1 Aplicarea și progresul cercetării privind acoperirea cu carbură de siliciu în materialele cu câmp termic carbon/carbon
1.1 Progresul aplicațiilor și cercetării în prepararea creuzetului
În câmpul termic al monocristalului,creuzet carbon/carboneste utilizat în principal ca recipient de transport pentru materialul siliciu și este în contact cucreuzet de cuarț, așa cum se arată în Figura 2. Temperatura de lucru a creuzetului carbon/carbon este de aproximativ 1450 ℃, care este supusă dublei eroziuni a siliciului solid (dioxid de siliciu) și a vaporilor de siliciu, iar în final creuzetul devine subțire sau prezintă o fisură inelară, rezultând defectarea acestuia.
Un creuzet compozit carbon/carbon cu acoperire compozită a fost preparat printr-un proces de permeație chimică a vaporilor și reacție in situ. Acoperirea compozită a fost alcătuită dintr-un acoperire de carbură de siliciu (100~300μm), un acoperire de siliciu (10~20μm) și un acoperire de nitrură de siliciu (50~100μm), care a putut inhiba eficient coroziunea vaporilor de siliciu pe suprafața interioară a creuzetului compozit carbon/carbon. În procesul de producție, pierderea creuzetului compozit carbon/carbon cu acoperire compozită este de 0,04 mm per cuptor, iar durata de viață poate ajunge la 180 de ori de cuptor.
Cercetătorii au folosit o metodă de reacție chimică pentru a genera un strat uniform de carbură de siliciu pe suprafața creuzetului compozit carbon/carbon în anumite condiții de temperatură și sub protecția gazului purtător, utilizând dioxid de siliciu și siliciu metalic ca materii prime într-un cuptor de sinterizare la temperatură înaltă. Rezultatele arată că tratamentul la temperatură înaltă nu numai că îmbunătățește puritatea și rezistența stratului de siliciu, dar îmbunătățește considerabil și rezistența la uzură a suprafeței compozitului carbon/carbon și previne coroziunea suprafeței creuzetului de către vaporii de SiO2 și atomii volatili de oxigen în cuptorul cu siliciu monocristal. Durata de viață a creuzetului este crescută cu 20% comparativ cu cea a creuzetului fără strat de siliciu.
1.2 Aplicații și progrese în cercetare în tubul de ghidare a fluxului
Cilindrul de ghidare este situat deasupra creuzetului (așa cum se arată în Figura 1). În procesul de extragere a cristalului, diferența de temperatură dintre interiorul și exteriorul câmpului este mare, în special suprafața inferioară este cea mai apropiată de materialul siliciu topit, temperatura este cea mai ridicată, iar coroziunea cauzată de vaporii de siliciu este cea mai gravă.
Cercetătorii au inventat un proces simplu și o bună rezistență la oxidare a acoperirii antioxidante a tubului de ghidare și o metodă de preparare. Mai întâi, un strat de carbură de siliciu a fost crescut in situ pe matricea tubului de ghidare, apoi a fost preparat un strat exterior dens de carbură de siliciu, astfel încât să se formeze un strat de tranziție SiCw între matrice și stratul superficial dens de carbură de siliciu, așa cum se arată în Figura 3. Coeficientul de dilatare termică se află între matrice și carbura de siliciu. Acest lucru poate reduce eficient stresul termic cauzat de nepotrivirea coeficientului de dilatare termică.
Analiza arată că odată cu creșterea conținutului de SiCw, dimensiunea și numărul fisurilor din acoperire scad. După 10 ore de oxidare în aer la 1100 ℃, rata de pierdere în greutate a probei de acoperire este de numai 0,87%~8,87%, iar rezistența la oxidare și rezistența la șoc termic a acoperirii de carbură de siliciu sunt mult îmbunătățite. Întregul proces de preparare este finalizat continuu prin depunere chimică din vapori, prepararea acoperirii de carbură de siliciu este mult simplificată, iar performanța completă a întregii duze este consolidată.
