A geração de energia solar fotovoltaica tornou-se a indústria de energia renovável mais promissora do mundo. Comparado com células solares de silício policristalino e silício amorfo, o silício monocristalino, como material para geração de energia fotovoltaica, apresenta alta eficiência de conversão fotoelétrica e vantagens comerciais notáveis, tornando-se a principal tecnologia para geração de energia solar fotovoltaica. O método Czochralski (CZ) é um dos principais métodos para a preparação de silício monocristalino. A composição de um forno monocristalino Czochralski inclui sistema de forno, sistema de vácuo, sistema de gases, sistema de campo térmico e sistema de controle elétrico. O sistema de campo térmico é uma das condições mais importantes para o crescimento do silício monocristalino, e a qualidade do silício monocristalino é diretamente afetada pela distribuição do gradiente de temperatura do campo térmico.
Os componentes do campo térmico são compostos principalmente de materiais de carbono (grafite e compósitos de carbono/carbono), divididos em partes de suporte, partes funcionais, elementos de aquecimento, partes de proteção, materiais de isolamento térmico, etc., de acordo com suas funções, conforme ilustrado na Figura 1. Com o aumento contínuo das dimensões do silício monocristalino, as exigências dimensionais para os componentes do campo térmico também aumentam. Os compósitos de carbono/carbono tornam-se a primeira opção para materiais de campo térmico em silício monocristalino devido à sua estabilidade dimensional e excelentes propriedades mecânicas.
No processo de fabricação de silício monocristalino, a fusão do material de silício produz vapor de silício e respingos de silício fundido, resultando na erosão por silicificação de materiais de campo térmico carbono/carbono. Isso afeta seriamente as propriedades mecânicas e a vida útil desses materiais. Portanto, como reduzir a erosão por silicificação e melhorar a vida útil de materiais de campo térmico carbono/carbono tornou-se uma das principais preocupações dos fabricantes de silício monocristalino e de materiais de campo térmico carbono/carbono.revestimento de carbeto de silícioTornou-se a primeira escolha para proteção de revestimento superficial de materiais de campo térmico carbono/carbono devido à sua excelente resistência ao choque térmico e ao desgaste.
Neste artigo, partindo de materiais de campo térmico carbono/carbono utilizados na produção de silício monocristalino, são apresentados os principais métodos de preparação, vantagens e desvantagens do revestimento de carbeto de silício. Com base nisso, a aplicação e o progresso da pesquisa de revestimento de carbeto de silício em materiais de campo térmico carbono/carbono são revisados de acordo com as características desses materiais, e sugestões e direções de desenvolvimento para a proteção superficial por revestimento desses materiais são propostas.
1. Tecnologia de preparação derevestimento de carbeto de silício
1.1 Método de incorporação
O método de encapsulamento é frequentemente utilizado para preparar o revestimento interno de carbeto de silício em sistemas de materiais compósitos C/C-SiC. Este método utiliza inicialmente um pó misturado para envolver o material compósito carbono/carbono e, em seguida, realiza um tratamento térmico a uma determinada temperatura. Uma série de reações físico-químicas complexas ocorre entre o pó misturado e a superfície da amostra para formar o revestimento. Sua vantagem reside na simplicidade do processo, permitindo a preparação de materiais compósitos com matriz densa e sem fissuras em uma única etapa; na pequena variação dimensional entre a pré-forma e o produto final; na adequação a qualquer estrutura reforçada com fibras; e na possibilidade de formação de um gradiente de composição entre o revestimento e o substrato, o que resulta em boa integração com o mesmo. Entretanto, apresenta também desvantagens, como a reação química em alta temperatura, que pode danificar as fibras, e a consequente redução das propriedades mecânicas da matriz carbono/carbono. A uniformidade do revestimento é difícil de controlar, devido a fatores como a gravidade, que podem causar irregularidades na sua formação.
1.2 Método de revestimento por pasta abrasiva
O método de revestimento por suspensão consiste em misturar o material de revestimento e o aglutinante, aplicar a mistura uniformemente com um pincel sobre a superfície da matriz e, após secagem em atmosfera inerte, sinterizar a amostra revestida em alta temperatura, obtendo-se assim o revestimento desejado. As vantagens incluem a simplicidade e facilidade de operação do processo, além do fácil controle da espessura do revestimento. A desvantagem reside na baixa aderência entre o revestimento e o substrato, na baixa resistência ao choque térmico e na baixa uniformidade do revestimento.
1.3 Método de reação de vapor químico
O método de reação química em fase vapor (CVR) consiste na evaporação de silício sólido em vapor a uma determinada temperatura. O vapor de silício difunde-se então para o interior e a superfície da matriz, reagindo in situ com o carbono presente nela para produzir carbeto de silício. Suas vantagens incluem atmosfera uniforme no forno, taxa de reação consistente e espessura de revestimento uniforme em toda a superfície. O processo é simples e fácil de operar, e a espessura do revestimento pode ser controlada pela variação da pressão de vapor de silício, do tempo de deposição e de outros parâmetros. A desvantagem é que a amostra é bastante afetada pela posição no forno, e a pressão de vapor de silício no forno não atinge a uniformidade teórica, resultando em espessura de revestimento irregular.
1.4 Método de deposição química de vapor
A deposição química de vapor (CVD) é um processo no qual hidrocarbonetos são usados como fonte gasosa e N₂/Ar de alta pureza como gás de arraste para introduzir a mistura gasosa em um reator de vapor químico. Sob determinada temperatura e pressão, os hidrocarbonetos são decompostos, sintetizados, difundidos, adsorvidos e dissolvidos para formar filmes sólidos na superfície de materiais compósitos de carbono/carbono. Sua vantagem reside no controle da densidade e pureza do revestimento; além disso, é adequado para peças com formatos mais complexos. A estrutura cristalina e a morfologia da superfície do produto podem ser controladas pelo ajuste dos parâmetros de deposição. As desvantagens incluem a baixa taxa de deposição, a complexidade do processo, o alto custo de produção e a possibilidade de defeitos no revestimento, como trincas, defeitos de malha e imperfeições superficiais.
Em resumo, o método de incorporação é limitado por suas características tecnológicas, sendo adequado para o desenvolvimento e produção de materiais de laboratório e de pequeno porte; o método de revestimento não é adequado para produção em massa devido à sua baixa consistência. O método CVR pode atender à produção em massa de produtos de grande porte, mas possui requisitos mais elevados em termos de equipamentos e tecnologia. O método CVD é um método ideal para a preparação deRevestimento SiC, mas seu custo é maior do que o do método CVR devido à dificuldade no controle do processo.
Data da publicação: 22 de fevereiro de 2024