1 Ứng dụng và tiến trình nghiên cứu lớp phủ silicon carbide trong vật liệu trường nhiệt carbon/carbon
1.1 Tiến trình ứng dụng và nghiên cứu trong chế tạo nồi nấu kim loại
Trong trường nhiệt tinh thể đơn,cacbon/nồi nấu cacbonchủ yếu được sử dụng như một bình chứa vật liệu silicon và tiếp xúc vớinồi nấu thạch anh, như thể hiện trong Hình 2. Nhiệt độ làm việc của nồi nấu chảy cacbon/cacbon là khoảng 1450℃, chịu sự xói mòn kép của silic rắn (silicon dioxide) và hơi silic, cuối cùng nồi nấu chảy trở nên mỏng hoặc có vết nứt vòng, dẫn đến nồi nấu chảy bị hỏng.
Một nồi nấu composite carbon/carbon phủ composite được chế tạo bằng quy trình thẩm thấu hơi hóa học và phản ứng tại chỗ. Lớp phủ composite bao gồm lớp phủ silicon carbide (100~300μm), lớp phủ silicon (10~20μm) và lớp phủ silicon nitride (50~100μm), có thể ức chế hiệu quả sự ăn mòn của hơi silicon trên bề mặt bên trong của nồi nấu composite carbon/carbon. Trong quá trình sản xuất, lượng thất thoát của nồi nấu composite carbon/carbon phủ composite là 0,04 mm cho mỗi lò và tuổi thọ có thể đạt tới 180 lần nung.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phản ứng hóa học để tạo ra lớp phủ silicon carbide đồng nhất trên bề mặt của nồi nấu hợp chất carbon/carbon trong điều kiện nhiệt độ nhất định và sự bảo vệ của khí mang, sử dụng silicon dioxide và kim loại silicon làm nguyên liệu trong lò thiêu kết nhiệt độ cao. Kết quả cho thấy xử lý nhiệt độ cao không chỉ cải thiện độ tinh khiết và độ bền của lớp phủ sic mà còn cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn của bề mặt hỗn hợp carbon/carbon và ngăn ngừa sự ăn mòn bề mặt nồi nấu bởi hơi SiO và các nguyên tử oxy dễ bay hơi trong lò silicon đơn tinh thể. Tuổi thọ của nồi nấu tăng 20% so với nồi nấu không có lớp phủ sic.
1.2 Tiến trình ứng dụng và nghiên cứu ống dẫn dòng chảy
Xi lanh dẫn hướng nằm phía trên nồi nấu (như hình 1). Trong quá trình kéo tinh thể, chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài trường lớn, đặc biệt là bề mặt đáy gần nhất với vật liệu silic nóng chảy, nhiệt độ cao nhất và sự ăn mòn do hơi silic là nghiêm trọng nhất.
Các nhà nghiên cứu đã phát minh ra một quy trình đơn giản và khả năng chống oxy hóa tốt của lớp phủ chống oxy hóa và phương pháp chế tạo ống dẫn hướng. Đầu tiên, một lớp râu silicon carbide được phát triển tại chỗ trên ma trận của ống dẫn hướng, sau đó một lớp ngoài silicon carbide dày đặc được chuẩn bị, do đó một lớp chuyển tiếp SiCw được hình thành giữa ma trận và lớp bề mặt silicon carbide dày đặc, như thể hiện trong Hình 3. Hệ số giãn nở nhiệt nằm giữa ma trận và silicon carbide. Nó có thể làm giảm hiệu quả ứng suất nhiệt do hệ số giãn nở nhiệt không khớp.
Phân tích cho thấy khi hàm lượng SiCw tăng, kích thước và số lượng vết nứt trên lớp phủ giảm. Sau 10 giờ oxy hóa trong không khí 1100 ℃, tỷ lệ mất trọng lượng của mẫu lớp phủ chỉ còn 0,87% ~ 8,87%, khả năng chống oxy hóa và khả năng chống sốc nhiệt của lớp phủ silicon carbide được cải thiện đáng kể. Toàn bộ quá trình chuẩn bị được hoàn thành liên tục bằng lắng đọng hơi hóa học, quá trình chuẩn bị lớp phủ silicon carbide được đơn giản hóa rất nhiều và hiệu suất toàn diện của toàn bộ vòi phun được tăng cường.
