1. Ứng dụng và tiến bộ nghiên cứu của lớp phủ silicon carbide trong vật liệu trường nhiệt carbon/carbon
1.1 Ứng dụng và tiến bộ nghiên cứu trong việc chế tạo chén nung
Trong trường nhiệt đơn tinh thể,nồi nung cacbon/cacbonChủ yếu được sử dụng làm vật chứa vận chuyển vật liệu silicon và tiếp xúc với...chén nung thạch anhNhư thể hiện trong Hình 2, nhiệt độ làm việc của nồi nung cacbon/cacbon khoảng 1450℃, chịu tác động ăn mòn kép của silic rắn (silicon dioxide) và hơi silic, cuối cùng nồi nung bị mỏng đi hoặc xuất hiện vết nứt vòng, dẫn đến hỏng nồi nung.
Một nồi nung composite cacbon/cacbon được chế tạo bằng phương pháp thẩm thấu hơi hóa học và phản ứng tại chỗ. Lớp phủ composite bao gồm lớp phủ cacbua silic (100~300μm), lớp phủ silic (10~20μm) và lớp phủ nitrua silic (50~100μm), có thể ức chế hiệu quả sự ăn mòn của hơi silic trên bề mặt bên trong của nồi nung composite cacbon/cacbon. Trong quá trình sản xuất, độ hao hụt của nồi nung composite cacbon/cacbon được phủ composite là 0,04 mm mỗi lần nung, và tuổi thọ có thể đạt 180 lần nung.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phản ứng hóa học để tạo ra lớp phủ silicon carbide đồng nhất trên bề mặt của nồi nấu composite carbon/carbon dưới các điều kiện nhiệt độ nhất định và sự bảo vệ của khí mang, sử dụng silicon dioxide và silicon metal làm nguyên liệu thô trong lò thiêu kết nhiệt độ cao. Kết quả cho thấy rằng xử lý ở nhiệt độ cao không chỉ cải thiện độ tinh khiết và độ bền của lớp phủ SiC mà còn cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn của bề mặt composite carbon/carbon, và ngăn ngừa sự ăn mòn bề mặt nồi nấu bởi hơi SiO và các nguyên tử oxy dễ bay hơi trong lò silicon đơn tinh thể. Tuổi thọ của nồi nấu tăng 20% so với nồi nấu không có lớp phủ SiC.
1.2 Ứng dụng và tiến bộ nghiên cứu về ống dẫn dòng
Ống dẫn hướng được đặt phía trên nồi nấu chảy (như thể hiện trong Hình 1). Trong quá trình kéo tinh thể, sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài vùng gia công rất lớn, đặc biệt là bề mặt đáy gần nhất với vật liệu silic nóng chảy, nơi có nhiệt độ cao nhất và sự ăn mòn do hơi silic diễn ra nghiêm trọng nhất.
Các nhà nghiên cứu đã phát minh ra một quy trình đơn giản và phương pháp chế tạo lớp phủ chống oxy hóa cho ống dẫn hướng với khả năng chống oxy hóa tốt. Đầu tiên, một lớp sợi silicon carbide được nuôi cấy tại chỗ trên nền của ống dẫn hướng, sau đó một lớp silicon carbide dày đặc bên ngoài được chuẩn bị, sao cho một lớp chuyển tiếp SiCw được hình thành giữa nền và lớp bề mặt silicon carbide dày đặc, như thể hiện trong Hình 3. Hệ số giãn nở nhiệt nằm giữa nền và silicon carbide. Điều này có thể làm giảm hiệu quả ứng suất nhiệt gây ra bởi sự không phù hợp về hệ số giãn nở nhiệt.
Phân tích cho thấy rằng khi hàm lượng SiCw tăng lên, kích thước và số lượng vết nứt trong lớp phủ giảm đi. Sau 10 giờ oxy hóa trong không khí ở 1100 ℃, tỷ lệ hao hụt khối lượng của mẫu lớp phủ chỉ là 0,87%~8,87%, và khả năng chống oxy hóa cũng như khả năng chống sốc nhiệt của lớp phủ silicon carbide được cải thiện đáng kể. Toàn bộ quy trình chế tạo được hoàn thành liên tục bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học, giúp đơn giản hóa đáng kể quá trình chế tạo lớp phủ silicon carbide và tăng cường hiệu suất tổng thể của toàn bộ vòi phun.
