1 Aplikácia a výskumný pokrok povlakov z karbidu kremíka v tepelne poľných materiáloch uhlík/uhlík
1.1 Aplikácia a pokrok výskumu v príprave téglikov
V tepelnom poli monokryštálu,uhlík/uhlíkový tégliksa používa hlavne ako prepravná nádoba pre kremíkový materiál a je v kontakte skremenný téglik, ako je znázornené na obrázku 2. Pracovná teplota uhlík/uhlíkového téglika je približne 1450 ℃, čo spôsobuje dvojitú eróziu pevného kremíka (oxidu kremičitého) a kremíkových pár, a nakoniec téglik stenčí alebo sa v ňom vytvorí kruhová trhlina, čo vedie k jeho poškodeniu.
Kompozitný povlak z uhlík/uhlíkového kompozitného téglika bol pripravený procesom chemickej permeácie pár a reakciou in situ. Kompozitný povlak pozostával z povlaku karbidu kremíka (100 ~ 300 μm), kremíkového povlaku (10 ~ 20 μm) a povlaku nitridu kremíka (50 ~ 100 μm), ktoré dokázali účinne inhibovať koróziu kremíkových pár na vnútornom povrchu uhlík/uhlíkového kompozitného téglika. Počas výrobného procesu je strata kompozitného povlaku z uhlík/uhlíkového kompozitného téglika 0,04 mm na pec a životnosť môže dosiahnuť 180 pecných cyklov.
Výskumníci použili metódu chemickej reakcie na vytvorenie rovnomerného povlaku karbidu kremíka na povrchu téglika z kompozitu uhlík/uhlík za určitých teplotných podmienok a pod ochranou nosného plynu, pričom ako suroviny vo vysokoteplotnej spekacej peci použili oxid kremičitý a kovový kremík. Výsledky ukazujú, že vysokoteplotné spracovanie nielen zlepšuje čistotu a pevnosť povlaku sic, ale tiež výrazne zlepšuje odolnosť povrchu kompozitu uhlík/uhlík proti opotrebovaniu a zabraňuje korózii povrchu téglika parami SiO a prchavými atómami kyslíka v peci z monokryštalického kremíka. Životnosť téglika sa v porovnaní s téglikom bez povlaku sic zvýšila o 20 %.
1.2 Aplikácia a pokrok vo výskume prietokovej vodiacej trubice
Vodiaci valec sa nachádza nad téglikom (ako je znázornené na obrázku 1). Počas procesu ťahania kryštálov je teplotný rozdiel medzi vnútornou a vonkajšou stranou poľa veľký, najmä spodný povrch je najbližšie k roztavenému kremíkovému materiálu, teplota je najvyššia a korózia parami kremíka je najzávažnejšia.
Výskumníci vynašli jednoduchý proces a dobrú odolnosť proti oxidácii pre antioxidačný povlak vodiacej trubice a spôsob jeho prípravy. Najprv sa na matrici vodiacej trubice in situ vypestovala vrstva karbidu kremíka a potom sa pripravila hustá vonkajšia vrstva karbidu kremíka, čím sa medzi matricou a hustou povrchovou vrstvou karbidu kremíka vytvorila prechodová vrstva SiCw, ako je znázornené na obrázku 3. Koeficient tepelnej rozťažnosti bol medzi matricou a karbidom kremíka. To môže účinne znížiť tepelné namáhanie spôsobené nesúladom koeficientu tepelnej rozťažnosti.
Analýza ukazuje, že so zvyšujúcim sa obsahom SiCw sa veľkosť a počet trhlín v povlaku znižuje. Po 10 hodinách oxidácie na vzduchu s teplotou 1100 ℃ je úbytok hmotnosti vzorky povlaku iba 0,87 % až 8,87 % a odolnosť proti oxidácii a tepelnému šoku povlaku z karbidu kremíka sa výrazne zlepšujú. Celý proces prípravy sa vykonáva kontinuálne chemickým nanášaním z pár, čo výrazne zjednodušuje prípravu povlaku z karbidu kremíka a posilňuje komplexný výkon celej trysky.
