一种耐硅元素腐蚀的硅晶炉

本发明涉及无机非金属基复合材料，具体涉及一种耐硅元素腐蚀的硅晶炉。

背景技术：

1、硅电池占市场的主导地位，单晶硅和多晶硅是其光电转化的物质基础。在晶硅的制备过程中，c/c复合材料因其高强度、低热膨胀系数、耐冲击、高模量、耐腐蚀等优良特点，成为晶硅炉(又称单晶硅炉)热场中的理想结构材料。在晶硅材料的实际生产过程中，由于温度较高，用来盛放硅料的石英坩埚以及熔化的硅料均会挥发产生大量的sio2和si蒸汽，这些气体与碳基的热场材料接触时容易硅化反应而产生腐蚀，这种腐蚀会对材料造成严重的损害,从而影响热场的稳定性，同时对晶硅炉设备造成安全隐患。

2、碳和硅之间在超过1150℃时便存在化学反应，单晶硅的生产温度在1450℃以上，在此条件下二者反应生成碳化硅的吉布斯自由能大约为-61kj，这意味着熔融硅液滴或硅蒸汽接触到碳素热场材料将即刻发生反应。其中，反应的化学方程式为：

3、c(s)+si(g)→sic(s)。

4、在这一环境条件下，sio2蒸汽与c/c埚帮发生反应，反应的化学方程式为：

5、3c(s)+sio2(g)→sic(s)+2co(s)

6、c(s)+sio2(g)→sio(g)+co(g)

7、其中生成的sio蒸汽也会黏附在热场材料表面，并且也会和碳素热场材料发生反应。反应的化学方程式为：

8、3c(s)+sio(g)→sic(s)+2co(s)。

技术实现思路

1、基于此，本发明提供了一种耐硅元素腐蚀的硅晶炉，以解决现有技术的硅晶炉在高温条件下生产晶硅材料时，其碳基热场材料会因硅化反应而产生腐蚀的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种耐硅元素腐蚀的硅晶炉，包括硅晶炉本体，所述硅晶炉本体的热结构材料为c/c复合材料，其特征在于，所述c/c复合材料的表面设有材质为硅酸锆的耐硅元素腐蚀涂层，该耐硅元素腐蚀涂层在c/c复合材料的表面通过以下方式制备：

3、将c/c复合材料放入喷砂机中，选取碳化硅颗粒、氧化铝颗粒、石英砂中的任意一种砂粒对c/c复合材料表面进行喷砂处理；然后选取造粒尺寸为400目～600目的硅酸锆为造粒团聚体，在c/c复合材料的表面采用大气等离子喷涂，以在c/c复合材料的表面形成耐硅元素腐蚀涂层。

4、作为本发明的进一步优选技术方案，所述耐硅元素腐蚀涂层的厚度为10-100um。

5、作为本发明的进一步优选技术方案，所述c/c复合材料的密度为1.4g/cm3～1.6g/cm3。

6、作为本发明的进一步优选技术方案，将c/c复合材料放入喷砂机之前还包括：

7、将切割好的c/c复合材料放入超声波清洗机中进行超声清洗，然后放入烘箱中烘干。

8、作为本发明的进一步优选技术方案，所述超声清洗的试剂为酒精、丙酮、水的任意一种；所述超声清洗的时间为5～20min；所述烘箱中的烘干时间为6h～18h。

9、作为本发明的进一步优选技术方案，喷砂处理所用砂粒的粒径为50目～80目；喷砂时间为3s～8s。

10、作为本发明的进一步优选技术方案，在大气等离子喷涂过程，所用电流为300a～450a，所用电压为75v～90v，所用氩气流量为30l/min～45l/min，所用氢气流量为5l/min～8l/min，所用喷枪与c/c复合材料的距离为10cm～15cm。

