碳碳(tan)復(fu)合(he)材料

炭纖(xian)維復(fu)合(he)材料是(shi)以碳纖(xian)維或(huo)碳纖(xian)維織(zhi)物為增強(qiang)體，以樹(shu)脂、碳(tan)質(zhi)、金屬、陶瓷、水(shui)泥(ni)、橡(xiang)膠等為基(ji)體所形(xing)成(cheng)的復(fu)合(he)材料。根(gen)據基(ji)體材料的不(bu)同，碳(tan)纖(xian)維復(fu)合(he)材料主要分(fen)為碳纖(xian)維增強(qiang)樹(shu)脂基(ji)復(fu)合(he)材料、碳纖(xian)維增強(qiang)炭基(ji)復(fu)合(he)材料（炭炭復(fu)合(he)材料）、碳纖(xian)維增強(qiang)金屬基(ji)復(fu)合(he)材料、碳纖(xian)維增強(qiang)陶(tao)瓷基(ji)復(fu)合(he)材料、碳纖(xian)維增強(qiang)橡(xiang)膠復(fu)合(he)材料等。

炭炭復(fu)合(he)材料是(shi)碳纖(xian)維復(fu)合(he)材料的其(qi)中壹(yi)個類別(bie)，具(ju)有(you)低(di)密(mi)度、高強(qiang)度(du)、高比(bi)模量、高(gao)導(dao)熱(re)性(xing)、低膨脹系數(shu)、摩擦(ca)性(xing)能好，以及抗熱(re)沖擊(ji)性(xing)能好、尺寸(cun)穩定(ding)性(xing)高等優點，是(shi)目前 3000℃以上(shang)仍保(bao)有(you)結構強(qiang)度(du)的唯壹材料，其最(zui)高(gao)理(li)論使(shi)用(yong)溫度高達3500℃。炭炭復(fu)合(he)材料由(you)於(yu)其獨(du)特的性(xing)能，已(yi)廣(guang)泛應(ying)用(yong)於航空航天(tian)、汽(qi)車(che)工(gong)業(ye)、醫學(xue)、光伏及半(ban)導體等領域，如光伏晶體矽生長(chang)設備的熱(re)場(chang)材料、火(huo)箭發(fa)動機耐燒蝕(shi)組件(jian)、半(ban)導體鑄錠爐、飛(fei)機(ji)剎車(che)盤、汽(qi)車(che)剎車(che)片及(ji)人造(zao)骨(gu)骼等。

碳碳復(fu)合(he)材料的應(ying)用(yong)領域

碳(tan)碳(tan)復(fu)合(he)材料工(gong)藝(yi)流(liu)程
第壹(yi)步(bu)：碳纖(xian)維經(jing)過織(zhi)布(bu)、成(cheng)網(wang)、準三維成(cheng)型、復(fu)合(he)針(zhen)刺(ci)等技(ji)術，形(xing)成(cheng)碳纖(xian)維預(yu)制體（毛坯(pi)）。

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第(di)二步(bu)致密(mi)化

目前，我(wo)國炭炭復(fu)合(he)材料產品的致(zhi)密(mi)化工(gong)藝(yi)主要包(bao)括化學(xue)氣(qi)相沈積(ji)工(gong)藝(yi)、液(ye)態(tai)聚(ju)合(he)物(wu)浸(jin)漬(zi)炭化工(gong)藝(yi)以(yi)及(ji)這兩種方法的綜合(he)使(shi)用(yong)。

1、化學(xue)氣(qi)相沈積(ji)法

化(hua)學(xue)氣(qi)相沈積(ji)法利(li)用(yong)甲烷、丙(bing)烯等碳氫(qing)化合(he)物(wu)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)熱(re)解產生(sheng)的碳(tan)沈積(ji)在(zai)碳纖(xian)維預(yu)制體孔隙(xi)內(nei)，實(shi)現碳纖(xian)維預(yu)制體的致(zhi)密(mi)化，從(cong)而得(de)到碳(tan)/碳(tan)復(fu)合(he)材料。

