針對炭/炭堝幫在單晶硅拉晶過程中不斷受到硅蒸氣的腐蝕以及硅料與石英坩堝的共同擠壓等,使得堝幫出現(xiàn)破損報(bào)廢問題,根據(jù)堝幫在熱場中的破壞機(jī)理,從CVD設(shè)備規(guī)格、預(yù)制體的編織方式、熱解炭涂層、產(chǎn)品密度、高溫處理溫度、加工次數(shù)等幾個(gè)方面研究了對堝幫使用壽命的影響。結(jié)果表明,采用小爐型沉積,軸向采用無緯布,環(huán)向采用炭纖維纏繞,斜向±45°采用長纖維纏繞,以炭纖維體積比為1∶3∶1的比例,分別與炭纖維網(wǎng)胎針刺成型的預(yù)制體,經(jīng)高溫?zé)峤馓客繉?產(chǎn)品密度為1.55 g/cm³以上,機(jī)械加工2次,并且在1 850℃高溫處理下,所制得堝幫達(dá)到了的設(shè)計(jì)壽命。 

【文章來源】：炭素技術(shù). 2020,39(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

不同爐型下的堝幫使用壽命

由圖2可知：在相同條件下，產(chǎn)品壽命方案4>方案3>方案2>方案1。原因分析：堝幫在拉單晶硅爐實(shí)際使用過程中受到的環(huán)向張力遠(yuǎn)大于軸向拉伸力，堝幫內(nèi)表面不斷受到硅蒸氣侵蝕過程中，堝幫外層的高密度環(huán)向炭纖維含量能夠抵抗硅液轉(zhuǎn)換給堝幫的張力，有效地緩解了由于堝幫本體局部強(qiáng)度缺失造成縱向貫穿裂紋，如圖3(a)所示。方案2的環(huán)向炭纖維的體積分?jǐn)?shù)較方案1增加到1.5倍，大大增加了堝幫的環(huán)向強(qiáng)度，進(jìn)而延長了堝幫的使用壽命，所以方案2較方案1的堝幫壽命長；方案3與方案2堝幫的使用壽命比較接近，主要由于方案3斜向纖維的引入，使得堝幫在高溫處理中，在受到軸向方向和環(huán)向方向的拉力時(shí)，±45°方向的雙向纏繞纖維會(huì)產(chǎn)生大小相同，方向相反的兩個(gè)剪力，降低了單方向形變的可能，也最大限度地降低了因?yàn)榄h(huán)向纖維因高溫環(huán)境中拉伸擴(kuò)張?jiān)斐傻膿p傷[3]，保障了堝幫整體的環(huán)向強(qiáng)度。但是由于環(huán)向纖維的體積分?jǐn)?shù)相對較少，所以也在一定程度上使堝幫縱裂的可能性提高；方案4較方案3進(jìn)一步提高了環(huán)向炭纖維的體積分?jǐn)?shù)，使得堝幫使用壽命達(dá)到最高。這是由于炭纖維是復(fù)合材料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)骨架，而熱解炭填充纖維孔隙進(jìn)一步提高綜合力學(xué)性能，因此隨著堝幫中環(huán)向纖維含量提升，堝幫本體環(huán)向力學(xué)性能也不斷提高。方案2與方案4的堝幫報(bào)廢方式以橫裂為主，如圖3(b)所示，說明縱向纖維含量已減至臨界值。

由圖4可知：在相同條件下，有涂層的炭/炭堝幫壽命>沒有涂層的炭/炭堝幫壽命。原因分析：熱解炭涂層的溫度一般高于常用增密溫度。采用涂層溫度1 100℃，沉積時(shí)間為50 h，使得炭/炭復(fù)合材料表面附著一層致密的熱解炭保護(hù)層。該涂層（圖5,密度≥1.75 g/cm3，厚度3～6μm）有效地阻隔硅蒸氣對堝幫內(nèi)部較高孔隙率部分的腐蝕[4]，延緩了堝幫本體被侵蝕的過程，所以，有涂層堝幫壽命要明顯優(yōu)于沒有涂層的堝幫壽命。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]C/C復(fù)合材料在光伏行業(yè)的應(yīng)用[J]. 楊素心.  中國有色金屬. 2018(07)
[2]晶硅爐熱場用碳材料在硅蒸汽中的腐蝕行為研究[J]. 施偉,譚毅,郝建潔,李佳艷.  無機(jī)材料學(xué)報(bào). 2017(07)
[3]單晶硅爐用碳素材料的硅化腐蝕研究[J]. 曹偉偉,朱波,趙偉,王永偉,喬琨,張式雷.  功能材料. 2013(12)
[4]炭/炭復(fù)合材料制造硅晶體生長坩堝初探[J]. 蔣建純,周九寧,浦保健,黃伯云.  炭素. 2004(02)
[5]針刺碳纖維氈生產(chǎn)工藝初探[J]. 王忠.  新型碳材料. 1996(04)
[6]SiO2-C系高溫反應(yīng)熱力學(xué)[J]. 狄鴻利.  輕金屬. 1982(04)

碩士論文
[1]TDL-150型單晶爐爐體設(shè)計(jì)及爐內(nèi)溫場和氬氣流場的數(shù)值模擬[D]. 魏唱蕾.西安理工大學(xué) 2007
[2]短纖維C/C-SiC復(fù)合材料的制備及性能研究[D]. 梁錦華.中南大學(xué) 2005



本文編號：3593522