Солнечная фотоэлектрическая энергетика стала наиболее перспективной отраслью новой энергетики в мире. По сравнению с солнечными элементами из поликристаллического и аморфного кремния, монокристаллический кремний, как материал для фотоэлектрической генерации, обладает высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования и выдающимися коммерческими преимуществами, и стал основным материалом для солнечной фотоэлектрической энергетики. Метод Чохральского (ЧЗ) является одним из основных методов получения монокристаллического кремния. Состав печи для получения монокристаллического кремния методом Чохральского включает в себя систему печи, вакуумную систему, газовую систему, систему теплового поля и систему электрического управления. Система теплового поля является одним из важнейших условий для выращивания монокристаллического кремния, и качество монокристаллического кремния напрямую зависит от распределения температурного градиента теплового поля.
Компоненты теплового поля в основном состоят из углеродных материалов (графитовых материалов и углеродно-углеродных композитных материалов), которые в зависимости от их функций подразделяются на опорные части, функциональные части, нагревательные элементы, защитные части, теплоизоляционные материалы и т. д., как показано на рисунке 1. По мере увеличения размеров монокристаллического кремния возрастают и требования к размерам компонентов теплового поля. Углеродно-углеродные композитные материалы становятся предпочтительным выбором для материалов теплового поля монокристаллического кремния благодаря своей размерной стабильности и превосходным механическим свойствам.
В процессе производства монокристаллического кремния в процессе плавления кремниевого материала образуются пары кремния и брызги расплавленного кремния, что приводит к эрозии, вызванной силицированием, в теплоизоляционных материалах на основе углеродных/углеродных материалов, и серьезно влияет на их механические свойства и срок службы. Поэтому вопрос о том, как уменьшить эрозию, вызванную силицированием, в теплоизоляционных материалах на основе углеродных/углеродных материалов и увеличить срок их службы, стал одной из общих проблем для производителей монокристаллического кремния и производителей теплоизоляционных материалов на основе углеродных/углеродных материалов.Покрытие из карбида кремнияБлагодаря превосходной термостойкости и износостойкости, это покрытие стало предпочтительным выбором для защиты поверхностей углеродных материалов, используемых в тепловых зонах.
В данной работе, начиная с тепловых материалов на основе углеродных волокон, используемых в производстве монокристаллического кремния, рассматриваются основные методы получения, преимущества и недостатки покрытий из карбида кремния. На этой основе проводится обзор применения и прогресса исследований покрытий из карбида кремния в тепловых материалах на основе углеродных волокон, с учетом характеристик этих материалов, а также предлагаются рекомендации и направления развития в области защиты поверхности тепловых материалов на основе углеродных волокон.
1. Технология приготовленияпокрытие из карбида кремния
1.1 Метод встраивания
Метод встраивания часто используется для получения внутреннего покрытия из карбида кремния в композитных материалах C/C-sic. Этот метод сначала использует смешанный порошок для обертывания углеродно-углеродного композитного материала, а затем проводит термическую обработку при определенной температуре. Между смешанным порошком и поверхностью образца происходит ряд сложных физико-химических реакций, приводящих к образованию покрытия. Его преимущества заключаются в простоте процесса: за один этап можно получить плотные, без трещин, матричные композитные материалы; небольшое изменение размеров от заготовки до конечного продукта; подходит для любых волокнистых армированных структур; возможность формирования определенного градиента состава между покрытием и подложкой, обеспечивающего хорошее сцепление с подложкой. Однако существуют и недостатки, такие как химическая реакция при высокой температуре, которая может повредить волокно, и снижение механических свойств углеродно-углеродной матрицы. Неравномерность покрытия трудно контролировать из-за таких факторов, как гравитация, что приводит к неравномерности покрытия.
1.2 Метод нанесения покрытия с помощью суспензии
Метод нанесения суспензионного покрытия заключается в смешивании материала покрытия и связующего вещества в единую смесь, равномерном нанесении кистью на поверхность матрицы, последующем высушивании в инертной атмосфере, спекании покрытого образца при высокой температуре, в результате чего получается требуемое покрытие. Преимуществами метода являются простота и легкость выполнения, а также легкость контроля толщины покрытия; недостатками являются низкая прочность сцепления между покрытием и подложкой, низкая термостойкость покрытия и низкая однородность покрытия.
1.3 Метод химической парофазной реакции
Метод химической парофазной реакции (ХПГ) — это процесс, при котором твердый кремний испаряется в пары кремния при определенной температуре, а затем пары кремния диффундируют во внутреннюю и поверхностную части матрицы и реагируют in situ с углеродом в матрице, образуя карбид кремния. К его преимуществам относятся равномерная атмосфера в печи, стабильная скорость реакции и толщина покрытия по всей поверхности; простота и удобство в эксплуатации, а толщину покрытия можно контролировать, изменяя давление паров кремния, время осаждения и другие параметры. Недостатком является то, что положение образца в печи сильно влияет на его характеристики, а давление паров кремния в печи не может достичь теоретической равномерности, что приводит к неравномерной толщине покрытия.
1.4 Метод химического осаждения из паровой фазы
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) — это процесс, при котором углеводороды используются в качестве источника газа, а высокочистый N2/Ar — в качестве газа-носителя для подачи смешанных газов в химический парофазный реактор. Углеводы разлагаются, синтезируются, диффундируют, адсорбируются и растворяются при определенной температуре и давлении, образуя твердые пленки на поверхности углеродных композитных материалов. Его преимущество заключается в возможности контроля плотности и чистоты покрытия; он также подходит для заготовок более сложной формы; кристаллическая структура и морфология поверхности продукта могут контролироваться путем регулирования параметров осаждения. Недостатки заключаются в слишком низкой скорости осаждения, сложности процесса, высокой себестоимости производства, а также в возможности возникновения дефектов покрытия, таких как трещины, дефекты сетки и дефекты поверхности.
В заключение, метод встраивания ограничен своими технологическими характеристиками и подходит для разработки и производства лабораторных и мелкогабаритных материалов; метод нанесения покрытия не подходит для массового производства из-за низкой однородности. Метод CVR может обеспечить массовое производство крупногабаритных изделий, но предъявляет более высокие требования к оборудованию и технологиям. Метод CVD является идеальным методом для полученияпокрытие SICОднако его стоимость выше, чем у метода CVR, из-за сложности управления процессом.
Дата публикации: 22 февраля 2024 г.