化學(xue)氣(qi)相沈積(ji)工(gong)藝(yi)包(bao)括等溫化學(xue)氣(qi)相沈積(ji)工(gong)藝(yi)和(he)熱梯度(du)化(hua)學(xue)氣(qi)相沈積(ji)工(gong)藝(yi)等，其中，等溫化學(xue)氣(qi)相沈積(ji)工(gong)藝(yi)由(you)於(yu)具有(you)工(gong)藝(yi)可(ke)控，設備尺寸(cun)較(jiao)大等優勢，因(yin)此成(cheng)為制備先(xian)進(jin)碳(tan)基(ji)復(fu)合(he)材料的首選(xuan)方法；而(er)熱梯度(du)化(hua)學(xue)氣(qi)相沈積(ji)工(gong)藝(yi)由(you)於(yu)工(gong)藝(yi)特殊(shu)性(xing)，設備尺寸(cun)小，不適合(he)炭炭復(fu)合(he)材料產品的工(gong)業(ye)化生(sheng)產。

金博(bo)股(gu)份(fen)的氣(qi)相沈積(ji)法

通(tong)過單壹氣(qi)源熱(re)裂解技(ji)術取得(de)基(ji)體碳，並(bing)通(tong)過快(kuai)速(su)化(hua)學(xue)氣(qi)相沈積(ji)技(ji)術形(xing)成(cheng)碳/碳(tan)復(fu)合(he)材料。

（1）甲烷(wan)經(jing)過高溫裂解，分(fen)解(jie)出(chu)碳(tan)和(he)氫(qing)。

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（2）碳沈(chen)積(ji)附(fu)著於(yu)預(yu)制體中的碳(tan)纖(xian)維上(shang)，形(xing)成(cheng)碳/碳(tan)復(fu)合(he)材料，該工(gong)藝(yi)過程需要重(zhong)復(fu)多(duo)個沈積(ji)周(zhou)期。

圖(tu)片(pian)

（3）把(ba)經(jing)過重(zhong)復(fu)多(duo)次(ci)化(hua)學(xue)氣(qi)相沈積(ji)的碳(tan)/碳復(fu)合(he)材料在 2200 度(du)以(yi)上的高(gao)溫中(zhong)純(chun)化(hua)和(he)石墨(mo)化，使(shi)產(chan)品性(xing)能達到使(shi)用(yong)要求。

2、液相浸漬(zi)法

液(ye)相浸漬(zi)法將碳(tan)纖(xian)維預(yu)制體浸入(ru)液(ye)態浸漬(zi)劑(ji)中(zhong)，通(tong)過真(zhen)空、加壓等措(cuo)施(shi)使(shi)浸(jin)漬(zi)劑(ji)滲入預(yu)制體的孔(kong)隙，再經固(gu)化(hua)、碳(tan)化(hua)、石(shi)墨(mo)化等壹系列(lie)處理(li)過程，最終(zhong)得(de)到碳(tan)碳(tan)復(fu)合(he)材料。

液態(tai)聚(ju)合(he)物(wu)浸(jin)漬(zi)炭化工(gong)藝(yi)按(an)照(zhao)聚合(he)物(wu)種類分(fen)為瀝青(qing)浸漬(zi)炭化工(gong)藝(yi)和(he)樹(shu)脂浸(jin)漬(zi)炭化工(gong)藝(yi)；按(an)照(zhao)壓力大小分為低壓(ya)炭化工(gong)藝(yi)和(he)高壓(ya)浸漬(zi)炭化工(gong)藝(yi)。壹(yi)般(ban)瀝青(qing)高壓(ya)浸(jin)漬(zi)炭化工(gong)藝(yi)主要用(yong)於制備高密(mi)度的炭炭復(fu)合(he)材料產品，周期長，成(cheng)本(ben)高(gao)；樹(shu)脂低(di)壓(ya)浸(jin)漬(zi)炭化工(gong)藝(yi)由(you)於(yu)設備簡(jian)單(dan)，工(gong)藝(yi)可(ke)控等特點(dian)適合(he)炭/炭復(fu)合(he)材料產品 的工(gong)業(ye)化生(sheng)產。

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中天(tian)火(huo)箭的工(gong)藝(yi)流(liu)程



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金博(bo)股(gu)份(fen)的工(gong)藝(yi)流(liu)程

