1 Aplicación y progreso de la investigación del recubrimiento de carburo de silicio en materiales de campo térmico carbono/carbono
1.1 Aplicación y avances de la investigación en la preparación de crisoles
En el campo térmico del monocristal, lacrisol de carbono/carbonoSe utiliza principalmente como recipiente de transporte de material de silicio y está en contacto con elcrisol de cuarzo, como se muestra en la Figura 2. La temperatura de trabajo del crisol de carbono/carbono es de aproximadamente 1450 ℃, que está sujeto a la doble erosión del silicio sólido (dióxido de silicio) y el vapor de silicio, y finalmente el crisol se vuelve delgado o tiene una grieta en el anillo, lo que resulta en la falla del crisol.
Se preparó un crisol compuesto de carbono/carbono con revestimiento compuesto mediante un proceso de permeación química de vapor y reacción in situ. El revestimiento compuesto, compuesto de carburo de silicio (100-300 μm), silicio (10-20 μm) y nitruro de silicio (50-100 μm), inhibió eficazmente la corrosión por vapor de silicio en la superficie interna del crisol compuesto de carbono/carbono. Durante el proceso de producción, la pérdida de material del crisol compuesto de carbono/carbono con revestimiento compuesto es de 0,04 mm por horno, y su vida útil puede alcanzar 180 hornos.
Los investigadores emplearon un método de reacción química para generar un recubrimiento uniforme de carburo de silicio sobre la superficie del crisol compuesto de carbono/carbono, bajo ciertas condiciones de temperatura y con la protección de un gas portador. El tratamiento con dióxido de silicio y silicio metálico se realizó en un horno de sinterización de alta temperatura. Los resultados muestran que el tratamiento a alta temperatura no solo mejora la pureza y la resistencia del recubrimiento de carburo de silicio (SIC), sino que también mejora considerablemente la resistencia al desgaste de la superficie del compuesto de carbono/carbono y previene la corrosión de la superficie del crisol por vapor de SiO2 y átomos de oxígeno volátiles en el horno de silicio monocristalino. La vida útil del crisol se incrementó en un 20 % en comparación con la del crisol sin recubrimiento de SIC.
1.2 Aplicación y avances de la investigación en tubos guía de flujo
El cilindro guía se encuentra sobre el crisol (como se muestra en la Figura 1). Durante el proceso de extracción del cristal, la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del campo es considerable; especialmente la superficie inferior, que es la más cercana al silicio fundido, alcanza la temperatura más alta y la corrosión por vapor de silicio es la más grave.
Los investigadores desarrollaron un proceso sencillo y una buena resistencia a la oxidación para el recubrimiento antioxidante del tubo guía, así como un método de preparación. Primero, se cultivó in situ una capa de filamentos de carburo de silicio sobre la matriz del tubo guía, y luego se preparó una capa exterior densa de carburo de silicio, de modo que se formó una capa de transición de SiCw entre la matriz y la capa superficial densa de carburo de silicio, como se muestra en la Figura 3. El coeficiente de expansión térmica se encontraba entre la matriz y el carburo de silicio. Esto permite reducir eficazmente la tensión térmica causada por la discrepancia en el coeficiente de expansión térmica.
El análisis muestra que, al aumentar el contenido de SiCw, disminuyen el tamaño y el número de grietas en el recubrimiento. Tras 10 h de oxidación en aire a 1100 °C, la tasa de pérdida de peso de la muestra de recubrimiento es de tan solo un 0,87 % a un 8,87 %, lo que mejora considerablemente la resistencia a la oxidación y al choque térmico del recubrimiento de carburo de silicio. El proceso de preparación se realiza de forma continua mediante deposición química de vapor, lo que simplifica considerablemente la preparación del recubrimiento de carburo de silicio y mejora el rendimiento integral de la boquilla.
