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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(shù)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(shù)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(gè)類(lèi)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(chē)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(zhǎng)設(shè)備的熱場(chǎng)材料、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)耐燒蝕組件、半導(dǎo)體鑄錠爐、飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)、汽車(chē)剎車(chē)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(guò)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(guó)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(shì)，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(guò)單一氣源熱裂解技術(shù)取得基體碳，并通過(guò)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(guò)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(guò)程需要重復(fù)多個(gè)沉積周期。

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（3）把經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(lèi)分為瀝青浸漬炭化工藝和樹(shù)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(zhǎng)，成本高；樹(shù)脂低壓浸漬炭化工藝由于設(shè)備簡(jiǎn)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(chǎng)系統(tǒng)部件材料主要采用國(guó)外進(jìn)口的高純、高強(qiáng)等靜壓石墨。石墨熱場(chǎng)系統(tǒng)產(chǎn)品具有成本高、供貨周期長(zhǎng)、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(chǎng)快速發(fā)展到現(xiàn)在的 26 英 寸和 28 英寸熱場(chǎng)，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(chǎng)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(guó)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(chǎng)系統(tǒng)中對(duì)石墨材料部件的升級(jí)換代，目前主要應(yīng)用于單晶拉制爐和多晶鑄錠爐的熱場(chǎng)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(chǎng)系統(tǒng)



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碳碳復(fù)合材料就是替代熱場(chǎng)系統(tǒng)的石墨材料，可替代部件見(jiàn)下表。

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碳碳復(fù)合材料和石墨材料對(duì)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(chǎng)產(chǎn)品作為晶體生長(zhǎng)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(chǎng)產(chǎn)品性價(jià)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(huì)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(lái)的雜質(zhì)或石墨降解形成的顆粒會(huì)污染硅熔體，影響晶體品質(zhì)。

4、 傳統(tǒng)石墨熱場(chǎng)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(zhǎng)，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(zhǎng)，且需要氯氣或氟利昂純化。同時(shí)，從高性能熱場(chǎng)材料的發(fā)展趨勢(shì)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(chǎng)系統(tǒng)向安全、高效、大型化發(fā)展的趨勢(shì)，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(lèi)復(fù)合材料，其特點(diǎn)是斷裂韌性較高，同時(shí)具備良好的耐腐蝕性、耐摩擦性。光伏用的炭/炭熱場(chǎng)材料產(chǎn)品經(jīng)過(guò)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(zhǎng)、綜合性價(jià)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(guò)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(chǎng)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(duì)于石墨而言，無(wú)余料浪費(fèi)，優(yōu)勢(shì)較為明顯；同時(shí)，炭炭復(fù)合材料具有功能可設(shè)計(jì)性，通過(guò)制備高、中、低不同密度的炭/炭熱場(chǎng)材料制品，用以匹配晶體硅生長(zhǎng)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(chǎng)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(guó)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(zhǎng)速度

碳碳復(fù)合材料增長(zhǎng)速度=光伏發(fā)展速度+石墨替代速度，行業(yè)高速增長(zhǎng)。

光伏行業(yè)晶硅生產(chǎn)熱場(chǎng)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(chǎng)容量

全行業(yè)目前的銷(xiāo)售額大概在8-10個(gè)億，然后每年高速增長(zhǎng)。

光伏用炭炭熱場(chǎng)材料細(xì)分市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)情況
國(guó)內(nèi)炭炭復(fù)合材料在光伏行業(yè)熱場(chǎng)材料的應(yīng)用整體起步較晚。過(guò)去大直徑工業(yè)爐用的炭炭熱場(chǎng)材料主要被國(guó)外幾家公司所壟斷，包括德國(guó)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(chǎng)材料國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)了一批具備炭炭熱場(chǎng)材料生產(chǎn)能力的企業(yè)，競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)，現(xiàn)已全面占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并有少量出口。目前國(guó)內(nèi)從事研制光伏用炭炭熱場(chǎng)材料競(jìng)爭(zhēng)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。