光伏行業(ye)應(ying)用(yong)：（本文只(zhi)講光伏行業(ye)的應(ying)用(yong)）
光伏行業(ye)發展(zhan)前期，其(qi)單晶(jing)拉制爐(lu)、多(duo)晶(jing)鑄錠爐熱(re)場(chang)系統(tong)部(bu)件(jian)材料主要采(cai)用(yong)國外(wai)進(jin)口(kou)的高(gao)純、高(gao)強(qiang)等靜壓(ya)石(shi)墨(mo)。石墨(mo)熱場(chang)系統(tong)產(chan)品具有(you)成(cheng)本(ben)高、供貨周期(qi)長(chang)、依賴進(jin)口(kou)等特點(dian)，阻(zu)礙了光伏行業(ye)降成本、擴(kuo)規模的發(fa)展進(jin)程，特別(bie)是(shi)隨著單(dan)晶矽拉制(zhi)爐的容(rong)量快(kuai)速(su)擴(kuo)大，其(qi)已(yi)經(jing)從(cong) 2011 年左(zuo)右的 16 英(ying)寸(cun)~20 英(ying)寸(cun)（1 英(ying)寸(cun)=25.4mm）熱(re)場(chang)快(kuai)速(su)發(fa)展到現在的 26 英(ying) 寸(cun)和(he) 28 英寸(cun)熱(re)場(chang)，而等靜壓(ya)石(shi)墨(mo)作(zuo)為由(you)石(shi)墨(mo)顆(ke)粒壓制成(cheng)型的脆(cui)性(xing)材料，已(yi)經(jing)在(zai)安(an)全性(xing)方面(mian)不能適應(ying)大熱(re)場(chang)的使(shi)用(yong)要求，在經濟(ji)性(xing)方面(mian)也已(yi)經(jing)落(luo)後(hou)於碳(tan)基(ji)復(fu)合(he)材。

隨(sui)著(zhe)國(guo)內(nei)先(xian)進(jin)碳(tan)基(ji)復(fu)合(he)材料制備技(ji)術的發(fa)展，先(xian)進(jin)碳(tan)基(ji)復(fu)合(he)材料成為降低矽晶體制備成本(ben)、提高(gao)矽晶體質(zhi)量的最(zui)優選(xuan)擇，正(zheng)逐(zhu)步(bu)形(xing)成(cheng)在晶(jing)矽制造(zao)熱(re)場(chang)系統(tong)中(zhong)對(dui)石墨(mo)材料部(bu)件(jian)的升級(ji)換代，目前主要應(ying)用(yong)於單晶拉制(zhi)爐(lu)和(he)多(duo)晶(jing)鑄錠爐的熱(re)場(chang)材料，圖中(zhong)虛(xu)線(xian)框(kuang)部(bu)分。

圖(tu)片(pian)

我(wo)們先(xian)了解(jie)壹下(xia)單(dan)晶拉制(zhi)爐(lu)和(he)多(duo)晶(jing)鑄錠爐

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單晶(jing)拉制爐熱場(chang)系統(tong)



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碳(tan)碳(tan)復(fu)合(he)材料就(jiu)是(shi)替代熱場(chang)系統(tong)的石(shi)墨(mo)材料，可替代部(bu)件(jian)見(jian)下(xia)表(biao)。

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碳(tan)碳復(fu)合(he)材料和(he)石墨(mo)材料對(dui)比(bi)

光伏行業(ye)早期(qi)以及現階段的壹(yi)些中(zhong)小矽片生(sheng)產商(shang)，大多(duo)采(cai)用(yong)石墨(mo)材料構成的熱(re)場(chang)產品作(zuo)為晶體生長(chang)爐(lu)爐體的保(bao)溫材料。石墨(mo)熔(rong)點高，導(dao)熱(re)性(xing)和(he)導電(dian)性(xing)高，並(bing)且(qie)具有(you)良(liang)好的化(hua)學(xue)穩定(ding)性(xing)，耐酸、耐堿、耐有(you)機(ji)溶(rong)劑(ji)的腐蝕(shi)，因此在(zai)高溫條(tiao)件(jian)下(xia)被(bei)廣(guang)泛用(yong)作(zuo)隔(ge)熱(re)保(bao)溫材料。隨著(zhe)直(zhi)拉爐尺寸(cun)的不(bu)斷(duan)增大，以(yi)批(pi)料加工(gong)模式生產(chan)的石(shi)墨(mo)熱場(chang)產品性(xing)價(jia)比(bi)不(bu)斷(duan)降低。

