1. Aplicação e progresso da pesquisa de revestimento de carbeto de silício em materiais de campo térmico carbono/carbono
1.1 Aplicação e progresso da pesquisa na preparação de cadinhos
No campo térmico do monocristal, ocadinho de carbono/carbonoÉ usado principalmente como recipiente para transportar material de silício e está em contato com ocadinho de quartzo, conforme mostrado na Figura 2. A temperatura de trabalho do cadinho de carbono/carbono é de cerca de 1450℃, sendo submetido à dupla erosão do silício sólido (dióxido de silício) e do vapor de silício, o que resulta no afinamento do cadinho ou na formação de uma fissura anular, levando à sua falha.
Um cadinho de carbono/carbono com revestimento composto foi preparado por meio de um processo de permeação química de vapor e reação in situ. O revestimento composto era constituído por uma camada de carbeto de silício (100~300 μm), uma camada de silício (10~20 μm) e uma camada de nitreto de silício (50~100 μm), o que permitiu inibir eficazmente a corrosão por vapor de silício na superfície interna do cadinho de carbono/carbono. No processo de produção, a perda de material do cadinho de carbono/carbono com revestimento composto foi de 0,04 mm por ciclo de produção, e a vida útil atingiu 180 ciclos de produção.
Os pesquisadores utilizaram um método de reação química para gerar um revestimento uniforme de carbeto de silício na superfície do cadinho de compósito carbono/carbono sob determinadas condições de temperatura e proteção de gás de arraste, utilizando dióxido de silício e silício metálico como matérias-primas em um forno de sinterização de alta temperatura. Os resultados mostram que o tratamento em alta temperatura não só melhora a pureza e a resistência do revestimento de carbeto de silício, como também aumenta significativamente a resistência ao desgaste da superfície do compósito carbono/carbono e previne a corrosão da superfície do cadinho pelo vapor de SiO₂ e átomos de oxigênio voláteis no forno de silício monocristalino. A vida útil do cadinho aumentou em 20% em comparação com a do cadinho sem revestimento de carbeto de silício.
1.2 Aplicação e progresso da pesquisa em tubos guia de fluxo
O cilindro guia está localizado acima do cadinho (como mostrado na Figura 1). No processo de extração do cristal, a diferença de temperatura entre o interior e o exterior do campo é grande, especialmente na superfície inferior, que é a mais próxima do silício fundido, onde a temperatura é a mais alta e a corrosão pelo vapor de silício é a mais severa.
Os pesquisadores inventaram um processo simples e um método de preparação para o revestimento antioxidante do tubo guia, conferindo-lhe boa resistência à oxidação. Primeiramente, uma camada de fibras de carbeto de silício foi cultivada in situ sobre a matriz do tubo guia. Em seguida, uma camada externa densa de carbeto de silício foi preparada, formando uma camada de transição de SiCw entre a matriz e a camada superficial densa de carbeto de silício, conforme ilustrado na Figura 3. O coeficiente de expansão térmica da camada de SiCw situa-se entre o da matriz e o do carbeto de silício, reduzindo eficazmente a tensão térmica causada pela diferença entre os coeficientes de expansão térmica.
A análise demonstra que, com o aumento do teor de SiCw, o tamanho e o número de fissuras no revestimento diminuem. Após 10 horas de oxidação em ar a 1100 °C, a taxa de perda de massa da amostra revestida é de apenas 0,87% a 8,87%, e a resistência à oxidação e ao choque térmico do revestimento de carbeto de silício são significativamente melhoradas. Todo o processo de preparação é realizado continuamente por deposição química de vapor, o que simplifica consideravelmente a preparação do revestimento de carbeto de silício e fortalece o desempenho geral do bocal.
Os pesquisadores propuseram um método de reforço da matriz e revestimento superficial de tubos guia de grafite para silício monocristalino por czohr. A pasta de carbeto de silício obtida foi aplicada uniformemente na superfície do tubo guia de grafite com uma espessura de revestimento de 30 a 50 μm por meio de revestimento com pincel ou pulverização, e então colocada em um forno de alta temperatura para reação in situ, a uma temperatura de 1850 a 2300 °C, com um tempo de permanência de 2 a 6 horas. A camada externa de SiC pode ser utilizada em um forno de crescimento de monocristais de 24 polegadas (60,96 cm), a uma temperatura de 1500 °C, e constatou-se que não houve rachaduras nem desprendimento de pó na superfície do cilindro guia de grafite após 1500 horas.
1.3 Aplicação e progresso da pesquisa em cilindros de isolamento
Como um dos componentes-chave do sistema de campo térmico de silício monocristalino, o cilindro isolante é usado principalmente para reduzir a perda de calor e controlar o gradiente de temperatura do ambiente do campo térmico. Como parte de suporte da camada de isolamento da parede interna do forno monocristalino, a corrosão por vapor de silício leva ao desprendimento de escória e ao trincamento do produto, o que eventualmente resulta em falha do mesmo.
Para aumentar ainda mais a resistência à corrosão por vapor de silício do tubo isolante composto C/C-SiC, os pesquisadores colocaram os tubos isolantes compostos C/C-SiC preparados em um forno de reação química em fase vapor e depositaram um revestimento denso de carbeto de silício na superfície dos tubos por meio de deposição química em fase vapor. Os resultados mostram que o processo inibe eficazmente a corrosão da fibra de carbono no núcleo do composto C/C-SiC pelo vapor de silício, aumentando a resistência à corrosão de 5 a 10 vezes em comparação com o composto carbono/carbono. Isso melhora significativamente a vida útil do cilindro isolante e a segurança em ambientes com campos térmicos.
2. Conclusão e perspectivas
revestimento de carbeto de silícioO uso de carboneto de silício em materiais de campo térmico de carbono/carbono tem aumentado cada vez mais devido à sua excelente resistência à oxidação em altas temperaturas. Com o aumento das dimensões desses materiais na produção de silício monocristalino, a busca por soluções para melhorar a uniformidade do revestimento de carboneto de silício na superfície e, consequentemente, prolongar sua vida útil tornou-se um problema urgente.
Por outro lado, com o desenvolvimento da indústria de silício monocristalino, a demanda por materiais de campo térmico carbono/carbono de alta pureza também está aumentando, e nanofibras de SiC também são cultivadas nas fibras de carbono internas durante a reação. As taxas de ablação de massa e ablação linear dos compósitos C/C-ZRC e C/C-SiC-ZrC preparados experimentalmente são de -0,32 mg/s e 2,57 μm/s, respectivamente. As taxas de ablação de massa e ablação linear dos compósitos C/C-SiC-ZrC são de -0,24 mg/s e 1,66 μm/s, respectivamente. Os compósitos C/C-ZRC com nanofibras de SiC apresentam melhores propriedades ablativas. Posteriormente, serão estudados os efeitos de diferentes fontes de carbono no crescimento de nanofibras de SiC e o mecanismo pelo qual as nanofibras de SiC reforçam as propriedades ablativas dos compósitos C/C-ZRC.
Um cadinho de carbono/carbono com revestimento composto foi preparado por meio de um processo de permeação química de vapor e reação in situ. O revestimento composto era constituído por uma camada de carbeto de silício (100~300 μm), uma camada de silício (10~20 μm) e uma camada de nitreto de silício (50~100 μm), o que permitiu inibir eficazmente a corrosão por vapor de silício na superfície interna do cadinho de carbono/carbono. No processo de produção, a perda de material do cadinho de carbono/carbono com revestimento composto foi de 0,04 mm por ciclo de produção, e a vida útil atingiu 180 ciclos de produção.
Data da publicação: 22 de fevereiro de 2024