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp tăng cường ma trận và phủ bề mặt ống dẫn hướng bằng than chì cho silicon đơn tinh thể czohr. Hỗn hợp silicon carbide thu được được phủ đều lên bề mặt ống dẫn hướng bằng than chì với độ dày lớp phủ từ 30 đến 50 μm bằng phương pháp quét hoặc phun, sau đó được đặt trong lò nung nhiệt độ cao để phản ứng tại chỗ, nhiệt độ phản ứng là 1850 đến 2300 ℃, và thời gian giữ nhiệt là 2 đến 6 giờ. Lớp SiC bên ngoài có thể được sử dụng trong lò nuôi cấy đơn tinh thể 24 in (60,96 cm), và nhiệt độ sử dụng là 1500 ℃, và người ta nhận thấy không có hiện tượng nứt và rơi bột trên bề mặt ống dẫn hướng bằng than chì sau 1500 giờ.
1.3 Ứng dụng và tiến bộ nghiên cứu về xi lanh cách nhiệt
Là một trong những thành phần quan trọng của hệ thống trường nhiệt silicon đơn tinh thể, xi lanh cách nhiệt chủ yếu được sử dụng để giảm tổn thất nhiệt và kiểm soát độ chênh lệch nhiệt độ của môi trường trường nhiệt. Là một bộ phận hỗ trợ cho lớp cách nhiệt thành trong của lò đơn tinh thể, sự ăn mòn do hơi silicon dẫn đến hiện tượng rơi xỉ và nứt vỡ sản phẩm, cuối cùng dẫn đến hỏng sản phẩm.
Để tăng cường hơn nữa khả năng chống ăn mòn do hơi silic của ống cách nhiệt composite C/C-SIC, các nhà nghiên cứu đã đưa sản phẩm ống cách nhiệt composite C/C-SIC đã chế tạo vào lò phản ứng hơi hóa học, và tạo lớp phủ silicon carbide dày đặc trên bề mặt sản phẩm bằng quy trình lắng đọng hơi hóa học. Kết quả cho thấy, quy trình này có thể ức chế hiệu quả sự ăn mòn của sợi carbon trên lõi composite C/C-SIC do hơi silic gây ra, và khả năng chống ăn mòn do hơi silic tăng lên từ 5 đến 10 lần so với composite carbon/carbon, đồng thời tuổi thọ của ống cách nhiệt và độ an toàn của môi trường cách nhiệt được cải thiện đáng kể.
2. Kết luận và triển vọng
Lớp phủ cacbua silicSilicon carbide ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các vật liệu dẫn nhiệt carbon/carbon nhờ khả năng chống oxy hóa tuyệt vời ở nhiệt độ cao. Với kích thước ngày càng tăng của các vật liệu dẫn nhiệt carbon/carbon được sử dụng trong sản xuất silicon đơn tinh thể, làm thế nào để cải thiện tính đồng nhất của lớp phủ silicon carbide trên bề mặt vật liệu dẫn nhiệt và nâng cao tuổi thọ của các vật liệu dẫn nhiệt carbon/carbon đã trở thành một vấn đề cấp bách cần giải quyết.
Mặt khác, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp silicon đơn tinh thể, nhu cầu về vật liệu trường nhiệt carbon/carbon có độ tinh khiết cao cũng ngày càng tăng, và các sợi nano SiC cũng được hình thành trên các sợi carbon bên trong trong quá trình phản ứng. Tốc độ mài mòn khối lượng và tốc độ mài mòn tuyến tính của vật liệu composite C/C-ZRC và C/C-SiC-ZrC được chế tạo bằng thực nghiệm lần lượt là -0,32 mg/s và 2,57 μm/s. Tốc độ mài mòn khối lượng và tốc độ mài mòn tuyến tính của vật liệu composite C/C-SiC-ZrC lần lượt là -0,24 mg/s và 1,66 μm/s. Vật liệu composite C/C-ZRC có chứa sợi nano SiC có tính chất mài mòn tốt hơn. Sau đó, ảnh hưởng của các nguồn carbon khác nhau đến sự phát triển của sợi nano SiC và cơ chế tăng cường tính chất mài mòn của vật liệu composite C/C-ZRC nhờ sợi nano SiC sẽ được nghiên cứu.
Một nồi nung composite cacbon/cacbon được chế tạo bằng phương pháp thẩm thấu hơi hóa học và phản ứng tại chỗ. Lớp phủ composite bao gồm lớp phủ cacbua silic (100~300μm), lớp phủ silic (10~20μm) và lớp phủ nitrua silic (50~100μm), có thể ức chế hiệu quả sự ăn mòn của hơi silic trên bề mặt bên trong của nồi nung composite cacbon/cacbon. Trong quá trình sản xuất, độ hao hụt của nồi nung composite cacbon/cacbon được phủ composite là 0,04 mm mỗi lần nung, và tuổi thọ có thể đạt 180 lần nung.
Thời gian đăng bài: 22/02/2024