直拉單晶硅爐或鑄錠爐應用炭－炭(C/C)復合材料加熱器的節能效果

湖南南方搏云新材料有限責任公司  蔣建純

　　提要：闡述采用C/C復合材料制造間接加熱電阻爐加熱器的理論與實踐。文章討論了炭－炭復合材料的電性能與熱性能及其基本參數。C/C復合材料含有數量10%左右的C14，在通電加熱時，亞穩態的C14為粒子數反轉提供了條件，從而產生“雪崩”現象；碳纖維的PAN鏈的螺旋結構和分子管棒狀結構，造成了光子的自激震蕩。另外，C/C復合材料的加熱器與C/C復合材料工件之間產生光量子的自激輻射，也是熱效率提高的一個原因。這就是實踐中使用C/C復合材料加熱器較石墨加熱器節能30%以上的原因。
關鍵詞：節能加熱器，C-C復合材料，工業加熱
 
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生熱量來加熱或熔化硅料。石墨發熱體結構簡單，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。

2.間接加熱硅晶體爐加熱器的常用材料
　　電流通過爐內的電阻發熱元件即加熱器產生熱量，借輻射、對流和傳導傳熱傳遞給物料。采用不同的加熱器可以達到不同的工作溫度；電熱體可以根據不同的配置和布置，得到爐內的溫度分布。加熱器是間接加熱爐的發熱元件，是爐子的核心組成部分。間接電熱電阻爐的工作質量、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計。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度化學穩定，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復合材料的電性能和熱性能
3.1碳材料的電子性質
　　固體材料的電性質與固體中的能帶結構相關。晶體中的電子在具有晶格周期性的等效勢場中運動，波動方程的解為布洛赫函數。電子只能存在不同的能帶區域，從內到外分別稱為第一、第二、第三布里淵區。禁帶寬度不大于0eV，固體為導體；禁帶大于0，一般具有半導體性質。價帶沒有完全充滿，固體具有空穴導電性質。無缺陷石墨能隙40eV。材料中的缺陷與雜質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材料一般為導體，具有較高的電阻加熱效應。石墨和C/C復合材料的電阻溫度修正系數，隨溫度的變化有較大的差異（表2）。

表2 石墨[2]和C/C復合材料的電阻溫度修正系數