1. Применение и прогресс исследований покрытий из карбида кремния в тепловых материалах на основе углеродных композитов.
1.1 Применение и прогресс в исследованиях по подготовке тиглей
В тепловом поле монокристаллауглеродный/углеродный тигельиспользуется в основном в качестве носителя для кремниевого материала и контактирует скварцевый тигельКак показано на рисунке 2, рабочая температура углеродного тигля составляет около 1450℃, что приводит к двойной эрозии твердого кремния (диоксида кремния) и паров кремния, в результате чего тигель истончается или покрывается кольцевыми трещинами, что приводит к его разрушению.
Композитный тигель из углеродного композита с композитным покрытием был изготовлен методом химической парофазной пермеации и in situ реакции. Композитное покрытие состояло из покрытия из карбида кремния (100–300 мкм), покрытия из кремния (10–20 мкм) и покрытия из нитрида кремния (50–100 мкм), что эффективно предотвращало коррозию паров кремния на внутренней поверхности тигеля из углеродного композита. В процессе производства потери композитного покрытия в тигле из углеродного композита составляют 0,04 мм на одну печь, а срок службы может достигать 180 циклов работы в печи.
Исследователи использовали метод химической реакции для получения равномерного покрытия из карбида кремния на поверхности углеродно-углеродного композитного тигля при определенных температурных условиях и защите газом-носителем, используя диоксид кремния и металлический кремний в качестве исходных материалов в высокотемпературной печи для спекания. Результаты показывают, что высокотемпературная обработка не только улучшает чистоту и прочность покрытия из карбида кремния, но и значительно повышает износостойкость поверхности углеродно-углеродного композита, а также предотвращает коррозию поверхности тигля парами SiO и летучими атомами кислорода в печи для монокристаллического кремния. Срок службы тигля увеличивается на 20% по сравнению с тиглем без покрытия из карбида кремния.
1.2 Применение и прогресс исследований в области направляющих трубок для потока
Направляющий цилиндр расположен над тиглем (как показано на рисунке 1). В процессе вытягивания кристалла разница температур между внутренней и внешней средой велика, особенно нижняя поверхность, расположенная ближе всего к расплавленному кремнию, имеет самую высокую температуру, и коррозия, вызванная парами кремния, наиболее серьезна.
Исследователи разработали простой процесс и метод получения антиокислительного покрытия для направляющей трубки с хорошей стойкостью к окислению. Сначала на матрице направляющей трубки in situ выращивали слой нитевидных кристаллов карбида кремния, а затем формировали плотный внешний слой карбида кремния, так что между матрицей и плотным поверхностным слоем карбида кремния образовывался переходный слой SiCw, как показано на рисунке 3. Коэффициент теплового расширения находился между коэффициентами теплового расширения матрицы и карбида кремния. Это позволяет эффективно снизить термическое напряжение, вызванное несоответствием коэффициентов теплового расширения.
Анализ показывает, что с увеличением содержания SiCw размер и количество трещин в покрытии уменьшаются. После 10 часов окисления на воздухе при температуре 1100 ℃ потеря веса образца покрытия составляет всего 0,87%–8,87%, что значительно улучшает стойкость к окислению и термостойкость покрытия из карбида кремния. Весь процесс изготовления осуществляется непрерывным методом химического осаждения из газовой фазы, что значительно упрощает получение покрытия из карбида кремния и повышает комплексные характеристики всей форсунки.
Исследователи предложили метод упрочнения матрицы и нанесения поверхностного покрытия на графитовую направляющую трубку для монокристаллического кремния. Полученная суспензия карбида кремния равномерно наносилась на поверхность графитовой направляющей трубки слоем толщиной 30–50 мкм методом кисти или распыления, а затем помещалась в высокотемпературную печь для реакции in situ при температуре 1850–2300 ℃ и выдержке в течение 2–6 часов. Наружный слой SiC можно использовать в печи для выращивания монокристаллов диаметром 24 дюйма (60,96 см) при рабочей температуре 1500 ℃. Было установлено, что после 1500 часов на поверхности графитового направляющего цилиндра не наблюдалось растрескивания и отслаивания порошка.
1.3 Применение и прогресс исследований в области изоляции цилиндров
Изоляционный цилиндр, являясь одним из ключевых компонентов системы теплового поля монокристаллического кремния, в основном используется для снижения теплопотерь и контроля температурного градиента в среде теплового поля. Как опорная часть внутреннего изоляционного слоя стенки печи для монокристаллического кремния, он подвержен коррозии под воздействием паров кремния, что приводит к отслаиванию шлака и растрескиванию изделия, в конечном итоге вызывая его повреждение.
Для дальнейшего повышения коррозионной стойкости композитной изоляционной трубки из углеродно-углеродного композита (C/C-sic) к коррозии под воздействием паров кремния, исследователи поместили изготовленные изделия из композитной изоляционной трубки из C/C-sic в печь для химической парофазной реакции и нанесли на их поверхность плотное покрытие из карбида кремния методом химического осаждения из паровой фазы. Результаты показали, что данный процесс эффективно подавляет коррозию углеродного волокна в сердцевине композита C/C-sic под воздействием паров кремния, а коррозионная стойкость под воздействием паров кремния увеличивается в 5-10 раз по сравнению с композитом углерод/углерод, что значительно повышает срок службы изоляционного цилиндра и безопасность тепловой среды.
2. Заключение и перспективы
Покрытие из карбида кремнияБлагодаря своей превосходной стойкости к окислению при высоких температурах, карбид кремния все шире используется в теплоизоляционных материалах на основе углеродных волокон. В связи с увеличением размеров теплоизоляционных материалов на основе углеродных волокон, используемых в производстве монокристаллического кремния, актуальной проблемой становится вопрос повышения равномерности покрытия из карбида кремния на поверхности теплоизоляционных материалов и увеличения срока их службы.
С другой стороны, с развитием индустрии монокристаллического кремния растет и спрос на высокочистые углеродные/углеродные тепловые материалы, и в процессе реакции на внутренних углеродных волокнах также выращиваются нановолокна SiC. Массовая и линейная скорости абляции композитов C/C-ZRC и C/C-sic ZrC, полученных экспериментально, составляют -0,32 мг/с и 2,57 мкм/с соответственно. Массовая и линейная скорости абляции композитов C/C-sic-ZrC составляют -0,24 мг/с и 1,66 мкм/с соответственно. Композиты C/C-ZRC с нановолокнами SiC обладают лучшими абляционными свойствами. В дальнейшем будут изучены эффекты различных источников углерода на рост нановолокон SiC и механизм усиления абляционных свойств композитов C/C-ZRC нановолокнами SiC.
Композитный тигель из углеродного композита с композитным покрытием был изготовлен методом химической парофазной пермеации и in situ реакции. Композитное покрытие состояло из покрытия из карбида кремния (100–300 мкм), покрытия из кремния (10–20 мкм) и покрытия из нитрида кремния (50–100 мкм), что эффективно предотвращало коррозию паров кремния на внутренней поверхности тигеля из углеродного композита. В процессе производства потери композитного покрытия в тигле из углеродного композита составляют 0,04 мм на одну печь, а срок службы может достигать 180 циклов работы в печи.
Дата публикации: 22 февраля 2024 г.