[发明专利]一种抗硅侵蚀粘连的碳／碳复合材料制品及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗硅侵蚀粘连的碳/碳复合材料制品及其制备方法，属于复合材料技术领域。 

技术背景

碳石墨是由碳元素构成的材料，具有良好的导电、导热、抗腐蚀、耐辐射、耐高低温等特性，特别是具有耐高温、化学性质稳定、不污染高纯半导体物料等突出优点。半导体的发展与碳石墨材料在半导体工业中的应用是分不开的。进入21世纪，光伏产业得到了迅速的发展，太阳能电池用多晶硅锭材料在产量与市场上都出现了突飞猛进的增大，这也给石墨制品在光伏产业领域提供了一个发展前景广阔的新应用。 

碳石墨制品在半导体、光伏产业领域应用就使用碳石墨类材料的类型来讲，分为三个发展的类型。第一类型为模压（或挤压、或振动）成型工艺法的石墨制品。这类石墨制品在半导体、光伏产业领域应用的碳石墨材料产品群中，现在占有很小的一部分。第二类型为等静压成型工艺法的各向同性高纯石墨制品。在目前的半导体、光伏产业领域中它得到最广泛的应用。它占世界整个半导体、光伏产业领域应用的石墨制品量的80%以上。第三类型为碳/碳纤维复合材料。这是一类在半导体、光伏产业领域应用中替代石墨材料的更新型的材料及制品。 

碳/碳复合材料是炭纤维增强炭基体复合材料。它具有质量轻、耐烧蚀性好、抗热冲击性好、损伤容限高、高温强度高、可设计性强等突出特点，因此，它在航天、航空、原子能等许多领域有较广泛的应用。且复合材料可以通过选择纤维的种类、结构、数量和基体前驱体以及工艺条件来制备符合特定用途所要求的性能和形状，因此其应用范围越来越广泛，也越来越受到人们的重视。碳/碳复合材料强度远远大于石墨的，其尺寸稳定性好、耐冲击、抗热震性能好，其综合机械性能优于石墨。该材料可以通过纯化处理，使金属杂质含量控制在5ppm以下。 

碳/碳复合材料的制备过程包括增强纤维及其织物的选择、基体碳先驱体的选择、C/C预制坯体的成型、碳基体的致密化以及最终产品的加工检测等。C/C复合材料的具体性能取决于若干因素：纤维种类、纤维含量、纤维排列、基体材料、纤维层的构成、致密程度、热处理以及性能改良等。 

用作半导体、光伏产业用碳-碳复合材料热场产品，与传统石墨产品比较，具有以下突出优点：﹙1﹚可以大幅度延长产品使用寿命，减少更换部件的次数，从而提高设备的利用 率，减少维修成本；﹙2﹚与传统石墨产品相比，可以做得更薄，从而可以利用现有设备生产尺寸更长、更大直径的产品，可节约大量新设备投资费用，也使得其温度场更均匀；﹙3﹚由于其抗热震性好，在反复高温热振条件下不易产生裂纹，从而避免了温度场的变化；﹙4﹚在拉制大直径的产品时，传统石墨热场产品成型困难，而由于碳/碳复合材料具有优异的性能，目前国外拉制大直径的产品时，较多地采用了碳-碳复合材料热场产品。 

尽管世界及我国在碳-碳复合材料替代在半导体、光伏产业用石墨制品上取得不小的进展，但它普遍还存在着如下的问题：﹙1﹚制造成本目前还很高﹙一般是石墨制品的一倍，甚至更高些﹚。﹙2﹚碳/碳纤维复合材料在制造中生产周期长，生产效率低。﹙3﹚由于制造半导体、光伏产业用碳-碳纤维复合材料研发、生产的历史还很短，在工艺上的成熟程度不够，因此某些项性能上仍有待提高。 

中国专利文献CN 102660768A（申请号201210166266.4）公开了一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺，该方法采用聚丙烯腈基碳纤维编制的预制体，以天然气、丙烯、石油液化气的混合气体为碳源，氮气或氩气为载气，在立罐式沉积炉形成的均温热场内，定时切换管路的上进气与下进气，利用坩埚内外气体的压力差，实现均温法、压差法、强制气流法相结合，实现坩埚坯体整体的快速致密化，坩埚在300至350小时后，密度可达到1.6g/cm³以上。该技术方案存在以下缺点：1密度不均匀，表层密度高，芯部密度低；2无保护层，不抗硅蒸汽侵蚀。 

中国专利文献CN 102731119A（申请号201210230689.8）公开了一种制备工艺简单、耐硅蒸汽侵蚀的碳/碳/碳化硅复合材料坩埚及制备方法，其特征是它通过对坩埚的碳纤维预制体采用化学气相渗透法对其进行热解碳和碳化硅交替增密或者热解碳和碳化硅混合增密后，再经机加工、纯化后制备而成，其密度为1.3g/㎝³～2.5g/㎝³，弯曲强度≥300MPa，断裂韧性≥15MPa·m^1/2。该技术方案存在以下缺点：1密度不均匀，表层密度高，芯部密度低；2碳化硅不是在纤维表面直接保护碳纤维或在坩埚表面直接保护坩埚，而是散布在基体之中，保护效率不高；3制备成本高。