11、作为本发明的进一步优选技术方案，采用大气等离子喷涂的次数为1次，喷涂时间2s。

12、本发明的耐硅元素腐蚀的硅晶炉，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：

13、1)本发明的硅晶炉，其中作为热结构材料的c/c复合材料的表面设有材质为硅酸锆的耐硅元素腐蚀涂层，使得其具有良好的防硅腐蚀、防二氧化硅腐蚀和防一氧化硅腐蚀的效果，避免了热结构材料在高温条件下发生硅化反应而影响热场的稳定性，从而提高了硅晶炉的使用寿命；

14、2)本发明采用大气等离子喷涂法制备c/c表面的耐硅元素腐蚀涂层，工艺流程高效快捷、工艺可行性高，喷涂工艺参数可定量控制，工艺稳定，涂层重现性好，涂层质量高；

15、3)本发明的耐硅元素腐蚀涂层均匀、致密、连续，且防硅元素腐蚀性能优异，可显著提高c/c复合材料抗硅元素腐蚀性能；

16、4)本发明的耐硅元素腐蚀涂层所采用的硅酸锆为常见的化工原料，原材料廉价易得，成本低。

技术特征：

1.一种耐硅元素腐蚀的硅晶炉，包括硅晶炉本体，所述硅晶炉本体的热结构材料为c/c复合材料，其特征在于，所述c/c复合材料的表面设有材质为硅酸锆的耐硅元素腐蚀涂层，该耐硅元素腐蚀涂层在c/c复合材料的表面通过以下方式制备：

2.根据权利要求1所述的耐硅元素腐蚀的硅晶炉，其特征在于，所述耐硅元素腐蚀涂层的厚度为10-100um。

3.根据权利要求1所述的耐硅元素腐蚀的硅晶炉，其特征在于，所述c/c复合材料的密度为1.4g/cm3～1.6g/cm3。

4.根据权利要求1所述的耐硅元素腐蚀的硅晶炉，其特征在于，将c/c复合材料放入喷砂机之前还包括：

5.根据权利要求1所述的耐硅元素腐蚀的硅晶炉，其特征在于，所述超声清洗的试剂为酒精、丙酮、水的任意一种；所述超声清洗的时间为5～20min；所述烘箱中的烘干时间为6h～18h。

6.根据权利要求1所述的耐硅元素腐蚀的硅晶炉，其特征在于，喷砂处理所用砂粒的粒径为50目～80目；喷砂时间为3s～8s。

7.根据权利要求1所述的耐硅元素腐蚀的硅晶炉，其特征在于，在大气等离子喷涂过程，所用电流为300a～450a，所用电压为75v～90v，所用氩气流量为30l/min～45l/min，所用氢气流量为5l/min～8l/min，所用喷枪与c/c复合材料的距离为10cm～15cm。

8.根据权利要求1至7任一项所述的耐硅元素腐蚀的硅晶炉，其特征在于，采用大气等离子喷涂的次数为1次，喷涂时间2s。

技术总结一种耐硅元素腐蚀的硅晶炉，包括硅晶炉本体，硅晶炉本体的热结构材料为C/C复合材料，C/C复合材料的表面设有材质为硅酸锆的耐硅元素腐蚀涂层，该耐硅元素腐蚀涂层通过以下方式制备：将C/C复合材料放入喷砂机中，以砂粒为碳化硅颗粒、氧化铝颗粒、石英砂中的任意一种对C/C复合材料表面进行喷砂处理；选取硅酸锆为造粒团聚体，在C/C复合材料的表面采用大气等离子喷涂，形成耐硅元素腐蚀涂层。本发明的硅晶炉，其中作为热结构材料的C/C复合材料的表面设有材质为硅酸锆的耐硅元素腐蚀涂层，使得具有良好的防硅腐蚀、防二氧化硅腐蚀和防一氧化硅腐蚀的效果，避免了热结构材料在高温条件下发生硅化反应而影响热场的稳定性，提高了硅晶炉的使用寿命。技术研发人员：杨会永,于海江,黄军同,王连毅,罗瑞盈,陈智,李伟,王麓焱,王德腾受保护的技术使用者：南昌航空大学技术研发日：技术公布日：2024/5/19