C/C復(fù)合材料在光伏行業(yè)的應(yīng)用

楊素心|文

在光伏行業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高和價格激烈競爭的推動下，C/C復(fù)合材料以其高性價比和優(yōu)異的性能，在光伏設(shè)備熱場中取得一席之地。本文介紹了C/C復(fù)合材料的加工工藝流程、性能特點、在光伏行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及今后的發(fā)展趨勢。

C/C復(fù)合材料為何物

C/C復(fù)合材料是以碳纖維及其織物或碳?xì)衷鰪?qiáng)的碳基體復(fù)合材料，其制備工藝主要有兩種方法：化學(xué)氣相法（CVD或CVI）和液相浸漬-碳化法。前者是以有機(jī)低分子氣體為前驅(qū)體，后者是以熱塑性樹脂 （石油瀝青、煤瀝青、中間相瀝青）或熱固性樹脂（呋喃、糠醛、酚醛樹脂）為基體前驅(qū)體，這些原料在高溫下發(fā)生一系列復(fù)雜化學(xué)變化而轉(zhuǎn)化為基體碳。為了得到更好的致密化效果，通常將化學(xué)氣相法和液相浸漬-碳化法進(jìn)行復(fù)合致密化，得到具有理想密度的C/C復(fù)合材料。作為增強(qiáng)體的碳纖維、碳纖維織物或炭氈等是根據(jù)復(fù)合材料所制成構(gòu)件的使用要求確定的，同時要考慮到增強(qiáng)體與基體碳的界面結(jié)合。增強(qiáng)體可以是單向、二向、三向或多向，大多采用編織的方式制備，而在生產(chǎn)圓筒、圓錐或圓柱等構(gòu)件時需要采用計算機(jī)控制進(jìn)行編織。C/C復(fù)合材料的加工工藝流程如圖1所示。

C/C復(fù)合材料的低密度、高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，使其成為當(dāng)今1650℃以上應(yīng)用的少數(shù)備選材料，最高理論溫度高達(dá)2600℃，因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料之一。我國C/C復(fù)合材料目前已經(jīng)從軍用航空應(yīng)用往工業(yè)領(lǐng)域拓展。以博云新材為代表的C/C復(fù)合材料龍頭企業(yè)已經(jīng)成功地承擔(dān)了我國大飛機(jī)C919剎車系統(tǒng)的生產(chǎn)。C/C復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用空間隨著其優(yōu)異性能和性價比優(yōu)勢而逐步發(fā)展起來，高溫?zé)釄鲇肅/C復(fù)合材料、人工骨用C/C復(fù)合材料、低成本航空制動C/C復(fù)合材料、新型高能制動C/C復(fù)合材料等都屬新材料重點之一，而光伏、半導(dǎo)體行業(yè)和工業(yè)熱處理行業(yè)有望成為C/C復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的突破口。

圖1 C/C復(fù)合材料工藝流程圖

在光伏行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的高速增長及光伏業(yè)內(nèi)的成本壓力給C/C復(fù)合材料應(yīng)用帶來發(fā)展良機(jī)。2017年中國光伏裝機(jī)容量超過50GW，同比增長43%以上，而截至2017年底，我國多晶硅產(chǎn)量為24萬噸，同比增長23%，進(jìn)口量為15萬噸，同比增長6.4%。光伏行業(yè)競爭激烈，成本壓力顯著，C/C復(fù)合材料相比傳統(tǒng)石墨材料具有更優(yōu)異的保溫性能、更高的強(qiáng)度、更好的韌性，且不易破碎，可有效降低生產(chǎn)能耗、提升設(shè)備使用壽命，從而降低整個生產(chǎn)的成本。

C/C復(fù)合材料的可設(shè)計性很強(qiáng)，可以根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要編織出任意尺寸和形狀的增強(qiáng)體，其在光伏行業(yè)的應(yīng)用主要包括：多晶硅氫化爐用內(nèi)、外保溫筒、U型加熱器、保溫板，多晶硅鑄錠爐用蓋板、坩堝護(hù)板、坩堝底托、保溫板，直拉硅單晶爐（以下簡稱“單晶爐”）用坩堝、導(dǎo)流筒、發(fā)熱體、蓋板、底托、內(nèi)外保溫筒等。目前，光伏行業(yè)用的C/C復(fù)合材料保溫筒、發(fā)熱體、導(dǎo)流筒、坩堝等在中環(huán)光伏、西安隆基、保利協(xié)鑫、昱輝陽光等企業(yè)都有所應(yīng)用。

