Gängige Werkstoffe für thermische Felder: C/C-Verbundwerkstoffe

Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffesind eine Art von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen, bei denen Kohlenstofffasern als Verstärkungsmaterial und abgeschiedener Kohlenstoff als Matrixmaterial dienen. Die Matrix vonC/C-Verbundwerkstoffe sind KohlenstoffDa es fast vollständig aus elementarem Kohlenstoff besteht, weist es eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit auf und erbt die starken mechanischen Eigenschaften von Kohlenstofffasern. Es wurde bereits früher im Verteidigungsbereich industriell eingesetzt.

Anwendungsbereiche:

C/C-VerbundwerkstoffeSie befinden sich in der Mitte der industriellen Wertschöpfungskette, wobei die vorgelagerten Bereiche die Herstellung von Kohlenstofffasern und Vorformlingen umfassen und die nachgelagerten Anwendungsgebiete relativ breit gefächert sind.C/C-VerbundwerkstoffeSie werden hauptsächlich als hitzebeständige Werkstoffe, Reibungsmaterialien und Hochleistungswerkstoffe eingesetzt. Ihre Verwendung findet sich in der Luft- und Raumfahrt (Raketendüsenauskleidungen, Wärmeschutzmaterialien und thermische Strukturbauteile von Triebwerken), Bremsmaterialien (Hochgeschwindigkeitszüge, Flugzeugbremsscheiben), thermischen Feldern in der Photovoltaik (Isolierrohre, Tiegel, Führungsrohre und andere Komponenten), biologischen Körpern (künstlichen Knochen) und weiteren Bereichen. Derzeit sind inländischeC/C-VerbundwerkstoffeDie Unternehmen konzentrieren sich hauptsächlich auf das einzelne Glied der Kette von Verbundwerkstoffen und dehnen sich bis zur vorgelagerten Vorformlingsrichtung aus.

C/C-Verbundwerkstoffe weisen hervorragende Eigenschaften auf, darunter geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit, hoher spezifischer Elastizitätsmodul, hohe Wärmeleitfähigkeit, niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, gute Bruchzähigkeit, Verschleißfestigkeit und Abtragsbeständigkeit. Im Gegensatz zu anderen Werkstoffen nimmt die Festigkeit von C/C-Verbundwerkstoffen mit steigender Temperatur nicht ab, sondern kann sogar zunehmen. Sie sind hervorragend hitzebeständig und wurden daher erstmals industriell für Raketentriebwerksauskleidungen eingesetzt.

C/C-Verbundwerkstoffe vereinen die hervorragenden mechanischen und Verarbeitungseigenschaften von Kohlenstofffasern mit der Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Graphit und haben sich zu einer ernstzunehmenden Alternative zu Graphitprodukten entwickelt. Insbesondere im Anwendungsbereich mit hohen Festigkeitsanforderungen – wie der Photovoltaik – gewinnen die Kosteneffizienz und Sicherheit von C/C-Verbundwerkstoffen angesichts der großflächigen Siliziumwafer zunehmend an Bedeutung und sind zu einer unverzichtbaren Voraussetzung geworden. Graphit hingegen dient aufgrund begrenzter Produktionskapazitäten auf der Angebotsseite hauptsächlich als Ergänzung zu C/C-Verbundwerkstoffen.

Anwendung im photovoltaisch-thermischen Feld:

Das Thermofeld ist das gesamte System zur Aufrechterhaltung der Temperatur beim Wachstum von monokristallinem Silizium bzw. bei der Herstellung von polykristallinen Siliziumblöcken. Es spielt eine Schlüsselrolle für die Reinheit, Homogenität und andere Eigenschaften von monokristallinem und polykristallinem Silizium und gehört zum vorgelagerten Bereich der Siliziumherstellung. Je nach Produkttyp lässt sich das Thermofeld in das Thermofeldsystem des Einkristallziehofens und das Thermofeldsystem des Blockofens unterteilen. Da monokristalline Siliziumzellen einen höheren Wirkungsgrad als polykristalline Siliziumzellen aufweisen, steigt der Marktanteil von monokristallinen Siliziumwafern kontinuierlich, während der Marktanteil von polykristallinen Siliziumwafern in meinem Land jährlich sinkt, von 32,5 % im Jahr 2019 auf 9,3 % im Jahr 2020. Daher setzen Hersteller von Thermofeldsystemen hauptsächlich auf die Technologie des Einkristallziehofens.

Abbildung 2: Thermisches Feld in der Fertigungskette für kristallines Silizium

Das Wärmefeld besteht aus mehr als einem Dutzend Komponenten, wobei Tiegel, Führungsrohr, Isolierzylinder und Heizelement die vier Kernkomponenten darstellen. Die verschiedenen Komponenten stellen unterschiedliche Anforderungen an die Materialeigenschaften. Die Abbildung unten zeigt ein schematisches Diagramm des Wärmefelds von einkristallinem Silizium. Tiegel, Führungsrohr und Isolierzylinder bilden die strukturellen Bestandteile des Wärmefeldsystems. Ihre Hauptfunktion besteht darin, das gesamte Hochtemperatur-Wärmefeld zu tragen, weshalb hohe Anforderungen an Dichte, Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit gestellt werden. Das Heizelement ist ein direktes Heizelement im Wärmefeld. Seine Funktion ist die Zufuhr von Wärmeenergie. Da es sich in der Regel um ein Widerstandselement handelt, gelten höhere Anforderungen an den spezifischen Widerstand des Materials.