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光伏行業的生產單晶硅的C/C熱場材料

單晶硅生長爐

生產單晶硅主要有Cz法和浮游帶區(Fz)法。圖1是Cz單晶硅爐的結構示意圖,在氬氣保護下,將多晶硅加熱到1500℃左右,使其熔融:由爐上部旋轉垂放晶籽(種)拉線,使其與熔融硅面接觸,并使熔融硅面保溫在1400℃左右,向上提拉晶籽而單晶硅也隨之逐步生成,一直生長到設計的尺寸,如15.24、20.32、25.4和30.48cm。由圖1可知,工作室內除了熔融硅和拉制的單晶硅外,熱場材料主要是高純石墨和C/C復合材料,如坩堝、發熱體、保溫筒等,以保證單晶硅制品的純度。


坩堝

拉制單晶硅采用組合式坩堝,外為C/C坩堝,內為石英坩堝。這是因為熔融硅的溫度與石英熔點相近,都在1420℃左右,石英坩堝在這溫度下處于軟化狀態,沒有承重能力,外部C/C坩堝是承重的主體。但是,熔融硅不能直接與C/C坩堝接觸,以防SiC的生成,因而采用了組合式坩堝。制造高純度C/C復合材料坩堝的流程很長,從原材料的選擇、準備、坯體的制造、增密、純化、熱處理等等, 生產工藝過程長。圖2中列出了坩堝制備的一般生產路線。根據使用要求選擇炭纖維, 預制成2-多維炭纖維多孔坯體;對坯體進行純化后進行增密;純化和高溫熱處理。材料制備過程中視情況可穿插安排多次純化和石墨化處理。根據材料性能要求, 可以只采用化學氣相沉積(CVI)增密工藝, 也可以采用CVI和浸漬復合增密工藝;例如:可以先浸漬樹脂或瀝青, 達到一定的密度后, 再對材料進行化學氣相沉積或化學氣相滲透;也可以先對坯體進行化學氣相沉積至一定的密度, 再進行浸漬增密。中間的炭化和高溫熱處理主要是為打開多孔坯體表面的氣道, 使坯體增密能繼續有效進行;純化處理則是除材料中的金屬雜質, 最終的高溫處理則主要是對材料進行組織結構的調整, 以保證材料的綜合使用性能。

C/C坩堝取代石墨坩堝是技術發展的必然趨勢。這是因為拉制單晶硅棒的直徑愈來愈大,隨之裝置大型化。例如,拉制30.48cm單晶硅棒,熱場范圍約為81.28cm,坩堝外徑約為?86cm,外圍加熱器為?100cm,其它的配套最大部件為?150cm。如此大直徑坩堝,用石墨材質制造難度很大,需用C/C工藝制造。此外,C/C復合材料的抗拉伸、抗壓縮和抗層間剪切強度比石墨高得多,可承受較大的應力,在高溫下不變形,保持原有形狀,使用壽命長。

單晶硅的拉制溫度為1450℃左右, 石英坩堝的熔點為1750℃, 但當溫度達到1200℃時即開始軟化, 主要靠外部的石墨或C/C復合材料坩堝支撐。


加熱器

在坩堝外圍是加熱元件,一部分電能使原料硅熔融,大部分電能用于熔融硅的保溫,是耗能裝置。隨著裝置大型化,加熱元件的尺寸隨之增大(?96~?100cm),需用抗拉伸強度和抗壓縮強度高的C/C制造。有C/C加熱型架和圓形加熱器,C/C加熱器也有方形的組件,其圓筒狀C/C發熱體可加熱到2500℃。我國湖南南方搏云新材料有限公司與中南大學合作研究大直徑(152cm) C/C整體加熱器和保溫筒。


其它部件

C/C復合材料還可以用來制造熱反射屏(筒)、上/下保溫蓋、防漏盤、螺栓、螺帽等配件,使熱場材料幾近石墨和C/C復合材料化。圖4是C/C復合材料制品和三明治結構的保溫筒。

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