1. Application et progrès de la recherche sur le revêtement en carbure de silicium dans les matériaux thermiques carbone/carbone
1.1 Application et progrès de la recherche en matière de préparation de creusets
Dans le champ thermique d'un monocristal, lecreuset carbone/carboneest principalement utilisé comme récipient pour transporter des matériaux en silicium et est en contact avec lecreuset en quartz, comme le montre la figure 2. La température de fonctionnement du creuset carbone/carbone est d'environ 1450℃, qui est soumise à la double érosion du silicium solide (dioxyde de silicium) et de la vapeur de silicium, et finalement le creuset devient mince ou présente une fissure annulaire, ce qui entraîne la défaillance du creuset.
Un creuset composite carbone/carbone à revêtement composite a été préparé par un procédé de perméation chimique en phase vapeur et de réaction in situ. Ce revêtement composite est composé de couches de carbure de silicium (100 à 300 µm), de silicium (10 à 20 µm) et de nitrure de silicium (50 à 100 µm), ce qui permet d'inhiber efficacement la corrosion par les vapeurs de silicium sur la surface interne du creuset. Lors du processus de fabrication, la perte de matière du creuset composite carbone/carbone est de 0,04 mm par cycle de cuisson, et sa durée de vie peut atteindre 180 cycles.
Les chercheurs ont utilisé une méthode de réaction chimique pour générer un revêtement uniforme de carbure de silicium sur la surface d'un creuset composite carbone/carbone, sous certaines conditions de température et sous protection d'un gaz vecteur. Ils ont utilisé du dioxyde de silicium et du silicium métallique comme matières premières dans un four de frittage à haute température. Les résultats montrent que le traitement à haute température améliore non seulement la pureté et la résistance du revêtement de carbure de silicium, mais aussi considérablement la résistance à l'usure de la surface du composite carbone/carbone. De plus, ce traitement empêche la corrosion de la surface du creuset par les vapeurs de SiO₂ et les atomes d'oxygène volatils présents dans le four à silicium monocristallin. La durée de vie du creuset est ainsi augmentée de 20 % par rapport à celle d'un creuset sans revêtement de carbure de silicium.
1.2 Application et progrès de la recherche sur les tubes de guidage d'écoulement
Le cylindre de guidage est situé au-dessus du creuset (comme illustré sur la figure 1). Lors de l'étirage du cristal, la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du champ est importante, en particulier au niveau de la surface inférieure, la plus proche du silicium fondu, où la température est la plus élevée et la corrosion par les vapeurs de silicium la plus importante.
Les chercheurs ont mis au point un procédé simple et une méthode de préparation du revêtement anti-oxydation du tube guide, offrant une excellente résistance à l'oxydation. Dans un premier temps, une couche de whiskers de carbure de silicium est formée in situ sur la matrice du tube guide, puis une couche externe dense de carbure de silicium est préparée. Ainsi, une couche de transition SiCw se forme entre la matrice et la couche superficielle dense de carbure de silicium, comme illustré sur la figure 3. Le coefficient de dilatation thermique étant intermédiaire entre celui de la matrice et celui du carbure de silicium, ce procédé permet de réduire efficacement les contraintes thermiques dues à la différence de coefficient de dilatation thermique.
L'analyse montre qu'avec l'augmentation de la teneur en SiCw, la taille et le nombre de fissures dans le revêtement diminuent. Après 10 h d'oxydation à 1100 °C à l'air, le taux de perte de masse de l'échantillon de revêtement n'est que de 0,87 % à 8,87 %, et la résistance à l'oxydation et aux chocs thermiques du revêtement en carbure de silicium est considérablement améliorée. L'ensemble du processus de préparation est réalisé en continu par dépôt chimique en phase vapeur, ce qui simplifie grandement la préparation du revêtement en carbure de silicium et renforce les performances globales de la buse.
