Sản xuất điện năng lượng mặt trời quang điện đã trở thành ngành công nghiệp năng lượng mới triển vọng nhất thế giới. So với pin mặt trời polysilicon và silicon vô định hình, silicon đơn tinh thể, với tư cách là vật liệu sản xuất điện năng lượng mặt trời, có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao và lợi thế thương mại vượt trội, và đã trở thành xu hướng chủ đạo trong sản xuất điện năng lượng mặt trời quang điện. Phương pháp Czochralski (CZ) là một trong những phương pháp chính để chế tạo silicon đơn tinh thể. Cấu tạo của lò nung silicon đơn tinh thể Czochralski bao gồm hệ thống lò nung, hệ thống chân không, hệ thống khí, hệ thống trường nhiệt và hệ thống điều khiển điện. Hệ thống trường nhiệt là một trong những điều kiện quan trọng nhất cho sự phát triển của silicon đơn tinh thể, và chất lượng của silicon đơn tinh thể bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự phân bố gradient nhiệt độ của trường nhiệt.
Các thành phần của mạch nhiệt chủ yếu được cấu tạo từ vật liệu carbon (vật liệu than chì và vật liệu composite carbon/carbon), được chia thành các bộ phận hỗ trợ, bộ phận chức năng, phần tử gia nhiệt, bộ phận bảo vệ, vật liệu cách nhiệt, v.v., theo chức năng của chúng, như thể hiện trong Hình 1. Khi kích thước của silicon đơn tinh thể tiếp tục tăng, yêu cầu về kích thước đối với các thành phần mạch nhiệt cũng tăng lên. Vật liệu composite carbon/carbon trở thành lựa chọn hàng đầu cho vật liệu mạch nhiệt của silicon đơn tinh thể do tính ổn định về kích thước và các đặc tính cơ học tuyệt vời của nó.
Trong quá trình sản xuất silicon đơn tinh thể Czochralcia, sự nóng chảy của vật liệu silicon sẽ tạo ra hơi silicon và silicon nóng chảy bắn tung tóe, dẫn đến sự ăn mòn do silic hóa đối với vật liệu cách nhiệt carbon/carbon, và làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến các tính chất cơ học và tuổi thọ của vật liệu cách nhiệt carbon/carbon. Do đó, làm thế nào để giảm thiểu sự ăn mòn do silic hóa đối với vật liệu cách nhiệt carbon/carbon và nâng cao tuổi thọ của chúng đã trở thành một trong những mối quan tâm chung của các nhà sản xuất silicon đơn tinh thể và các nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt carbon/carbon.Lớp phủ cacbua silicNó đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho lớp phủ bảo vệ bề mặt của vật liệu trường nhiệt carbon/carbon nhờ khả năng chống sốc nhiệt và chống mài mòn tuyệt vời.
Bài báo này, bắt đầu từ vật liệu trường nhiệt cacbon/cacbon được sử dụng trong sản xuất silic đơn tinh thể, giới thiệu các phương pháp chế tạo chính, ưu điểm và nhược điểm của lớp phủ cacbua silic. Trên cơ sở đó, bài báo xem xét ứng dụng và tiến trình nghiên cứu của lớp phủ cacbua silic trong vật liệu trường nhiệt cacbon/cacbon theo đặc điểm của vật liệu trường nhiệt cacbon/cacbon, đồng thời đưa ra các đề xuất và hướng phát triển cho việc bảo vệ bề mặt bằng lớp phủ đối với vật liệu trường nhiệt cacbon/cacbon.
