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碳碳復(fù)合材料
炭纖維復(fù)合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強(qiáng)體，以樹脂、碳質(zhì)、金屬、陶瓷、水泥、橡膠等為基體所形成的復(fù)合材料。根據(jù)基體材料的不同，碳纖維復(fù)合材料主要分為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)炭基復(fù)合材料（炭炭復(fù)合材料）、碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料等。
炭炭復(fù)合材料是碳纖維復(fù)合材料的其中一個類別，具有低密度、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，是目前 3000℃以上仍保有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的唯一材料，其最高理論使用溫度高達(dá)3500℃。炭炭復(fù)合材料由于其獨(dú)特的性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)學(xué)、光伏及半導(dǎo)體等領(lǐng)域，如光伏晶體硅生長設(shè)備的熱場材料、火箭發(fā)動機(jī)耐燒蝕組件、半導(dǎo)體鑄錠爐、飛機(jī)剎車盤、汽車剎車片及人造骨骼等。
碳碳復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域
碳碳復(fù)合材料工藝流程
第一步：碳纖維經(jīng)過織布、成網(wǎng)、準(zhǔn)三維成型、復(fù)合針刺等技術(shù)，形成碳纖維預(yù)制體（毛坯）。
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第二步致密化
目前，我國炭炭復(fù)合材料產(chǎn)品的致密化工藝主要包括化學(xué)氣相沉積工藝、液態(tài)聚合物浸漬炭化工藝以及這兩種方法的綜合使用。
1、化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法利用甲烷、丙烯等碳?xì)浠衔镌诟邷叵聼峤猱a(chǎn)生的碳沉積在碳纖維預(yù)制體孔隙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)碳纖維預(yù)制體的致密化，從而得到碳/碳復(fù)合材料。
化學(xué)氣相沉積工藝包括等溫化學(xué)氣相沉積工藝和熱梯度化學(xué)氣相沉積工藝等，其中，等溫化學(xué)氣相沉積工藝由于具有工藝可控，設(shè)備尺寸較大等優(yōu)勢，因此成為制備先進(jìn)碳基復(fù)合材料的首選方法；而熱梯度化學(xué)氣相沉積工藝由于工藝特殊性，設(shè)備尺寸小，不適合炭炭復(fù)合材料產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。
金博股份的氣相沉積法
通過單一氣源熱裂解技術(shù)取得基體碳，并通過快速化學(xué)氣相沉積技術(shù)形成碳/碳復(fù)合材料。
（1）甲烷經(jīng)過高溫裂解，分解出碳和氫。
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（2）碳沉積附著于預(yù)制體中的碳纖維上，形成碳/碳復(fù)合材料，該工藝過程需要重復(fù)多個沉積周期。
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（3）把經(jīng)過重復(fù)多次化學(xué)氣相沉積的碳/碳復(fù)合材料在 2200 度以上的高溫中純化和石墨化，使產(chǎn)品性能達(dá)到使用要求。
2、液相浸漬法
液相浸漬法將碳纖維預(yù)制體浸入液態(tài)浸漬劑中，通過真空、加壓等措施使浸漬劑滲入預(yù)制體的孔隙，再經(jīng)固化、碳化、石墨化等一系列處理過程，最終得到碳碳復(fù)合材料。
液態(tài)聚合物浸漬炭化工藝按照聚合物種類分為瀝青浸漬炭化工藝和樹脂浸漬炭化工藝；按照壓力大小分為低壓炭化工藝和高壓浸漬炭化工藝。一般瀝青高壓浸漬炭化工藝主要用于制備高密度的炭炭復(fù)合材料產(chǎn)品，周期長，成本高；樹脂低壓浸漬炭化工藝由于設(shè)備簡單，工藝可控等特點(diǎn)適合炭/炭復(fù)合材料產(chǎn)品 的工業(yè)化生產(chǎn)。
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中天火箭的工藝流程
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金博股份的工藝流程
光伏行業(yè)應(yīng)用：（本文只講光伏行業(yè)的應(yīng)用）
光伏行業(yè)發(fā)展前期，其單晶拉制爐、多晶鑄錠爐熱場系統(tǒng)部件材料主要采用國外進(jìn)口的高純、高強(qiáng)等靜壓石墨。石墨熱場系統(tǒng)產(chǎn)品具有成本高、供貨周期長、依賴進(jìn)口等特點(diǎn)，阻礙了光伏行業(yè)降成本、擴(kuò)規(guī)模的發(fā)展進(jìn)程，特別是隨著單晶硅拉制爐的容量快速擴(kuò)大，其已經(jīng)從 2011 年左右的 16 英寸~20 英寸（1 英寸=25.4mm）熱場快速發(fā)展到現(xiàn)在的 26 英 寸和 28 英寸熱場，而等靜壓石墨作為由石墨顆粒壓制成型的脆性材料，已經(jīng)在安全性方面不能適應(yīng)大熱場的使用要求，在經(jīng)濟(jì)性方面也已經(jīng)落后于碳基復(fù)合材。
隨著國內(nèi)先進(jìn)碳基復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)碳基復(fù)合材料成為降低硅晶體制備成本、提高硅晶體質(zhì)量的最優(yōu)選擇，正逐步形成在晶硅制造熱場系統(tǒng)中對石墨材料部件的升級換代，目前主要應(yīng)用于單晶拉制爐和多晶鑄錠爐的熱場材料，圖中虛線框部分。
