直拉单晶硅炉或铸锭炉应用炭－炭(C/C)复合材料加热器的节能效果

湖南南方搏云新材料有限责任公司  蒋建纯

　　提要：阐述采用C/C复合材料制造间接加热电阻炉加热器的理论与实践。文章讨论了炭－炭复合材料的电性能与热性能及其基本参数。C/C复合材料含有数量10%左右的C14，在通电加热时，亚稳态的C14为粒子数反转提供了条件，从而产生“雪崩”现象；碳纤维的PAN链的螺旋结构和分子管棒状结构，造成了光子的自激震荡。另外，C/C复合材料的加热器与C/C复合材料工件之间产生光量子的自激辐射，也是热效率提高的一个原因。这就是实践中使用C/C复合材料加热器较石墨加热器节能30%以上的原因。
关键词：节能加热器，C-C复合材料，工业加热
 
1.引言
　　直拉硅单晶或硅晶体铸锭炉多用电阻炉。目前，大多是利用电流通过石墨加热器产生热量来加热或熔化硅料。石墨发热体结构简单，纯度高，对于炉料限制少，炉温控制精度高，适合于真空或控制惰性气氛中加热等特点。

2.间接加热硅晶体炉加热器的常用材料
　　电流通过炉内的电阻发热元件即加热器产生热量，借辐射、对流和传导传热传递给物料。采用不同的加热器可以达到不同的工作温度；电热体可以根据不同的配置和布置，得到炉内的温度分布。加热器是间接加热炉的发热元件，是炉子的核心组成部分。间接电热电阻炉的工作质量、能耗高低，在很大程度上取决于电加热器的正确选材和合理设计。加热器的基本要求主要有：加热器制造材料具有较高的耐热性，必须在炉子最高工作温度以上50度化学稳定，材料不氧化、不损坏；电阻率较高，较短的路径获得较大的电阻，具有较低的工作电流；加热器材料有合式的电阻－温度系数等。
　　加热器的材料主要有石墨、C/C等碳素材料，主要性能见表1。石墨加热器材料性脆、韧性差，多数只能做成简单的管棒等。

表1几种碳素电热材料的基本性能

3、C/C复合材料的电性能和热性能
3.1碳材料的电子性质
　　固体材料的电性质与固体中的能带结构相关。晶体中的电子在具有晶格周期性的等效势场中运动，波动方程的解为布洛赫函数。电子只能存在不同的能带区域，从内到外分别称为第一、第二、第三布里渊区。禁带宽度不大于0eV，固体为导体；禁带大于0，一般具有半导体性质。价带没有完全充满，固体具有空穴导电性质。无缺陷石墨能隙40eV。材料中的缺陷与杂质总是提高固体中载流子的密度，提高对电子的散射能力，因此，C/C材料一般为导体，具有较高的电阻加热效应。石墨和C/C复合材料的电阻温度修正系数，随温度的变化有较大的差异（表2）。

表2 石墨[2]和C/C复合材料的电阻温度修正系数