Výskumníci navrhli metódu spevnenia matrice a povrchovej úpravy grafitovej vodiacej trubice pre monokryštalický kremík Czohr. Získaná suspenzia karbidu kremíka bola rovnomerne nanesená na povrch grafitovej vodiacej trubice s hrúbkou vrstvy 30 ~ 50 μm metódou nanášania štetcom alebo striekaním a potom umiestnená do vysokoteplotnej pece na reakciu in situ, pričom reakčná teplota bola 1850 ~ 2300 ℃ a tepelná izolácia bola 2 ~ 6 hodín. Vonkajšia vrstva SiC sa môže použiť v 24-palcovej (60,96 cm) peci na rast monokryštálov s teplotou použitia 1500 ℃ a zistilo sa, že po 1500 hodinách nedochádza k praskaniu ani vypadávaniu prášku na povrchu grafitového vodiaceho valca.
1.3 Aplikácia a pokrok vo výskume izolačných valcov
Ako jedna z kľúčových súčastí systému tepelného poľa z monokryštalického kremíka sa izolačný valec používa hlavne na zníženie tepelných strát a reguláciu teplotného gradientu prostredia tepelného poľa. Ako nosná časť izolačnej vrstvy vnútornej steny monokryštalickej pece vedie korózia kremíkových pár k odlupovaniu trosky a praskaniu produktu, čo nakoniec vedie k jeho poruche.
Aby sa ďalej zvýšila odolnosť kompozitnej izolačnej rúrky C/C-sic voči korózii parami kremíka, výskumníci vložili pripravené kompozitné izolačné rúrky C/C-sic do pece na chemickú reakciu z pár a pomocou chemického nanášania z pár pripravili na povrch kompozitných izolačných rúrok C/C-sic hustý povlak z karbidu kremíka. Výsledky ukazujú, že tento proces dokáže účinne zabrániť korózii uhlíkových vlákien na jadre kompozitu C/C-sic parami kremíka a odolnosť kremíkových pár voči korózii sa v porovnaní s kompozitom uhlík/uhlík zvyšuje 5 až 10-krát, čím sa výrazne zvyšuje životnosť izolačnej rúrky a bezpečnosť tepelného poľa.
2. Záver a perspektíva
Povlak z karbidu kremíkaVďaka svojej vynikajúcej odolnosti voči oxidácii pri vysokej teplote sa čoraz viac používa v tepelno-poľných materiáloch typu uhlík/uhlík. S rastúcou veľkosťou tepelno-poľných materiálov typu uhlík/uhlík používaných pri výrobe monokryštalického kremíka sa naliehavým problémom, ako zlepšiť rovnomernosť povlaku karbidu kremíka na povrchu tepelno-poľných materiálov a predĺžiť životnosť tepelno-poľných materiálov typu uhlík/uhlík, stalo zlepšenie rovnomernosti povlaku karbidu kremíka na povrchu tepelno-poľných materiálov a predĺžiť ich životnosť, sa stalo naliehavým problémom.
Na druhej strane, s rozvojom priemyslu monokryštalického kremíka rastie aj dopyt po vysoko čistých tepelno-polných materiáloch uhlík/uhlík a počas reakcie sa na vnútorných uhlíkových vláknach pestujú aj nanofibrily SiC. Rýchlosť hmotnostnej ablácie a lineárnej ablácie kompozitov C/C-ZRC a C/C-sic ZrC pripravených experimentálne je -0,32 mg/s a 2,57 μm/s. Rýchlosť hmotnostnej a lineárnej ablácie kompozitov C/C-sic-ZrC je -0,24 mg/s a 1,66 μm/s. Kompozity C/C-ZRC s nanofibrilami SiC majú lepšie ablačné vlastnosti. Neskôr sa budú študovať vplyvy rôznych zdrojov uhlíka na rast nanofibrilov SiC a mechanizmus, ktorým nanofibrily SiC posilňujú ablatívne vlastnosti kompozitov C/C-ZRC.
Kompozitný povlak z uhlík/uhlíkového kompozitného téglika bol pripravený procesom chemickej permeácie pár a reakciou in situ. Kompozitný povlak pozostával z povlaku karbidu kremíka (100 ~ 300 μm), kremíkového povlaku (10 ~ 20 μm) a povlaku nitridu kremíka (50 ~ 100 μm), ktoré dokázali účinne inhibovať koróziu kremíkových pár na vnútornom povrchu uhlík/uhlíkového kompozitného téglika. Počas výrobného procesu je strata kompozitného povlaku z uhlík/uhlíkového kompozitného téglika 0,04 mm na pec a životnosť môže dosiahnuť 180 pecných cyklov.
Čas uverejnenia: 22. februára 2024