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我們先了解一下單晶拉制爐和多晶鑄錠爐
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單晶拉制爐熱場系統(tǒng)
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碳碳復(fù)合材料就是替代熱場系統(tǒng)的石墨材料，可替代部件見下表。
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碳碳復(fù)合材料和石墨材料對比
光伏行業(yè)早期以及現(xiàn)階段的一些中小硅片生產(chǎn)商，大多采用石墨材料構(gòu)成的熱場產(chǎn)品作為晶體生長爐爐體的保溫材料。石墨熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性高，并且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑的腐蝕，因此在高溫條件下被廣泛用作隔熱保溫材料。隨著直拉爐尺寸的不斷增大，以批料加工模式生產(chǎn)的石墨熱場產(chǎn)品性價比不斷降低。
石墨材料的缺點(diǎn)：
1、 在反復(fù)高溫?zé)嵴鹣乱桩a(chǎn)生裂紋，容易導(dǎo)致部件破損，安全性差。
2、 裂紋會改變零件的電性能和熱傳導(dǎo)性能，導(dǎo)致難以精確控制硅融體的溫度，進(jìn)而直接影響拉制單晶硅和成品單晶硅的品質(zhì)優(yōu)劣。
3、 從石墨件中揮發(fā)出來的雜質(zhì)或石墨降解形成的顆粒會污染硅熔體，影響晶體品質(zhì)。
4、 傳統(tǒng)石墨熱場材料成型困難，而且純度要求高，制備成本高昂，制備周期、交貨周期長，阻礙了光伏行業(yè)的降本進(jìn)程。
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靜壓石墨坩堝產(chǎn)品工藝路線圖
等靜壓石墨坩堝生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，產(chǎn)品生產(chǎn)周期較長，且需要氯氣或氟利昂純化。同時，從高性能熱場材料的發(fā)展趨勢看，由于等靜壓石墨坩堝單一的性能特點(diǎn)，強(qiáng)度不足以保證產(chǎn)品安全，結(jié)構(gòu)和性能不可調(diào)，已經(jīng)不能適應(yīng)熱場系統(tǒng)向安全、高效、大型化發(fā)展的趨勢，將逐步被先進(jìn)碳基復(fù)合材料替代。
先進(jìn)碳基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)：
1、炭炭復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)炭基體的一類復(fù)合材料，其特點(diǎn)是斷裂韌性較高，同時具備良好的耐腐蝕性、耐摩擦性。光伏用的炭/炭熱場材料產(chǎn)品經(jīng)過1800℃-2000℃的高溫?zé)崽幚?，具備良好的耐熱沖擊性，與石墨相比，性能更優(yōu)異、壽命更長、綜合性價比更高，減少更換部件的次數(shù)，從而提高設(shè)備利用率，減少維護(hù)成本。
2、可以做得更薄，從而可利用現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)直徑更大的單晶產(chǎn)品，節(jié)約新設(shè)備投資費(fèi)用。
3、安全性高，在反復(fù)高溫?zé)嵴鹣虏灰桩a(chǎn)生裂紋。
4、炭炭復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，通過預(yù)制體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和致密化工藝可以制備不同尺寸和形狀的炭炭熱場材料制品。而石墨需要先制備實(shí)心坯料，再進(jìn)行機(jī)械加工后形成最終產(chǎn)品。因此，炭炭復(fù)合材料相對于石墨而言，無余料浪費(fèi)，優(yōu)勢較為明顯；同時，炭炭復(fù)合材料具有功能可設(shè)計(jì)性，通過制備高、中、低不同密度的炭/炭熱場材料制品，用以匹配晶體硅生長加熱、隔熱、承載等不同功能需求，該特性可以有效降低單晶硅的生產(chǎn)能源消耗。
炭炭熱場材料有效降低了單晶硅片的生產(chǎn)成本和能源消耗，促進(jìn)了我國光伏行業(yè)的快速健康發(fā)展。
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碳碳復(fù)合材料在光伏行業(yè)的應(yīng)用前景
1、行業(yè)增長速度
碳碳復(fù)合材料增長速度=光伏發(fā)展速度+石墨替代速度，行業(yè)高速增長。
光伏行業(yè)晶硅生產(chǎn)熱場材料等靜壓石墨和碳基復(fù)合材料產(chǎn)品占比估算
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2、市場容量
全行業(yè)目前的銷售額大概在8-10個億，然后每年高速增長。
光伏用炭炭熱場材料細(xì)分市場的競爭情況
國內(nèi)炭炭復(fù)合材料在光伏行業(yè)熱場材料的應(yīng)用整體起步較晚。過去大直徑工業(yè)爐用的炭炭熱場材料主要被國外幾家公司所壟斷，包括德國的西格里集團(tuán)公司，日本的東海碳素公司等。隨著炭炭熱場材料國產(chǎn)化進(jìn)程的推進(jìn)，國內(nèi)涌現(xiàn)了一批具備炭炭熱場材料生產(chǎn)能力的企業(yè)，競爭力不斷增強(qiáng)，現(xiàn)已全面占領(lǐng)國內(nèi)市場，并有少量出口。目前國內(nèi)從事研制光伏用炭炭熱場材料競爭實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)主要有湖南金博碳素、中天火箭、湖南南方搏云等。
