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        石墨材料在工業及半導體、光伏產業領域的應用

        2018-10-6 14:05:57 868

        石墨在工業領域的廣泛應用

        石墨有廣闊的應用市場,它在許多工業領域中得到應用。

        碳-石墨的應用領域例:鋼鐵工業、有色金屬工業、高溫技術、汽車工業、賽車/賽艇用品、體育裝備、工業織物、航天航空、衛星技術、防御技術、海事技術、能源工業、太陽能技術、發電技術、核技術、化學工業、環境保護、制藥技術、化肥工業、機械工程、工藝設備、密封技術、工具制造、塑料、玻璃陶瓷、造紙、建筑技術、家用電器、電子工業、半導體技術、電工技術、醫用工業、測量和試驗工業。

        碳-石墨的應用產品例:石墨電極、陰極塊、爐襯、碳電極、電子半導體用碳石墨、工業用碳石墨、高溫用碳石墨、汽車機械用碳石墨、電工用石墨、防腐工藝技術、碳纖維、剎車片、工業復合材料、航空航天復合材料、燃料電池組件、天然膨脹石墨。

        高科技產業發展為高附加值的優質高純石墨產品帶來了市場發展的機遇。石墨材料在高速、耐磨、防腐、節能、超小型等高科技應用領域中又有了新的應用。有關統計資料預測,目前我國每年還大量的進口氟化石墨、高分子石墨復合材料、高分子石墨復合材料中添加劑石墨微粉(如著色劑、強化劑、導電劑)、導電用石墨、潤滑脂等。特別是半導體材料的發展、新能源(如太陽電池)的發展都在制造過程中需求石墨制品。目前在電子工程用的許多石墨制品還需要大量的依靠國外供應。這些市場的需求,導致石墨近年來進口大幅的增加。這無疑是石墨工業經濟發展的良機,也是石墨企業開拓新市場的重大機遇。

        目前在電子產品應用市場中,需求呼聲最高的一類石墨制品是具有高強度、高密度、高純度(含碳量在99.99%以上)的石墨制品(簡稱為“三高石墨”)。三高石墨屬于“特種石墨”,它很大部分的產品是人造碳-石墨為原料而制成的,其工藝方法很大部分采用等靜壓工藝法,生產出的產品為各向同性石墨。例如,應用于半導體生產的直拉單晶硅爐熱場中的特種石墨,就是絕大多數多采用高純細顆粒的等靜壓各向同性石墨制成的。

        石墨在半導體、光伏產業領域的應用

        1.應用市場發展擴大的過程

        半導體的發展與石墨材料在半導體工業中的應用是分不開的。在半導體工業中,直拉單晶爐的加熱系統大量采用高純石墨材料。還在半導體硅片加工(包括區熔、外延、外形加工等)中作為輔助工具、部件;在半導體硅片用多晶硅材料的生產中為輔助工具、部件。電子工程用石墨制品,首先是實現在半導體工業中得到應用。進入21世紀,光伏產業得到了迅速的發展,太陽能電池用多晶硅錠材料在產量與市場上都出現了突飛猛進的增大,這也給石墨制品在光伏產業領域提供了一個發展前景廣闊的新市場。太陽能電池硅片所需要的重要原材料鑄錠多晶硅,在其生產裝置鑄錠爐中開始大量的采用高純、優質的石墨材料。

        2.石墨制品的半導體應用市場概況

        直拉單晶爐內使用的石墨部件是一類易耗件,它由各種高純石墨加工而成。例如其中的石墨坩堝及其他石墨部件采用了高純細顆粒結構石墨;石墨加熱器采用了高純各向同性石墨;石墨保溫罩和石墨蓋板采用高純中顆粒結構的石墨。

        3.石墨制品的太陽電池應用市場概況

        在生產鑄錠多晶硅設備上,多個組件是需要石墨材料。特別是鑄錠爐加熱器中使用的加熱材料----高純石墨,以及所用的隔熱材料---高純碳氈隔熱材料,都是目前鑄錠多晶硅設備重要的、必不可少的配套材料。

        由于鑄錠爐加熱器的加熱溫度很高(超過1600℃),它的加熱材料又要求不能與硅料反應、不對硅料造成污染,可長期在真空及惰性氣氛中使用。符合使用條件可供選擇的加熱器有金屬鎢、鉬和非金屬石墨等。由于鎢、鉬價格昂貴,加工困難,而石墨來源廣泛,可加工成各種形狀。另外,石墨具有熱慣性小、可以快速加熱,耐高溫、耐熱沖擊性好,輻射面積大、加熱效率高、且基本性能穩定等特點。正因為如此,石墨材料已成為了鑄錠爐加熱器中首選的加熱材料。鑄錠爐加熱器對于隔熱材料有著嚴格的要求。它必須是耐高溫、密度低、導熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數小的材料。因此在眾多的耐火保溫材料中以高純碳氈最為理想。