1. Công nghệ chuẩn bị củalớp phủ cacbua silic
1.1 Phương pháp nhúng
Phương pháp nhúng thường được sử dụng để chuẩn bị lớp phủ bên trong của silicon carbide trong hệ vật liệu composite C/C-Sic. Phương pháp này trước tiên sử dụng bột hỗn hợp để bao phủ vật liệu composite carbon/carbon, sau đó tiến hành xử lý nhiệt ở một nhiệt độ nhất định. Một loạt các phản ứng hóa lý phức tạp xảy ra giữa bột hỗn hợp và bề mặt của mẫu để tạo thành lớp phủ. Ưu điểm của phương pháp này là quy trình đơn giản, chỉ cần một bước duy nhất có thể tạo ra vật liệu composite nền đặc chắc, không nứt; Kích thước thay đổi nhỏ từ vật liệu ban đầu đến sản phẩm cuối cùng; Phù hợp với mọi cấu trúc gia cường sợi; Có thể tạo ra một gradient thành phần nhất định giữa lớp phủ và chất nền, giúp kết hợp tốt với chất nền. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược điểm, chẳng hạn như phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao có thể làm hỏng sợi và làm giảm tính chất cơ học của nền carbon/carbon. Độ đồng nhất của lớp phủ khó kiểm soát do các yếu tố như trọng lực, khiến lớp phủ không đồng đều.
1.2 Phương pháp phủ lớp dạng bùn
Phương pháp phủ dạng huyền phù là trộn vật liệu phủ và chất kết dính thành hỗn hợp, quét đều lên bề mặt vật liệu nền, sau khi sấy khô trong môi trường khí trơ, mẫu được phủ sẽ được nung ở nhiệt độ cao để thu được lớp phủ cần thiết. Ưu điểm là quy trình đơn giản, dễ thực hiện và độ dày lớp phủ dễ kiểm soát; nhược điểm là độ bám dính giữa lớp phủ và chất nền kém, khả năng chịu sốc nhiệt của lớp phủ kém và độ đồng đều của lớp phủ thấp.
1.3 Phương pháp phản ứng hơi hóa học
Phương pháp phản ứng hơi hóa học (CVR) là một phương pháp xử lý làm bay hơi vật liệu silicon rắn thành hơi silicon ở một nhiệt độ nhất định, sau đó hơi silicon khuếch tán vào bên trong và bề mặt của ma trận, và phản ứng tại chỗ với carbon trong ma trận để tạo ra silicon carbide. Ưu điểm của phương pháp này bao gồm: môi trường đồng nhất trong lò, tốc độ phản ứng và độ dày lớp phủ ổn định ở mọi nơi; quy trình đơn giản và dễ vận hành, và độ dày lớp phủ có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi áp suất hơi silicon, thời gian lắng đọng và các thông số khác. Nhược điểm là vị trí của mẫu trong lò ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả, và áp suất hơi silicon trong lò không đạt được độ đồng nhất lý thuyết, dẫn đến độ dày lớp phủ không đồng đều.
1.4 Phương pháp lắng đọng hơi hóa học
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một quy trình sử dụng hydrocarbon làm nguồn khí và N2/Ar có độ tinh khiết cao làm khí mang để đưa hỗn hợp khí vào lò phản ứng hơi hóa học. Dưới nhiệt độ và áp suất nhất định, hydrocarbon sẽ bị phân hủy, tổng hợp, khuếch tán, hấp phụ và hòa tan để tạo thành màng rắn trên bề mặt vật liệu composite carbon/carbon. Ưu điểm của phương pháp này là có thể kiểm soát được mật độ và độ tinh khiết của lớp phủ; phù hợp với các chi tiết có hình dạng phức tạp; cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt của sản phẩm có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các thông số lắng đọng. Nhược điểm là tốc độ lắng đọng quá thấp, quy trình phức tạp, chi phí sản xuất cao và có thể xuất hiện các khuyết tật trên lớp phủ, chẳng hạn như vết nứt, khuyết tật dạng lưới và khuyết tật bề mặt.
Tóm lại, phương pháp nhúng bị hạn chế bởi đặc điểm công nghệ, chỉ phù hợp cho việc phát triển và sản xuất vật liệu trong phòng thí nghiệm và có kích thước nhỏ; phương pháp phủ không phù hợp cho sản xuất hàng loạt do tính nhất quán kém. Phương pháp CVR có thể đáp ứng sản xuất hàng loạt sản phẩm kích thước lớn, nhưng đòi hỏi cao hơn về thiết bị và công nghệ. Phương pháp CVD là phương pháp lý tưởng để chuẩn bịLớp phủ SICnhưng chi phí của phương pháp này cao hơn phương pháp CVR do khó khăn trong việc kiểm soát quy trình.
Thời gian đăng bài: 22/02/2024