光伏行業的新熱場材料
本文主要概述了單晶硅爐熱場材料的發展概況，以及石墨熱場材料與C/C熱場材料的性能比較。并指出，隨著產量的提高和生產設備的大型化，C/C復合熱場材料將是今后光伏熱場材料的重點發展方向。
2.3 保溫筒
保溫筒在加熱器的外圍，以防熱場能向外散發。現代保溫筒為硬質(剛性)炭氈制造，更為先進的保溫筒采用蜂窩結構，提高了隔熱和保溫效果。同時，裝填或維修方便，且使用壽命長。如果采用通用的軟性炭氈作為隔熱保溫材料，雖然造價較低，但裝填或維修十分不便，且污染環境。保溫筒可整體成型，也可分段成型后再組合，如圖3所示。分段組合式保溫筒不僅制造成本低，而且使用后哪段損壞換哪段，可降低成本。
由圖1可知，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(ø96～ø100cm)，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。
2.5 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。
3.生產單晶硅的石墨熱場材料
3.1 石墨熱場材料的性能
石墨熔點極高，在真空下到3000℃時才開始軟化，到3600℃時石墨開始蒸發升華；石墨的導熱性和導電性相當高，其導電性比不銹鋼高4倍，比碳素鋼高2倍，比一般的非金屬高100倍。導熱性超過鋼、鐵、鋁等金屬材料，且隨溫度升高導熱系數降低，這和一般金屬材料不同；在極高的溫度下，石墨趨于絕熱狀態，因此，在高溫條件下，石墨被用來作隔熱材料。石墨還具有良好的化學穩定性，能耐酸、耐堿、耐有機溶劑的腐蝕。在直拉單晶爐中，熱場部件除保溫氈外，其余幾乎全部用高純、高強、高密度石墨制造。但石墨材料脆性大，在交變熱應力和電磁力作用下容易產生裂紋。在加熱器上的微裂紋改變了零件的電性能和熱傳導性能，致使硅融體的溫度難于精確控制；石英坩堝與石墨坩堝、多晶硅熔體的熱不匹配。石英坩堝在高溫下產生塑性變形，在高溫下緊貼石墨坩堝；石英坩堝內的殘余液體表面先冷卻，芯部后冷卻，多晶硅冷卻時尺寸膨脹，這些都使石墨坩堝受到較大的拉應力作用。在反復的開爐、停爐、加熱冷卻過程中，石墨坩堝將很快產生裂紋并導致破損，這樣就大大縮短了石墨坩堝的使用壽命。拉制的單晶棒直徑越大，問題越嚴重。隨著信息產業的發展，石墨制成的熱場零部件存在一定的局限性。
3.2 熱場內石墨材料的相關反應
單晶爐內引起反應的化學元素及化合物有Si（單晶硅原料）、SiO2（ 石英坩堝）、C（石墨部件）。因此，爐內存在的氣體有：
1) Si蒸氣
2) Si與石英坩堝反應而生成的SiO氣體
Si（L）+ SiO2（S）→2SiO（g） （1）
3) 石墨坩堝與石英坩堝反應而生成的SiO、CO氣體
SiO2（S）+ C（S）→2SiO（g）+ CO（g） （2）
SiO（g）+ 2C（S）→SiC（S）+ CO（g） （3）
（1）對坩堝的影響
坩堝的內側面，由于上述（2）、（3）式氧化反應，分瓣面附近R（圓角）部分發生消耗，其厚度變薄。
同時，由于（3）式的影響，內側面發生體積膨脹，引起坩堝變形，分瓣面上部開裂。坩堝的外側面，由于Si蒸氣或SiO氣體而發生Si蒸氣的凝結（下面簡稱蒸結），并出現SiC涂層。但是，SiC生成的厚度比內側面薄。
（2）對加熱器的影響
發熱部分的上半部正對著坩堝，溫度較高，由于與SiO氣體的反應引起消耗，厚度及寬度變小。發熱體的下部分溫度較低，有Si蒸結及生成碳化硅現象。
（3）對保溫筒的影響
保溫筒內側面與SiO氣體反應，生成SiC，使體積膨脹，可能發生變形、開裂現象。溫度低的時候，內側面有Si蒸結現象。
作者：許鵬 戴開瑛 張治軍 來源：《太陽能發電》雜志 責任編輯：wutongyufg
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