1 탄소/탄소 열장재료에 대한 실리콘 카바이드 코팅의 응용 및 연구 진행
1.1 도가니 제조의 응용 및 연구 진행
단결정 열장에서는탄소/탄소 도가니주로 실리콘 소재의 운반 용기로 사용되며 접촉합니다.석영 도가니그림 2에 나타낸 바와 같이 탄소/탄소 도가니의 작동 온도는 약 1450℃로, 고체 실리콘(이산화규소)과 실리콘 증기의 이중 침식을 받으며 최종적으로 도가니가 얇아지거나 링 균열이 발생하여 도가니가 파손됩니다.
화학 증기 투과 공정과 현장 반응을 통해 복합 코팅 탄소/탄소 복합 도가니를 제조했습니다. 복합 코팅은 탄화규소 코팅(100~300μm), 실리콘 코팅(10~20μm), 그리고 질화규소 코팅(50~100μm)으로 구성되었으며, 탄소/탄소 복합 도가니 내부 표면의 실리콘 증기 부식을 효과적으로 억제할 수 있었습니다. 제조 과정에서 복합 코팅 탄소/탄소 복합 도가니의 손실은 노당 0.04mm이며, 사용 수명은 노당 180회에 달할 수 있습니다.
연구진은 고온 소결로에서 이산화규소와 금속규소를 원료로 사용하여 특정 온도 조건과 운반 가스 보호 하에 화학 반응법을 사용하여 탄소/탄소 복합 도가니 표면에 균일한 탄화규소 코팅을 형성했습니다. 그 결과, 고온 처리는 탄화규소 코팅의 순도와 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 탄소/탄소 복합 표면의 내마모성을 크게 향상시키고, 단결정 실리콘로에서 SiO2 증기와 휘발성 산소 원자에 의한 도가니 표면 부식을 방지하는 것으로 나타났습니다. 도가니의 수명은 탄화규소 코팅이 없는 도가니에 비해 20% 증가했습니다.
1.2 유동 가이드 튜브의 응용 및 연구 진행
가이드 실린더는 도가니 위에 위치합니다(그림 1 참조). 결정 인상 과정에서는 도가니 내부와 외부의 온도 차이가 크며, 특히 바닥면이 용융 실리콘 재료에 가장 가까워 온도가 가장 높고, 실리콘 증기에 의한 부식이 가장 심합니다.
연구진은 가이드 튜브 산화 방지 코팅의 간단한 공정과 우수한 산화 저항성을 갖는 코팅 및 제조 방법을 개발했습니다. 먼저, 가이드 튜브 매트릭스 위에 실리콘 카바이드 위스커 층을 인시튜(in-situ)로 성장시킨 후, 고밀도 실리콘 카바이드 외층을 제조하여 그림 3과 같이 매트릭스와 고밀도 실리콘 카바이드 표면층 사이에 SiCw 전이층을 형성했습니다. 열팽창 계수는 매트릭스와 실리콘 카바이드 사이에 위치하여 열팽창 계수 불일치로 인한 열응력을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
분석 결과, SiCw 함량이 증가함에 따라 코팅 균열의 크기와 개수가 감소하는 것으로 나타났습니다. 1100℃ 공기 중에서 10시간 산화 후 코팅 샘플의 중량 감소율은 0.87%~8.87%에 불과했으며, 탄화규소 코팅의 내산화성과 내열충격성이 크게 향상되었습니다. 전체 제조 공정은 화학 기상 증착법을 통해 연속적으로 진행되었으며, 탄화규소 코팅 제조가 크게 간소화되었고, 전체 노즐의 종합적인 성능이 강화되었습니다.