Les chercheurs ont proposé une méthode de renforcement de la matrice et de revêtement de surface d'un tube guide en graphite pour la croissance de silicium monocristallin. La suspension de carbure de silicium obtenue a été déposée uniformément sur la surface du tube guide en graphite, avec une épaisseur de revêtement de 30 à 50 µm, par application au pinceau ou par pulvérisation. Le tube a ensuite été placé dans un four à haute température pour une réaction in situ, à une température de 1850 à 2300 °C, pendant 2 à 6 heures. La couche externe de SiC ainsi obtenue peut être utilisée dans un four de croissance monocristalline de 60,96 cm (24 pouces) à une température de 1500 °C. Après 1500 heures de traitement, aucune fissure ni aucun détachement de poudre n'ont été observés à la surface du tube guide en graphite.
1.3 Application et progrès de la recherche sur les cylindres isolants
Composant essentiel du système de champ thermique du silicium monocristallin, le cylindre isolant sert principalement à réduire les pertes de chaleur et à contrôler le gradient de température de l'environnement thermique. Élément de support de la couche d'isolation de la paroi interne du four à monocristal, il est sensible à la corrosion par les vapeurs de silicium, qui provoque des retombées de scories et des fissures dans le produit, entraînant à terme sa défaillance.
Afin d'améliorer la résistance à la corrosion par les vapeurs de silicium des tubes isolants composites C/C-SiC, les chercheurs ont placé les tubes isolants composites C/C-SiC préparés dans un four de réaction chimique en phase vapeur (CVD) et ont ainsi déposé un revêtement dense de carbure de silicium à leur surface. Les résultats montrent que ce procédé inhibe efficacement la corrosion des fibres de carbone au cœur du composite C/C-SiC par les vapeurs de silicium. La résistance à la corrosion par les vapeurs de silicium est multipliée par 5 à 10 par rapport à un composite carbone/carbone, ce qui améliore considérablement la durée de vie du cylindre isolant et la sécurité de l'environnement thermique.
2. Conclusion et perspectives
revêtement en carbure de siliciumLe carbure de silicium est de plus en plus utilisé dans les matériaux de champ thermique carbone/carbone en raison de son excellente résistance à l'oxydation à haute température. Avec l'augmentation de la taille des matériaux de champ thermique carbone/carbone utilisés dans la production de silicium monocristallin, l'amélioration de l'uniformité du revêtement en carbure de silicium à leur surface et l'allongement de leur durée de vie constituent un enjeu crucial.
Par ailleurs, le développement de l'industrie du silicium monocristallin entraîne une demande croissante en matériaux de champ thermique carbone/carbone de haute pureté. Des nanofibres de SiC se développent également sur les fibres de carbone internes lors de la réaction. Les taux d'ablation massique et linéaire des composites C/C-ZRC et C/C-SiC-ZrC, préparés expérimentalement, sont respectivement de -0,32 mg/s et 2,57 μm/s. Ceux des composites C/C-SiC-ZrC sont respectivement de -0,24 mg/s et 1,66 μm/s. Les composites C/C-ZRC contenant des nanofibres de SiC présentent de meilleures propriétés d'ablation. L'influence de différentes sources de carbone sur la croissance des nanofibres de SiC et le mécanisme de renforcement des propriétés d'ablation des composites C/C-ZRC par ces nanofibres seront étudiés ultérieurement.
Un creuset composite carbone/carbone à revêtement composite a été préparé par un procédé de perméation chimique en phase vapeur et de réaction in situ. Ce revêtement composite est composé de couches de carbure de silicium (100 à 300 µm), de silicium (10 à 20 µm) et de nitrure de silicium (50 à 100 µm), ce qui permet d'inhiber efficacement la corrosion par les vapeurs de silicium sur la surface interne du creuset. Lors du processus de fabrication, la perte de matière du creuset composite carbone/carbone est de 0,04 mm par cycle de cuisson, et sa durée de vie peut atteindre 180 cycles.
Date de publication : 22 février 2024