直拉單晶硅爐或鑄錠爐應(yīng)用炭－炭(C/C)復(fù)合材料加熱器的節(jié)能效果

湖南南方搏云新材料有限責(zé)任公司  蔣建純

　　提要：闡述采用C/C復(fù)合材料制造間接加熱電阻爐加熱器的理論與實(shí)踐。文章討論了炭－炭復(fù)合材料的電性能與熱性能及其基本參數(shù)。C/C復(fù)合材料含有數(shù)量10%左右的C14，在通電加熱時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的C14為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供了條件，從而產(chǎn)生“雪崩”現(xiàn)象；碳纖維的PAN鏈的螺旋結(jié)構(gòu)和分子管棒狀結(jié)構(gòu)，造成了光子的自激震蕩。另外，C/C復(fù)合材料的加熱器與C/C復(fù)合材料工件之間產(chǎn)生光量子的自激輻射，也是熱效率提高的一個(gè)原因。這就是實(shí)踐中使用C/C復(fù)合材料加熱器較石墨加熱器節(jié)能30%以上的原因。
關(guān)鍵詞：節(jié)能加熱器，C-C復(fù)合材料，工業(yè)加熱
 
1.引言
　　直拉硅單晶或硅晶體鑄錠爐多用電阻爐。目前，大多是利用電流通過石墨加熱器產(chǎn)生熱量來加熱或熔化硅料。石墨發(fā)熱體結(jié)構(gòu)簡單，純度高，對于爐料限制少，爐溫控制精度高，適合于真空或控制惰性氣氛中加熱等特點(diǎn)。

2.間接加熱硅晶體爐加熱器的常用材料
　　電流通過爐內(nèi)的電阻發(fā)熱元件即加熱器產(chǎn)生熱量，借輻射、對流和傳導(dǎo)傳熱傳遞給物料。采用不同的加熱器可以達(dá)到不同的工作溫度；電熱體可以根據(jù)不同的配置和布置，得到爐內(nèi)的溫度分布。加熱器是間接加熱爐的發(fā)熱元件，是爐子的核心組成部分。間接電熱電阻爐的工作質(zhì)量、能耗高低，在很大程度上取決于電加熱器的正確選材和合理設(shè)計(jì)。加熱器的基本要求主要有：加熱器制造材料具有較高的耐熱性，必須在爐子最高工作溫度以上50度化學(xué)穩(wěn)定，材料不氧化、不損壞；電阻率較高，較短的路徑獲得較大的電阻，具有較低的工作電流；加熱器材料有合式的電阻－溫度系數(shù)等。
　　加熱器的材料主要有石墨、C/C等碳素材料，主要性能見表1。石墨加熱器材料性脆、韌性差，多數(shù)只能做成簡單的管棒等。

表1幾種碳素電熱材料的基本性能

3、C/C復(fù)合材料的電性能和熱性能
3.1碳材料的電子性質(zhì)
　　固體材料的電性質(zhì)與固體中的能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)。晶體中的電子在具有晶格周期性的等效勢場中運(yùn)動(dòng)，波動(dòng)方程的解為布洛赫函數(shù)。電子只能存在不同的能帶區(qū)域，從內(nèi)到外分別稱為第一、第二、第三布里淵區(qū)。禁帶寬度不大于0eV，固體為導(dǎo)體；禁帶大于0，一般具有半導(dǎo)體性質(zhì)。價(jià)帶沒有完全充滿，固體具有空穴導(dǎo)電性質(zhì)。無缺陷石墨能隙40eV。材料中的缺陷與雜質(zhì)總是提高固體中載流子的密度，提高對電子的散射能力，因此，C/C材料一般為導(dǎo)體，具有較高的電阻加熱效應(yīng)。石墨和C/C復(fù)合材料的電阻溫度修正系數(shù)，隨溫度的變化有較大的差異（表2）。

表2 石墨[2]和C/C復(fù)合材料的電阻溫度修正系數(shù)