연구진은 초르(Czohr) 단결정 실리콘용 흑연 가이드 튜브의 매트릭스 강화 및 표면 코팅 방법을 제안했습니다. 얻어진 탄화규소 슬러리를 브러시 코팅 또는 스프레이 코팅법을 이용하여 흑연 가이드 튜브 표면에 30~50 μm 두께로 균일하게 코팅한 후, 고온로에 넣어 현장 반응을 진행했습니다. 반응 온도는 1850~2300℃, 보온 시간은 2~6시간이었습니다. SiC 외층은 24인치(60.96cm) 단결정 성장로에서 사용할 수 있으며, 사용 온도는 1500℃입니다. 1500시간 후 흑연 가이드 실린더 표면에 균열이나 분말 낙하 현상이 발생하지 않았습니다.
1.3 단열 실린더의 응용 및 연구 진행
단결정 실리콘 열장 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나인 단열 실린더는 주로 열 손실을 줄이고 열장 환경의 온도 구배를 제어하는 데 사용됩니다. 단결정로 내벽 단열층을 지지하는 부품인 실리콘 증기 부식은 슬래그 탈락 및 제품 균열을 유발하여 결국 제품 고장으로 이어집니다.
C/C-sic 복합소재 절연 튜브의 실리콘 증기 내식성을 더욱 향상시키기 위해 연구진은 제조된 C/C-sic 복합소재 절연 튜브 제품을 화학 증기 반응로에 넣고 화학 기상 증착 공정을 통해 C/C-sic 복합소재 절연 튜브 제품 표면에 치밀한 실리콘 카바이드 코팅을 형성했습니다. 결과에 따르면, 이 공정은 실리콘 증기에 의한 C/C-sic 복합소재의 코어에 있는 탄소 섬유의 부식을 효과적으로 억제할 수 있으며, 실리콘 증기의 내식성은 탄소/탄소 복합소재에 비해 5~10배 증가하고, 절연 실린더의 수명과 열장 환경의 안전성이 크게 향상되었습니다.
2. 결론 및 전망
실리콘 카바이드 코팅고온에서 뛰어난 산화 저항성을 지녀 탄소/탄소 열장 재료에 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 단결정 실리콘 생산에 사용되는 탄소/탄소 열장 재료의 크기가 커짐에 따라, 열장 재료 표면의 실리콘 카바이드 코팅 균일도를 개선하고 탄소/탄소 열장 재료의 수명을 향상시키는 방법이 시급한 과제로 떠올랐습니다.
한편, 단결정 실리콘 산업의 발전과 함께 고순도 탄소/탄소 열장 재료에 대한 수요 또한 증가하고 있으며, 반응 과정에서 내부 탄소 섬유 위에 SiC 나노섬유가 성장하기도 합니다. 실험적으로 제조된 C/C-ZRC 및 C/C-sic ZrC 복합재의 질량 삭마 속도와 선형 삭마 속도는 각각 -0.32 mg/s와 2.57 μm/s입니다. C/C-sic-ZrC 복합재의 질량 삭마 속도와 선형 삭마 속도는 각각 -0.24 mg/s와 1.66 μm/s입니다. SiC 나노섬유를 포함하는 C/C-ZRC 복합재는 더 우수한 삭마 특성을 보입니다. 이후, 다양한 탄소원이 SiC 나노섬유 성장에 미치는 영향과 C/C-ZRC 복합재의 삭마 특성을 강화하는 SiC 나노섬유의 메커니즘을 연구할 것입니다.
화학 증기 투과 공정과 현장 반응을 통해 복합 코팅 탄소/탄소 복합 도가니를 제조했습니다. 복합 코팅은 탄화규소 코팅(100~300μm), 실리콘 코팅(10~20μm), 그리고 질화규소 코팅(50~100μm)으로 구성되었으며, 탄소/탄소 복합 도가니 내부 표면의 실리콘 증기 부식을 효과적으로 억제할 수 있었습니다. 제조 과정에서 복합 코팅 탄소/탄소 복합 도가니의 손실은 노당 0.04mm이며, 사용 수명은 노당 180회에 달할 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 2월 22일