光伏行業(yè)用C/C復(fù)合材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已有9項，具體見表1。密度、灰分、導(dǎo)熱系數(shù)、抗彎/壓強(qiáng)度、尺寸及外觀質(zhì)量等是C/C復(fù)合材料常規(guī)的技術(shù)要求，因使用環(huán)境和功能不同，不同制品關(guān)注的主要技術(shù)指標(biāo)有所區(qū)別。如YS/T 792-2012中規(guī)定的單晶爐用坩堝的導(dǎo)熱系數(shù)平行方向大于60W/(m·K)、垂直方向大于35W/(m·K)，而YS/T 977-2014中規(guī)定的單晶爐用保溫筒的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)小于25W/(m·K)。

目前國內(nèi)民用領(lǐng)域C/C復(fù)合材料的生產(chǎn)企業(yè)主要有湖南金博碳素股份有限公司、西安超碼科技有限公司、航天睿特碳材料有限公司、煙臺凱泊復(fù)合材料科技有限公司、湖南南方搏云新材料有限責(zé)任公司、湖南金石新材料有限公司等，主要應(yīng)用集中在光伏（單/多晶硅制備熱場）和高溫?zé)崽幚韮纱箢I(lǐng)域。其中金博碳素已經(jīng)成為國內(nèi)C/C復(fù)合材料民用領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，其技術(shù)骨干來自中南大學(xué)粉末冶金研究院。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)單晶爐的數(shù)量已由2006年的800臺左右迅猛增加至現(xiàn)今的12000臺以上，多晶硅鑄錠爐6000臺以上，多晶硅制造過程的反應(yīng)爐、氫化爐等1000臺左右，而設(shè)備的熱場使用壽命都有限，C/C復(fù)合材料的高性價比和優(yōu)異性能使其仍然具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

表1 光伏行業(yè)用C/C復(fù)合材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)展趨勢分析

直拉硅單晶爐、多晶硅鑄錠爐是生產(chǎn)光伏行業(yè)硅材料的主要設(shè)備，其核心部件均為高純石墨材料。隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)石墨材料很難滿足直拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐生產(chǎn)設(shè)備的大型化需要，而C/C復(fù)合材料具有良好的熱物理性能，和石墨熱場材料相比，具有非常大的優(yōu)勢，C/C復(fù)合材料保溫件、結(jié)構(gòu)件和發(fā)熱體將是直拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐等光伏設(shè)備熱場材料的發(fā)展方向。

C/C復(fù)合材料自20世紀(jì)60年代發(fā)明以來，就受到軍事、航空航天、核能以及許多民用工業(yè)領(lǐng)域的極大關(guān)注。然而，由于C/C復(fù)合材料制造工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大，原材料價格昂貴，產(chǎn)品成本長期居高不下，其用途前期一直限制在一些工作條件苛刻的部位，以及其他材料不能替代的航空航天等軍事領(lǐng)域。在硅晶體產(chǎn)品迅速大型化的挑戰(zhàn)中，單晶硅棒的直徑愈來愈大，單晶爐熱場系統(tǒng)的部件隨之大型化，而高純大直徑的石墨材質(zhì)制造難度很大。C/C復(fù)合材料可采取近凈成形方式加工，用C/C復(fù)合材料制造熱場部件，性價比和成品率高，使用壽命長。在加工工藝方面，越是大尺寸的C/C復(fù)合材料產(chǎn)品，性價比越高，這是由于C/C復(fù)合材料是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要編織出一定尺寸和形狀的預(yù)制件，再通過一定的增密工藝（浸漬或氣相沉積）制造出所需產(chǎn)品。

從C/C復(fù)合材料理化性能上來說，在有氬氣、氦氣等惰性氣體保護(hù)的情況下，可以在2800℃的高溫下保持良好的性能，在真空條件下，也可以在2000℃的環(huán)境中保持良好理化性能。在強(qiáng)度方面，C/C復(fù)合材料比石墨高3倍以上，因此產(chǎn)品壽命非常長，在性價比方面比石墨材料有非常大的優(yōu)勢。針對C/C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和保溫件在使用過程中出現(xiàn)的氧化問題,可以采用碳化硅涂層技術(shù),來提高C/C復(fù)合材料的使用效果和壽命。通過選擇增強(qiáng)體的種類、控制基體碳的形式、調(diào)節(jié)碳纖維取向、熱處理溫度等加工工藝參數(shù)，可以獲得性能各異的C/C復(fù)合材料制品用作光伏設(shè)備的不同部件。

結(jié)束語

光伏行業(yè)是國家發(fā)展新能源的重要組成部分，其中，硅系電池占市場的主導(dǎo)地位，單晶硅和多晶硅是其光電轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)。綜合而言，無論是產(chǎn)品性能和使用成本，C/C復(fù)合材料熱場比石墨熱場更具有優(yōu)勢，在一段時間內(nèi)，大尺寸、低成本、高性能、長壽命的C/C復(fù)合材料熱場是發(fā)展的方向，而C/C復(fù)合材料制品在光伏行業(yè)的應(yīng)用，有利于企業(yè)減少投資成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。