        上述所舉例的兩類在半導體、光伏產業領域應用的石墨制品,幾年前還是主要是由國外全部進口(或者是由我國內地的外資企業提供)。但由于我國石墨行業、半導體材料行業、電子工業設備行業的共同努力,我國自行生產的這兩類石墨配套無論在制造技術上,還是在應用技術上都取得了巨大的進步,市場的格局也得到了很大的改變。這也給我國石墨行業在此方面開拓新市場提供了新機遇。但同時也需要看到,在我國大規格、高純各向同性石墨的市場在迅速增大的同時,我國在此方面的制造技術仍有不適應的方面,技術仍與國外先進國家有很大的差距。石墨制品作為微電子、光伏產業的重要基礎裝備材料,需要我國國內不斷在技術獲得進步,與半導體行業、光伏電池用硅材料制造行業加強合作,進一步投資發展為其配套的高檔石墨制品,是一件勢在必行的重要工作。

        4.碳-碳纖維復合材料在半導體、光伏產業領域的應用

        石墨制品在半導體、光伏產業領域應用就使用碳石墨類材料的類型來講,有關業界專家認為,可以將它所用類型分為三類,或說是三個發展的階段。第一類型為模壓(或擠壓、或振動)成型工藝法的石墨制品。這類石墨制品在半導體、光伏產業領域應用的碳石墨材料產品群中,現在占有很小的一部分。第二類型為等靜壓成型工藝法的各向同性高純石墨制品。在目前的半導體、光伏產業領域中它得到最廣泛的應用。它占世界整個半導體、光伏產業領域應用的石墨制品量的約有80%以上。第三類型為碳-碳纖維復合材料。這是一類在半導體、光伏產業領域應用中替代石墨材料的更新型的材料及制品。

        采用碳-碳纖維復合材料可以看作在半導體、光伏產業領域中作為加熱器、隔熱材料等上應用的第三階段,也是一個更高的技術發展階段。但是并不講目前使用的各向同性高純石墨制品就在以后被淘汰、全部被碳-碳纖維復合材料所替代。有關業界專家認為,今后在半導體、光伏產業領域中應用的兩類材料及制品誰也不能替代誰。預測在一、二十年以后,會發展成“各占半壁江山”的市場格局。

        碳-碳復合材料是炭纖維增強炭基體復合材料。它具有質量輕、耐燒蝕性好、抗熱沖擊性好、損傷容限高、高溫強度高、可設計性強等突出特點,因此,它在航天、航空、原子能等許多領域有較廣泛的應用。且復合材料可以通過選擇纖維的種類、結構、數量和基體前驅體以及工藝條件來制備符合特定用途所要求的性能和形狀,因此其應用范圍越來越廣泛,也越來越受到人們的重視。碳-碳復合材料強度遠遠大于石墨的,其尺寸穩定性好、耐沖擊、抗熱震性能好,其綜合機械性能優于石墨。該材料可以通過純化處理,使金屬雜質含量可控制在5ppm以下。

        用作半導體、光伏產業用碳-碳復合材料熱場產品,與傳統石墨產品比較,具有以下突出優點:

        (1) 可以大幅度延長產品使用壽命,減少更換部件的次數,從而提高設備的利用率,減少維修成本;

        (2) 與傳統石墨產品相比,可以做得更薄,從而可以利用現有設備生產尺寸更長、更大直徑的產品,可節約大量新設備投資費用,也使得其溫度場更均勻;

        (3) 由于其抗熱震性好,在反復高溫熱振條件下不易產生裂紋,從而避免了溫度場的變化;

        (4) 在拉制大直徑的產品時,傳統石墨熱場產品成型困難,而由于碳-碳復合材料具有優異的性能,目前國外拉制大直徑的產品時,較多地采用了碳-碳復合材料熱場產品;

        (5) 在直拉單晶爐采用碳-碳復合材料作為隔熱﹙熱屏﹚,由于它的保溫效果好,可比采用石墨材料節約一定的能耗﹙有的研究成果提出可節省20%電能﹚。

        根據中國電子材料行業協會的調研,盡管世界及我國在碳-碳復合材料替代在半導體、光伏產業用石墨制品上取得不小的進展,但它普遍還存在著如下的問題:

        (1) 制造成本目前還很高﹙一般是石墨制品的一倍,甚至更高些﹚。

        (2) 碳-碳纖維復合材料在制造中生產周期長,實現大批量生產速度低下。

        (3) 就國內的碳-碳纖維復合材料產品制造講,國內的碳纖維材料仍基本不能生產,需靠國外進口。

        (4) 由于制造半導體、光伏產業用碳-碳纖維復合材料研發、生產的歷史還很短,在工藝上的成熟程度不夠,因此某些項性能上仍有待提高。


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