理場は、単結晶シリコンの成長または多結晶シリコンインゴットの製造を一定の温度で維持するためのシステム全体です。単結晶シリコンと多結晶シリコンの純度、均一性、その他の品質において重要な役割を果たし、結晶シリコン製造業界のフロントエンドに属します。熱処理場は、製品タイプに応じて、単結晶シリコン単結晶引き上げ炉の熱処理場システムと多結晶インゴット炉の熱処理場システムに分けられます。単結晶シリコンセルは多結晶シリコンセルよりも変換効率が高いため、単結晶シリコンウェーハの市場シェアは増加し続けていますが、私の国では多結晶シリコンウェーハの市場シェアは年々減少しており、2019年の32.5%から2020年には9.3%に減少しています。そのため、熱処理場メーカーは主に単結晶引き上げ炉の熱処理場技術ルートを使用しています。

図2：結晶シリコン製造産業チェーンにおける熱場

熱場は十数個の部品で構成されており、その4つの主要部品はるつぼ、ガイドチューブ、断熱シリンダー、ヒーターです。各部品には異なる材料特性が求められます。下の図は単結晶シリコンの熱場の概略図です。るつぼ、ガイドチューブ、断熱シリンダーは熱場システムの構造部品です。これらの主要機能は高温の熱場全体を支えることであり、密度、強度、熱伝導率に高い要求があります。ヒーターは熱場内の直接加熱要素です。その機能は熱エネルギーを供給することです。一般的に抵抗性であるため、材料の抵抗率に高い要求があります。