Los investigadores propusieron un método para el fortalecimiento de la matriz y el recubrimiento superficial del tubo guía de grafito para silicio monocristalino Czohr. La suspensión de carburo de silicio obtenida se aplicó uniformemente sobre la superficie del tubo guía de grafito con un espesor de 30 a 50 μm mediante brocha o pulverización. Posteriormente, se colocó en un horno de alta temperatura para la reacción in situ. La temperatura de reacción fue de 1850 a 2300 °C y el tiempo de conservación del calor fue de 2 a 6 h. La capa exterior de SiC se puede utilizar en un horno de crecimiento monocristalino de 24 pulgadas (60,96 cm) a una temperatura de 1500 °C. Se observó que no se producen grietas ni caída de polvo sobre la superficie del cilindro guía de grafito después de 1500 h.
1.3 Aplicación y avances de la investigación en cilindros de aislamiento
Como uno de los componentes clave del sistema de campo térmico de silicio monocristalino, el cilindro de aislamiento se utiliza principalmente para reducir la pérdida de calor y controlar el gradiente de temperatura del entorno del campo térmico. Como soporte de la capa de aislamiento de la pared interna del horno monocristalino, la corrosión por vapor de silicio provoca la formación de escoria y el agrietamiento del producto, lo que eventualmente provoca su falla.
Para mejorar aún más la resistencia a la corrosión por vapor de silicio del tubo aislante compuesto de C/C-sic, los investigadores introdujeron los productos de este tipo en un horno de reacción química de vapor y aplicaron un recubrimiento denso de carburo de silicio sobre su superficie mediante deposición química de vapor. Los resultados demuestran que este proceso inhibe eficazmente la corrosión de la fibra de carbono en el núcleo del compuesto de C/C-sic por vapor de silicio, y que la resistencia a la corrosión por vapor de silicio se incrementa de 5 a 10 veces en comparación con el compuesto de carbono/carbono, mejorando considerablemente la vida útil del cilindro aislante y la seguridad en el campo térmico.
2. Conclusión y perspectiva
recubrimiento de carburo de silicioSu uso en materiales de campo térmico de carbono/carbono es cada vez más frecuente debido a su excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Con el aumento de la cantidad de materiales de campo térmico de carbono/carbono utilizados en la producción de silicio monocristalino, mejorar la uniformidad del recubrimiento de carburo de silicio en la superficie de estos materiales y prolongar su vida útil se ha convertido en un problema urgente.
Por otro lado, con el desarrollo de la industria del silicio monocristalino, la demanda de materiales de campo térmico carbono/carbono de alta pureza también está aumentando, y las nanofibras de SiC también se cultivan en las fibras de carbono internas durante la reacción. Las tasas de ablación másica y ablación lineal de los compuestos C/ C-ZRC y C/ C-sic ZrC preparados mediante experimentos son de -0,32 mg/s y 2,57 μm/s, respectivamente. Las tasas de ablación másica y lineal de los compuestos C/ C-sic -ZrC son de -0,24 mg/s y 1,66 μm/s, respectivamente. Los compuestos C/ C-ZRC con nanofibras de SiC tienen mejores propiedades ablativas. Más adelante, se estudiarán los efectos de diferentes fuentes de carbono en el crecimiento de las nanofibras de SiC y el mecanismo por el cual las nanofibras de SiC refuerzan las propiedades ablativas de los compuestos C/ C-ZRC.
Se preparó un crisol compuesto de carbono/carbono con revestimiento compuesto mediante un proceso de permeación química de vapor y reacción in situ. El revestimiento compuesto, compuesto de carburo de silicio (100-300 μm), silicio (10-20 μm) y nitruro de silicio (50-100 μm), inhibió eficazmente la corrosión por vapor de silicio en la superficie interna del crisol compuesto de carbono/carbono. Durante el proceso de producción, la pérdida de material del crisol compuesto de carbono/carbono con revestimiento compuesto es de 0,04 mm por horno, y su vida útil puede alcanzar 180 hornos.
Hora de publicación: 22 de febrero de 2024