1. Anwendung und Forschungsfortschritte von Siliciumcarbid-Beschichtungen in Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien
1.1 Anwendung und Forschungsfortschritte bei der Tiegelpräparation
Im thermischen Feld des EinkristallsKohlenstoff/Kohlenstoff-Tiegelwird hauptsächlich als Trägerbehälter für Siliziummaterial verwendet und steht in Kontakt mit demQuarztiegelWie in Abbildung 2 dargestellt, beträgt die Arbeitstemperatur des Kohlenstoff/Kohlenstoff-Tiegels etwa 1450℃. Dabei findet eine doppelte Erosion durch festes Silizium (Siliziumdioxid) und Siliziumdampf statt, wodurch der Tiegel schließlich dünner wird oder einen Ringriss aufweist, was zum Versagen des Tiegels führt.
Ein mit einer Verbundbeschichtung versehener Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundtiegel wurde mittels chemischer Gasphasenabscheidung und In-situ-Reaktion hergestellt. Die Verbundbeschichtung besteht aus einer Siliciumcarbid-Beschichtung (100–300 µm), einer Silicium-Beschichtung (10–20 µm) und einer Siliciumnitrid-Beschichtung (50–100 µm). Diese Beschichtung hemmt wirksam die Korrosion der Innenfläche des Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundtiegels durch Siliciumdampf. Im Produktionsprozess beträgt der Materialverlust des beschichteten Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundtiegels 0,04 mm pro Ofen, und die Lebensdauer beträgt bis zu 180 Ofenzyklen.
Die Forscher nutzten ein chemisches Reaktionsverfahren, um unter bestimmten Temperaturbedingungen und unter Schutzgasatmosphäre eine gleichmäßige Siliciumcarbid-Beschichtung auf der Oberfläche eines Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundtiegels zu erzeugen. Als Ausgangsmaterialien dienten Siliciumdioxid und metallisches Silicium in einem Hochtemperatur-Sinterofen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Hochtemperaturbehandlung nicht nur die Reinheit und Festigkeit der SiC-Beschichtung verbessert, sondern auch die Verschleißfestigkeit der Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundoberfläche deutlich erhöht und die Korrosion der Tiegeloberfläche durch SiO-Dampf und flüchtige Sauerstoffatome im Monokristall-Siliciumofen verhindert. Die Lebensdauer des Tiegels verlängert sich im Vergleich zu einem Tiegel ohne SiC-Beschichtung um 20 %.
1.2 Anwendung und Forschungsfortschritte bei Strömungsleitrohren
Der Führungszylinder befindet sich oberhalb des Tiegels (siehe Abbildung 1). Beim Kristallziehen ist der Temperaturunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Feldes groß, insbesondere an der Unterseite, die dem geschmolzenen Siliziummaterial am nächsten liegt. Dort ist die Temperatur am höchsten und die Korrosion durch Siliziumdampf am stärksten.
Die Forscher entwickelten ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer Antioxidationsbeschichtung für Führungsrohre mit hoher Oxidationsbeständigkeit. Zunächst wurde eine Schicht aus Siliciumcarbid-Whisker in situ auf der Matrix des Führungsrohrs aufgebracht. Anschließend wurde eine dichte Siliciumcarbid-Außenschicht erzeugt, wodurch sich eine SiCw-Übergangsschicht zwischen der Matrix und der dichten Siliciumcarbid-Oberflächenschicht bildete (siehe Abbildung 3). Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Matrix und Siliciumcarbid ist unterschiedlich. Dadurch lassen sich thermische Spannungen, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten entstehen, effektiv reduzieren.
Die Analyse zeigt, dass mit steigendem SiCw-Gehalt Größe und Anzahl der Risse in der Beschichtung abnehmen. Nach 10 Stunden Oxidation in 1100 °C heißer Luft beträgt der Gewichtsverlust der Beschichtungsprobe lediglich 0,87 % bis 8,87 %, wodurch die Oxidations- und Temperaturwechselbeständigkeit der Siliciumcarbid-Beschichtung deutlich verbessert werden. Der gesamte Herstellungsprozess erfolgt kontinuierlich mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), was die Herstellung der Siliciumcarbid-Beschichtung erheblich vereinfacht und die Gesamtleistung der Düse verbessert.