Cercetătorii au propus o metodă de întărire a matricei și de acoperire a suprafeței tubului de ghidare din grafit pentru siliciu monocristalin Czohr. Suspensia de carbură de siliciu obținută a fost acoperită uniform pe suprafața tubului de ghidare din grafit cu o grosime de acoperire de 30~50 μm prin metoda de acoperire cu pensulă sau prin pulverizare, apoi plasată într-un cuptor la temperatură înaltă pentru reacție in situ, temperatura de reacție fiind de 1850~2300 ℃, iar conservarea căldurii a fost de 2~6 ore. Stratul exterior de SiC poate fi utilizat într-un cuptor de creștere a monocristalului de 24 in (60,96 cm), iar temperatura de utilizare este de 1500 ℃, constatându-se că nu există fisuri și căderi de pulbere pe suprafața cilindrului de ghidare din grafit după 1500 ore.
1.3 Aplicații și progrese în cercetare în domeniul cilindrilor izolatori
Fiind una dintre componentele cheie ale sistemului de câmp termic din siliciu monocristalin, cilindrul de izolație este utilizat în principal pentru a reduce pierderile de căldură și a controla gradientul de temperatură al mediului înconjurător al câmpului termic. Ca parte portantă a stratului de izolație al peretelui interior al cuptorului monocristalin, coroziunea prin vapori de siliciu duce la căderea zgurii și fisurarea produsului, ceea ce duce în cele din urmă la defectarea produsului.
Pentru a îmbunătăți și mai mult rezistența la coroziune la vapori de siliciu a tubului de izolație compozit C/C-sic, cercetătorii au introdus produsele de tub de izolație compozit C/C-sic preparate în cuptorul de reacție chimică cu vapori și au pregătit un strat dens de carbură de siliciu pe suprafața produselor de tub de izolație compozit C/C-sic prin procesul de depunere chimică cu vapori. Rezultatele arată că acest proces poate inhiba eficient coroziunea fibrei de carbon de pe miezul compozitului C/C-sic de către vaporii de siliciu, iar rezistența la coroziune a vaporilor de siliciu este crescută de 5 până la 10 ori în comparație cu compozitul carbon/carbon, iar durata de viață a cilindrului de izolație și siguranța mediului din câmpul termic sunt mult îmbunătățite.
2. Concluzie și perspectivă
Acoperire cu carbură de siliciueste din ce în ce mai utilizat pe scară largă în materialele cu câmp termic carbon/carbon datorită rezistenței sale excelente la oxidare la temperaturi ridicate. Odată cu creșterea dimensiunii materialelor cu câmp termic carbon/carbon utilizate în producția de siliciu monocristalin, modul de îmbunătățire a uniformității acoperirii cu carbură de siliciu pe suprafața materialelor cu câmp termic și de îmbunătățire a duratei de viață a materialelor cu câmp termic carbon/carbon a devenit o problemă urgentă care trebuie rezolvată.
Pe de altă parte, odată cu dezvoltarea industriei siliciului monocristalin, crește și cererea de materiale de câmp termic carbon/carbon de înaltă puritate, iar nanofibrele de SiC sunt, de asemenea, cultivate pe fibrele interne de carbon în timpul reacției. Ratele de ablație în masă și de ablație liniară ale compozitelor C/C-ZRC și C/C-sic ZrC preparate experimental sunt de -0,32 mg/s și, respectiv, 2,57 μm/s. Ratele de ablație în masă și în linie ale compozitelor C/C-sic -ZrC sunt de -0,24 mg/s și, respectiv, 1,66 μm/s. Compozitele C/C-ZRC cu nanofibre de SiC au proprietăți ablative mai bune. Ulterior, vor fi studiate efectele diferitelor surse de carbon asupra creșterii nanofibrelor de SiC și mecanismul prin care nanofibrele de SiC întăresc proprietățile ablative ale compozitelor C/C-ZRC.
Un creuzet compozit carbon/carbon cu acoperire compozită a fost preparat printr-un proces de permeație chimică a vaporilor și reacție in situ. Acoperirea compozită a fost alcătuită dintr-un acoperire de carbură de siliciu (100~300μm), un acoperire de siliciu (10~20μm) și un acoperire de nitrură de siliciu (50~100μm), care a putut inhiba eficient coroziunea vaporilor de siliciu pe suprafața interioară a creuzetului compozit carbon/carbon. În procesul de producție, pierderea creuzetului compozit carbon/carbon cu acoperire compozită este de 0,04 mm per cuptor, iar durata de viață poate ajunge la 180 de ori de cuptor.
Data publicării: 22 februarie 2024