石墨(mo)材料的缺(que)點：

1、 在(zai)反(fan)復(fu)高(gao)溫熱震(zhen)下(xia)易(yi)產生(sheng)裂紋，容(rong)易(yi)導致(zhi)部(bu)件(jian)破(po)損(sun)，安(an)全性(xing)差。

2、 裂紋會(hui)改(gai)變(bian)零(ling)件(jian)的電(dian)性(xing)能和(he)熱傳(chuan)導(dao)性(xing)能，導致(zhi)難(nan)以精(jing)確(que)控制矽融(rong)體的溫(wen)度，進(jin)而(er)直接(jie)影(ying)響(xiang)拉(la)制單晶矽和(he)成品單晶矽的品質(zhi)優劣。

3、 從(cong)石墨(mo)件(jian)中(zhong)揮(hui)發(fa)出(chu)來的雜(za)質(zhi)或石(shi)墨(mo)降解形(xing)成(cheng)的顆(ke)粒會(hui)汙(wu)染(ran)矽熔(rong)體，影響(xiang)晶(jing)體品質(zhi)。

4、 傳(chuan)統(tong)石(shi)墨(mo)熱場(chang)材料成型困(kun)難(nan)，而(er)且(qie)純度(du)要求高，制備成本(ben)高昂(ang)，制(zhi)備周期(qi)、交貨周期(qi)長(chang)，阻(zu)礙了光伏行業(ye)的降本進(jin)程。

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靜壓(ya)石(shi)墨(mo)坩堝(guo)產品工(gong)藝(yi)路線(xian)圖

等靜壓(ya)石(shi)墨(mo)坩堝(guo)生產環節(jie)較多(duo)，產(chan)品生產周期(qi)較(jiao)長(chang)，且(qie)需要氯(lv)氣(qi)或(huo)氟(fu)利(li)昂(ang)純(chun)化。同時，從(cong)高性(xing)能熱場(chang)材料的發(fa)展趨(qu)勢(shi)看(kan)，由(you)於(yu)等靜壓(ya)石(shi)墨(mo)坩堝(guo)單壹的性(xing)能特點(dian)，強(qiang)度(du)不足(zu)以保(bao)證(zheng)產(chan)品安全，結構和(he)性(xing)能不可(ke)調(tiao)，已(yi)經(jing)不(bu)能適應(ying)熱(re)場(chang)系統(tong)向(xiang)安(an)全、高效(xiao)、大型化(hua)發(fa)展的趨(qu)勢，將逐(zhu)步(bu)被先(xian)進(jin)碳(tan)基(ji)復(fu)合(he)材料替代。

先(xian)進(jin)碳(tan)基(ji)復(fu)合(he)材料的優點：

1、炭炭復(fu)合(he)材料是(shi)碳纖(xian)維增強(qiang)炭基(ji)體的壹(yi)類復(fu)合(he)材料，其特點(dian)是(shi)斷(duan)裂韌性(xing)較高，同時具備良(liang)好的耐腐蝕(shi)性(xing)、耐摩擦(ca)性(xing)。光伏用(yong)的炭/炭熱場(chang)材料產品經過1800℃-2000℃的高(gao)溫熱(re)處理(li)，具備良(liang)好的耐熱沖擊(ji)性(xing)，與石墨(mo)相比(bi)，性(xing)能更優異、壽命更(geng)長(chang)、綜合(he)性(xing)價(jia)比(bi)更(geng)高，減少更(geng)換部(bu)件(jian)的次(ci)數(shu)，從(cong)而提(ti)高(gao)設(she)備利用(yong)率，減少維(wei)護(hu)成(cheng)本。

2、可(ke)以(yi)做(zuo)得(de)更薄，從(cong)而可(ke)利(li)用(yong)現有(you)設(she)備生產(chan)直徑(jing)更(geng)大的單(dan)晶產(chan)品，節約(yue)新設(she)備投資費用(yong)。

