晶硅炉热场用碳材料在硅蒸汽中的腐蚀行为研究

doi:10.15541/jim20160512

无机材料学报 ›› 2017, Vol. 32 ›› Issue (7): 744-750.DOI: 10.15541/jim20160512

晶硅炉热场用碳材料在硅蒸汽中的腐蚀行为研究

施伟^1,2, 谭毅^1,2, 郝建洁^1,2, 李佳艳^1,2

(1. 大连理工大学材料科学与工程学院, 大连116024; 2. 辽宁省太阳能光伏系统重点实验室, 大连 116024)

收稿日期:2016-09-14 修回日期:2016-10-24 出版日期:2017-07-20 网络出版日期:2017-06-23
作者简介:施伟(1986–), 男, 博士研究生. E-mail: wshi0703@163.com
基金资助:
高等学校博士学科点专项科研基金(20130041110004);国家自然科学基金重点项目(51574057);中央高校基本科研业务费专项基金(DUT15QY07)

Corrosion Behavior of Carbon Materials Used in Crystalline Silicon Furnace in Silicon Vapor

SHI Wei^1,2, TAN Yi^1,2, HAO Jian-Jie^1,2, LI Jia-Yan^1,2

(1. School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Key Laboratory for Solar Energy Photovoltaic System of Liaoning Province, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Received:2016-09-14 Revised:2016-10-24 Published:2017-07-20 Online:2017-06-23
About author:SHI Wei. E-mail: wshi0703@163.com
Supported by:
Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education(20130041110004);National Natural Science Foundation of China (51574057);Fundamental Research Funds for the Central Universities (DUT15QY07)

摘要/Abstract

摘要：

对晶硅炉热场用三种碳材料(石墨、C/C复合材料、硬质碳毡)在不同腐蚀条件下进行了硅蒸汽腐蚀实验, 研究了不同碳材料的硅化腐蚀行为。结果表明: 三种材料的结构组成不同, 导致三种碳材料在高温环境下与硅蒸汽发生硅化腐蚀的程度不同, 硅蒸汽主要通过材料的孔洞以及缺陷扩散进入材料内部进行腐蚀, 腐蚀造成材料表面产生大量的裂纹, 并且会造成C/C复合材料以及硬质碳毡材料内部严重的破坏。材料中碳纤维的存在方式以及纤维强度对硅化腐蚀程度有较大影响, C/C复合材料中的腐蚀主要是碳基体和碳纤维的剥离以及碳纤维的缩颈、劈裂等; 而由强度较差的短碳纤维为主要组成的硬质碳毡材料的腐蚀最严重, 其内部碳纤维出现了明显的碎断、粉化。腐蚀参数对材料硅化腐蚀的程度具有较大影响, 随着腐蚀温度的升高以及腐蚀时间的延长, 三种碳材料的硅化腐蚀程度均增加。

关键词: 碳材料, 硅化, 腐蚀行为, 腐蚀参数

Abstract:

The experimental of silicon vapor corrosion under different corrosion conditions were carried out on different carbon materials (graphite, C/C, rigid carbon fiber felt (RCFF)), which were used as thermal field materials in silicon crystal growth furnace. The silicification corrosion behavior of the three carbon materials was studied. The results showed that the three carbon materials are easily corroded by silicon vapor at elevated temperature. The composition and microstructure of the three carbon materials have great influence on silicification corrosion behavior. Silicon vapor can infiltrate into interior of the carbon materials by pores and flaws, and then react with substrates to cause corrosion. After silicification corrosion, many cracks are observed on the surface of the three carbon materials, and the carbon fibers are severely destroyed in C/C composites and RCFF. Silicification corrosion level is affected by the form and strength of carbon fibers in C/C composites and RCFF. The corrosion of carbon fiber is necking and cleavage cracking for carbon fiber woven with high strength in C/C composites, while that is fragmenting and pulverizing for short carbon fiber with poor strength in RCFF. The corrosion parameters also have significant influence on degree of silicification corrosion. With the corrosion temperature increasing or corrosion time extending, the silicification corrosion degree for these carbon materials are all increased.

Key words: carbon materials, silicification, corrosion behavior, corrosion parameters

中图分类号:

TB332

施伟, 谭毅, 郝建洁, 李佳艳. 晶硅炉热场用碳材料在硅蒸汽中的腐蚀行为研究[J]. 无机材料学报, 2017, 32(7): 744-750.

SHI Wei, TAN Yi, HAO Jian-Jie, LI Jia-Yan. Corrosion Behavior of Carbon Materials Used in Crystalline Silicon Furnace in Silicon Vapor[J]. Journal of Inorganic Materials, 2017, 32(7): 744-750.

图/表 10

图1 三种碳材料的表面宏观及微观形貌

Fig. 1 Macro- and micro-morphologies of three carbon materials(a)-(c) Graphite; (d)-(f) C/C composite; (g)-(i) Rigid carbon fiber felt

表1 三种碳材料的参数指标

Table 1 Properties of three carbon materials

Carbon materials	Density / (g·cm^-3)	Flexural strength /MPa	Compressive strength /MPa
Graphite	1.80	39.2	-
C/C	1.40	78.3	-
RCFF	0.18	1.5	0.35*

图2 三种碳材料在腐蚀后的表面宏观形貌

Fig. 2 Macro morphologies of three carbon materials after corrosion

图3 C/C复合材料表面SiC纳米线的XRD图谱以及微观形貌

Fig. 3 XRD pattern and microstructure of SiC nanowires on the surface of C/C composites

图4 三种碳材料硅化腐蚀后的典型形貌特征

Fig. 4 Typical morphology characteristics of three carbon materials after silicification corrosion(a)-(d) Graphite; (e)-(h) C/C composites; (i)-(l) Rigid carbon fiber felt

图5 三种碳材料在不同温度下腐蚀后的微观形貌

Fig. 5 Microstructures of three carbon materials after corrosion at different temperatures

图6 三种碳材料在不同温度下的腐蚀深度

Fig. 6 Corrosion depth of three carbon materials at different temperatures

图7 不同温度下硅的饱和蒸汽压曲线

Fig. 7 Saturation vapor pressure of silicon with different evaporation temperatures

图8 三种碳材料在1600℃腐蚀不同时间的微观形貌

Fig. 8 Microstructures of three carbon materials corroded at 1600℃ for different corrosion time(a)-(c) 1 h; (d)-(f) 5 h; (g)-(i) 10 h

图9 三种碳材料在1600℃腐蚀不同时间的腐蚀深度

Fig. 9 Corrosion depth of three carbon materials corroded for different corrosion times

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晶硅炉热场用碳材料在硅蒸汽中的腐蚀行为研究

Corrosion Behavior of Carbon Materials Used in Crystalline Silicon Furnace in Silicon Vapor

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