Các nhà nghiên cứu đề xuất một phương pháp gia cường ma trận và phủ bề mặt ống dẫn graphite cho silicon đơn tinh thể czohr. Bùn silicon carbide thu được được phủ đều trên bề mặt ống dẫn graphite với độ dày lớp phủ 30~50 μm bằng phương pháp phủ chổi hoặc phủ phun, sau đó đưa vào lò nung nhiệt độ cao để phản ứng tại chỗ, nhiệt độ phản ứng là 1850~2300 ℃, và thời gian giữ nhiệt là 2~6 giờ. Lớp ngoài SiC có thể được sử dụng trong lò nung tinh thể đơn 24 in (60,96 cm), và nhiệt độ sử dụng là 1500 ℃, và thấy rằng không có hiện tượng nứt và bột rơi trên bề mặt xi lanh dẫn graphite sau 1500 giờ.
1.3 Tiến trình ứng dụng và nghiên cứu trong xi lanh cách điện
Là một trong những thành phần chính của hệ thống trường nhiệt silicon đơn tinh thể, xi lanh cách nhiệt chủ yếu được sử dụng để giảm tổn thất nhiệt và kiểm soát độ dốc nhiệt độ của môi trường trường nhiệt. Là một bộ phận hỗ trợ của lớp cách nhiệt thành trong của lò đơn tinh thể, sự ăn mòn hơi silicon dẫn đến việc rơi xỉ và nứt sản phẩm, cuối cùng dẫn đến hỏng sản phẩm.
Để nâng cao hơn nữa khả năng chống ăn mòn hơi silicon của ống cách điện composite C/C-sic, các nhà nghiên cứu đã đưa các sản phẩm ống cách điện composite C/C-sic đã chuẩn bị vào lò phản ứng hơi hóa học và chuẩn bị lớp phủ silicon carbide dày đặc trên bề mặt các sản phẩm ống cách điện composite C/C-sic bằng quy trình lắng đọng hơi hóa học. Kết quả cho thấy, quy trình này có thể ức chế hiệu quả sự ăn mòn của sợi carbon trên lõi của composite C/C-sic bằng hơi silicon và khả năng chống ăn mòn của hơi silicon tăng từ 5 đến 10 lần so với composite carbon/carbon và tuổi thọ của xi lanh cách điện và độ an toàn của môi trường trường nhiệt được cải thiện đáng kể.
2. Kết luận và triển vọng
Lớp phủ silicon carbideđược sử dụng ngày càng rộng rãi trong vật liệu trường nhiệt cacbon/cacbon vì khả năng chống oxy hóa tuyệt vời ở nhiệt độ cao. Với quy mô ngày càng tăng của vật liệu trường nhiệt cacbon/cacbon được sử dụng trong sản xuất silicon đơn tinh thể, làm thế nào để cải thiện tính đồng nhất của lớp phủ silicon carbide trên bề mặt vật liệu trường nhiệt và cải thiện tuổi thọ của vật liệu trường nhiệt cacbon/cacbon đã trở thành một vấn đề cấp bách cần được giải quyết.
Mặt khác, với sự phát triển của ngành công nghiệp silicon đơn tinh thể, nhu cầu về vật liệu trường nhiệt carbon/carbon có độ tinh khiết cao cũng đang tăng lên và các sợi nano SiC cũng được phát triển trên các sợi carbon bên trong trong quá trình phản ứng. Tốc độ phá hủy khối lượng và tốc độ phá hủy tuyến tính của vật liệu composite C/C-ZRC và C/C-sic ZrC được chế tạo bằng các thí nghiệm lần lượt là -0,32 mg/giây và 2,57 μm/giây. Tốc độ phá hủy khối lượng và tốc độ phá hủy đường của vật liệu composite C/C-sic -ZrC lần lượt là -0,24mg/giây và 1,66 μm/giây. Vật liệu composite C/C-ZRC có sợi nano SiC có đặc tính phá hủy tốt hơn. Sau đó, chúng tôi sẽ nghiên cứu tác động của các nguồn carbon khác nhau đến sự phát triển của sợi nano SiC và cơ chế của sợi nano SiC tăng cường đặc tính phá hủy của vật liệu composite C/C-ZRC.
Một nồi nấu composite carbon/carbon phủ composite được chế tạo bằng quy trình thẩm thấu hơi hóa học và phản ứng tại chỗ. Lớp phủ composite bao gồm lớp phủ silicon carbide (100~300μm), lớp phủ silicon (10~20μm) và lớp phủ silicon nitride (50~100μm), có thể ức chế hiệu quả sự ăn mòn của hơi silicon trên bề mặt bên trong của nồi nấu composite carbon/carbon. Trong quá trình sản xuất, lượng thất thoát của nồi nấu composite carbon/carbon phủ composite là 0,04 mm cho mỗi lò và tuổi thọ có thể đạt tới 180 lần nung.
Thời gian đăng: 22-02-2024