单晶硅炉用炭/炭复合材料埚帮使用寿命的影响因素研究

发布时间：2022-01-16 22:16

　　针对炭/炭埚帮在单晶硅拉晶过程中不断受到硅蒸气的腐蚀以及硅料与石英坩埚的共同挤压等,使得埚帮出现破损报废问题,根据埚帮在热场中的破坏机理,从CVD设备规格、预制体的编织方式、热解炭涂层、产品密度、高温处理温度、加工次数等几个方面研究了对埚帮使用寿命的影响。结果表明,采用小炉型沉积,轴向采用无纬布,环向采用炭纤维缠绕,斜向±45°采用长纤维缠绕,以炭纤维体积比为1∶3∶1的比例,分别与炭纤维网胎针刺成型的预制体,经高温热解炭涂层,产品密度为1.55 g/cm³以上,机械加工2次,并且在1 850℃高温处理下,所制得埚帮达到了的设计寿命。 

【文章来源】：炭素技术. 2020,39(03)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

不同炉型下的埚帮使用寿命

由图2可知：在相同条件下，产品寿命方案4>方案3>方案2>方案1。原因分析：埚帮在拉单晶硅炉实际使用过程中受到的环向张力远大于轴向拉伸力，埚帮内表面不断受到硅蒸气侵蚀过程中，埚帮外层的高密度环向炭纤维含量能够抵抗硅液转换给埚帮的张力，有效地缓解了由于埚帮本体局部强度缺失造成纵向贯穿裂纹，如图3(a)所示。方案2的环向炭纤维的体积分数较方案1增加到1.5倍，大大增加了埚帮的环向强度，进而延长了埚帮的使用寿命，所以方案2较方案1的埚帮寿命长；方案3与方案2埚帮的使用寿命比较接近，主要由于方案3斜向纤维的引入，使得埚帮在高温处理中，在受到轴向方向和环向方向的拉力时，±45°方向的双向缠绕纤维会产生大小相同，方向相反的两个剪力，降低了单方向形变的可能，也最大限度地降低了因为环向纤维因高温环境中拉伸扩张造成的损伤[3]，保障了埚帮整体的环向强度。但是由于环向纤维的体积分数相对较少，所以也在一定程度上使埚帮纵裂的可能性提高；方案4较方案3进一步提高了环向炭纤维的体积分数，使得埚帮使用寿命达到最高。这是由于炭纤维是复合材料产品的结构骨架，而热解炭填充纤维孔隙进一步提高综合力学性能，因此随着埚帮中环向纤维含量提升，埚帮本体环向力学性能也不断提高。方案2与方案4的埚帮报废方式以横裂为主，如图3(b)所示，说明纵向纤维含量已减至临界值。

由图4可知：在相同条件下，有涂层的炭/炭埚帮寿命>没有涂层的炭/炭埚帮寿命。原因分析：热解炭涂层的温度一般高于常用增密温度。采用涂层温度1 100℃，沉积时间为50 h，使得炭/炭复合材料表面附着一层致密的热解炭保护层。该涂层（图5,密度≥1.75 g/cm3，厚度3～6μm）有效地阻隔硅蒸气对埚帮内部较高孔隙率部分的腐蚀[4]，延缓了埚帮本体被侵蚀的过程，所以，有涂层埚帮寿命要明显优于没有涂层的埚帮寿命。

【参考文献】：
期刊论文
[1]C/C复合材料在光伏行业的应用[J]. 杨素心.  中国有色金属. 2018(07)
[2]晶硅炉热场用碳材料在硅蒸汽中的腐蚀行为研究[J]. 施伟,谭毅,郝建洁,李佳艳.  无机材料学报. 2017(07)
[3]单晶硅炉用碳素材料的硅化腐蚀研究[J]. 曹伟伟,朱波,赵伟,王永伟,乔琨,张式雷.  功能材料. 2013(12)
[4]炭/炭复合材料制造硅晶体生长坩埚初探[J]. 蒋建纯,周九宁,浦保健,黄伯云.  炭素. 2004(02)
[5]针刺碳纤维毡生产工艺初探[J]. 王忠.  新型碳材料. 1996(04)
[6]SiO2-C系高温反应热力学[J]. 狄鸿利.  轻金属. 1982(04)

硕士论文
[1]TDL-150型单晶炉炉体设计及炉内温场和氩气流场的数值模拟[D]. 魏唱蕾.西安理工大学 2007
[2]短纤维C/C-SiC复合材料的制备及性能研究[D]. 梁锦华.中南大学 2005



本文编号：3593522