3、安全性(xing)高，在反(fan)復(fu)高(gao)溫熱震(zhen)下(xia)不(bu)易(yi)產生(sheng)裂紋。

4、炭炭復(fu)合(he)材料具有(you)結構可設計性(xing)，通過預(yu)制體結構設計和(he)致密(mi)化工(gong)藝(yi)可(ke)以(yi)制(zhi)備不同(tong)尺寸(cun)和(he)形(xing)狀(zhuang)的炭炭熱場(chang)材料制品。而石墨(mo)需要先(xian)制備實(shi)心坯(pi)料，再進(jin)行(xing)機械加工(gong)後(hou)形(xing)成(cheng)最終(zhong)產品。因此，炭炭復(fu)合(he)材料相對(dui)於石(shi)墨(mo)而言(yan)，無(wu)余料浪(lang)費，優勢較(jiao)為明顯；同(tong)時，炭炭復(fu)合(he)材料具有(you)功能可設(she)計性(xing)，通過制備高、中(zhong)、低不(bu)同(tong)密(mi)度的炭/炭熱場(chang)材料制品，用(yong)以匹(pi)配(pei)晶體矽生長(chang)加熱、隔(ge)熱、承(cheng)載(zai)等不同功能需求，該特性(xing)可以有(you)效(xiao)降低單晶(jing)矽的生(sheng)產能源消耗(hao)。

炭炭熱場(chang)材料有(you)效(xiao)降低了單(dan)晶矽片的生(sheng)產成(cheng)本(ben)和(he)能源消耗(hao)，促(cu)進(jin)了(le)我(wo)國光伏行業(ye)的快(kuai)速(su)健康(kang)發展(zhan)。

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碳碳(tan)復(fu)合(he)材料在光伏行業(ye)的應(ying)用(yong)前景(jing)
1、行業(ye)增長(chang)速度(du)

碳碳(tan)復(fu)合(he)材料增長(chang)速度(du)=光伏發展(zhan)速度+石墨(mo)替代速度，行業(ye)高速(su)增長(chang)。

光伏行業(ye)晶矽生產(chan)熱場(chang)材料等靜壓(ya)石(shi)墨(mo)和(he)碳基(ji)復(fu)合(he)材料產品占(zhan)比(bi)估算(suan)

圖(tu)片(pian)

2、市(shi)場(chang)容量

全行業(ye)目前的銷售(shou)額(e)大概(gai)在(zai)8-10個億，然(ran)後(hou)每(mei)年高(gao)速增長(chang)。

光伏用(yong)炭炭熱場(chang)材料細分(fen)市(shi)場(chang)的競(jing)爭(zheng)情況(kuang)
國內(nei)炭炭復(fu)合(he)材料在光伏行業(ye)熱場(chang)材料的應(ying)用(yong)整(zheng)體起(qi)步(bu)較晚(wan)。過去(qu)大直(zhi)徑(jing)工(gong)業(ye)爐用(yong)的炭炭熱場(chang)材料主要被(bei)國外(wai)幾(ji)家(jia)公(gong)司(si)所壟斷(duan)，包括德國(guo)的西(xi)格(ge)裏(li)集團(tuan)公(gong)司(si)，日(ri)本(ben)的東(dong)海碳(tan)素(su)公(gong)司(si)等。隨著炭炭熱場(chang)材料國產(chan)化(hua)進(jin)程的推(tui)進(jin)，國(guo)內湧現了壹批(pi)具備炭炭熱場(chang)材料生產(chan)能力的企(qi)業(ye)，競爭(zheng)力不(bu)斷(duan)增強(qiang)，現已(yi)全面(mian)占(zhan)領(ling)國(guo)內市(shi)場(chang)，並(bing)有(you)少量出(chu)口(kou)。目前國內(nei)從(cong)事研制光伏用(yong)炭炭熱場(chang)材料競爭(zheng)實(shi)力較(jiao)強(qiang)的企(qi)業(ye)主要有(you)湖(hu)南(nan)金博(bo)碳(tan)素(su)、中(zhong)天(tian)火(huo)箭、湖(hu)南(nan)南(nan)方(fang)搏雲等。