Die Forscher schlugen eine Methode zur Matrixverstärkung und Oberflächenbeschichtung von Graphit-Führungsrohren für Czohr-Einkristall-Silizium vor. Die erhaltene Siliciumcarbid-Suspension wurde mittels Pinsel- oder Sprühbeschichtung mit einer Schichtdicke von 30–50 µm gleichmäßig auf die Oberfläche des Graphit-Führungsrohrs aufgetragen und anschließend in einem Hochtemperaturofen zur In-situ-Reaktion bei einer Temperatur von 1850–2300 °C und einer Haltezeit von 2–6 Stunden erhitzt. Die SiC-Außenschicht kann in einem 60,96 cm (24 Zoll) großen Einkristall-Züchtungsofen bei einer Betriebstemperatur von 1500 °C verwendet werden. Es zeigte sich, dass nach 1500 Stunden keine Risse oder Pulverablagerungen auf der Oberfläche des Graphit-Führungsrohrs auftraten.
1.3 Anwendung und Forschungsfortschritte bei Isolierzylindern
Als eine der Schlüsselkomponenten des thermischen Feldsystems für monokristallines Silizium dient der Isolierzylinder hauptsächlich der Reduzierung von Wärmeverlusten und der Kontrolle des Temperaturgradienten im thermischen Feld. Als tragender Bestandteil der inneren Wandisolierung des Einkristallofens führt Siliziumdampfkorrosion zu Schlackenablagerungen und Rissbildung im Produkt, was letztendlich dessen Ausfall zur Folge hat.
Um die Korrosionsbeständigkeit von C/C-SiC-Verbundisolationsrohren gegenüber Siliziumdampf weiter zu verbessern, wurden die hergestellten Produkte in einen chemischen Gasphasenreagenzofen gegeben und mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) mit einer dichten Siliziumkarbidschicht überzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass dieses Verfahren die Korrosion der Kohlenstofffasern im Kern des C/C-SiC-Verbundwerkstoffs durch Siliziumdampf wirksam hemmt. Die Korrosionsbeständigkeit gegenüber Siliziumdampf wird im Vergleich zu reinem Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff um das 5- bis 10-Fache erhöht, wodurch die Lebensdauer des Isolierzylinders und die Sicherheit der thermischen Umgebung deutlich verbessert werden.
2. Fazit und Ausblick
SiliziumkarbidbeschichtungAufgrund seiner ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen findet Siliziumkarbid zunehmend Anwendung in Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien. Angesichts der wachsenden Größe dieser Materialien in der monokristallinen Siliziumproduktion ist die Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Siliziumkarbidbeschichtung und damit die Verlängerung der Lebensdauer dieser Wärmefeldmaterialien zu einem dringenden Problem geworden.
Andererseits steigt mit der Entwicklung der monokristallinen Siliziumindustrie auch der Bedarf an hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien. Dabei wachsen während der Reaktion auch SiC-Nanofasern auf den inneren Kohlenstofffasern. Die Massen- und Linienabtragsraten der experimentell hergestellten C/C-ZRC- und C/C-SiC-ZrC-Komposite betragen -0,32 mg/s bzw. 2,57 μm/s. Die entsprechenden Werte für C/C-SiC-ZrC-Komposite liegen bei -0,24 mg/s bzw. 1,66 μm/s. Die C/C-ZRC-Komposite mit SiC-Nanofasern weisen bessere Ablationseigenschaften auf. Zukünftig werden die Auswirkungen verschiedener Kohlenstoffquellen auf das Wachstum der SiC-Nanofasern sowie der Mechanismus der Verbesserung der Ablationseigenschaften von C/C-ZRC-Kompositen durch die SiC-Nanofasern untersucht.
Ein mit einer Verbundbeschichtung versehener Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundtiegel wurde mittels chemischer Gasphasenabscheidung und In-situ-Reaktion hergestellt. Die Verbundbeschichtung besteht aus einer Siliciumcarbid-Beschichtung (100–300 µm), einer Silicium-Beschichtung (10–20 µm) und einer Siliciumnitrid-Beschichtung (50–100 µm). Diese Beschichtung hemmt wirksam die Korrosion der Innenfläche des Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundtiegels durch Siliciumdampf. Im Produktionsprozess beträgt der Materialverlust des beschichteten Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundtiegels 0,04 mm pro Ofen, und die Lebensdauer beträgt bis zu 180 Ofenzyklen.
Veröffentlichungsdatum: 22. Februar 2024