C/C復合材料在光伏行業的應用

楊素心|文

在光伏行業對產品質量要求的提高和價格激烈競爭的推動下，C/C復合材料以其高性價比和優異的性能，在光伏設備熱場中取得一席之地。本文介紹了C/C復合材料的加工工藝流程、性能特點、在光伏行業的應用現狀以及今后的發展趨勢。

C/C復合材料為何物

C/C復合材料是以碳纖維及其織物或碳氈增強的碳基體復合材料，其制備工藝主要有兩種方法：化學氣相法（CVD或CVI）和液相浸漬-碳化法。前者是以有機低分子氣體為前驅體，后者是以熱塑性樹脂 （石油瀝青、煤瀝青、中間相瀝青）或熱固性樹脂（呋喃、糠醛、酚醛樹脂）為基體前驅體，這些原料在高溫下發生一系列復雜化學變化而轉化為基體碳。為了得到更好的致密化效果，通常將化學氣相法和液相浸漬-碳化法進行復合致密化，得到具有理想密度的C/C復合材料。作為增強體的碳纖維、碳纖維織物或炭氈等是根據復合材料所制成構件的使用要求確定的，同時要考慮到增強體與基體碳的界面結合。增強體可以是單向、二向、三向或多向，大多采用編織的方式制備，而在生產圓筒、圓錐或圓柱等構件時需要采用計算機控制進行編織。C/C復合材料的加工工藝流程如圖1所示。

C/C復合材料的低密度、高強度、高導熱性、低膨脹系數，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩定性高等優點，使其成為當今1650℃以上應用的少數備選材料，最高理論溫度高達2600℃，因此被認為是最有發展前途的高溫材料之一。我國C/C復合材料目前已經從軍用航空應用往工業領域拓展。以博云新材為代表的C/C復合材料龍頭企業已經成功地承擔了我國大飛機C919剎車系統的生產。C/C復合材料在工業領域的應用空間隨著其優異性能和性價比優勢而逐步發展起來，高溫熱場用C/C復合材料、人工骨用C/C復合材料、低成本航空制動C/C復合材料、新型高能制動C/C復合材料等都屬新材料重點之一，而光伏、半導體行業和工業熱處理行業有望成為C/C復合材料大規模應用的突破口。

圖1 C/C復合材料工藝流程圖

在光伏行業的應用現狀

我國光伏發電裝機規模的高速增長及光伏業內的成本壓力給C/C復合材料應用帶來發展良機。2017年中國光伏裝機容量超過50GW，同比增長43%以上，而截至2017年底，我國多晶硅產量為24萬噸，同比增長23%，進口量為15萬噸，同比增長6.4%。光伏行業競爭激烈，成本壓力顯著，C/C復合材料相比傳統石墨材料具有更優異的保溫性能、更高的強度、更好的韌性，且不易破碎，可有效降低生產能耗、提升設備使用壽命，從而降低整個生產的成本。

C/C復合材料的可設計性很強，可以根據產品結構需要編織出任意尺寸和形狀的增強體，其在光伏行業的應用主要包括：多晶硅氫化爐用內、外保溫筒、U型加熱器、保溫板，多晶硅鑄錠爐用蓋板、坩堝護板、坩堝底托、保溫板，直拉硅單晶爐（以下簡稱“單晶爐”）用坩堝、導流筒、發熱體、蓋板、底托、內外保溫筒等。目前，光伏行業用的C/C復合材料保溫筒、發熱體、導流筒、坩堝等在中環光伏、西安隆基、保利協鑫、昱輝陽光等企業都有所應用。

光伏行業用C/C復合材料相關標準已有9項，具體見表1。密度、灰分、導熱系數、抗彎/壓強度、尺寸及外觀質量等是C/C復合材料常規的技術要求，因使用環境和功能不同，不同制品關注的主要技術指標有所區別。如YS/T 792-2012中規定的單晶爐用坩堝的導熱系數平行方向大于60W/(m·K)、垂直方向大于35W/(m·K)，而YS/T 977-2014中規定的單晶爐用保溫筒的導熱系數應小于25W/(m·K)。

目前國內民用領域C/C復合材料的生產企業主要有湖南金博碳素股份有限公司、西安超碼科技有限公司、航天睿特碳材料有限公司、煙臺凱泊復合材料科技有限公司、湖南南方搏云新材料有限責任公司、湖南金石新材料有限公司等，主要應用集中在光伏（單/多晶硅制備熱場）和高溫熱處理兩大領域。其中金博碳素已經成為國內C/C復合材料民用領域的龍頭企業，其技術骨干來自中南大學粉末冶金研究院。據不完全統計，目前國內單晶爐的數量已由2006年的800臺左右迅猛增加至現今的12000臺以上，多晶硅鑄錠爐6000臺以上，多晶硅制造過程的反應爐、氫化爐等1000臺左右，而設備的熱場使用壽命都有限，C/C復合材料的高性價比和優異性能使其仍然具有廣闊的市場應用前景。

表1 光伏行業用C/C復合材料相關標準

發展趨勢分析

直拉硅單晶爐、多晶硅鑄錠爐是生產光伏行業硅材料的主要設備，其核心部件均為高純石墨材料。隨著光伏行業的發展，傳統石墨材料很難滿足直拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐生產設備的大型化需要，而C/C復合材料具有良好的熱物理性能，和石墨熱場材料相比，具有非常大的優勢，C/C復合材料保溫件、結構件和發熱體將是直拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐等光伏設備熱場材料的發展方向。

C/C復合材料自20世紀60年代發明以來，就受到軍事、航空航天、核能以及許多民用工業領域的極大關注。然而，由于C/C復合材料制造工藝復雜、技術難度大，原材料價格昂貴，產品成本長期居高不下，其用途前期一直限制在一些工作條件苛刻的部位，以及其他材料不能替代的航空航天等軍事領域。在硅晶體產品迅速大型化的挑戰中，單晶硅棒的直徑愈來愈大，單晶爐熱場系統的部件隨之大型化，而高純大直徑的石墨材質制造難度很大。C/C復合材料可采取近凈成形方式加工，用C/C復合材料制造熱場部件，性價比和成品率高，使用壽命長。在加工工藝方面，越是大尺寸的C/C復合材料產品，性價比越高，這是由于C/C復合材料是根據產品結構需要編織出一定尺寸和形狀的預制件，再通過一定的增密工藝（浸漬或氣相沉積）制造出所需產品。

從C/C復合材料理化性能上來說，在有氬氣、氦氣等惰性氣體保護的情況下，可以在2800℃的高溫下保持良好的性能，在真空條件下，也可以在2000℃的環境中保持良好理化性能。在強度方面，C/C復合材料比石墨高3倍以上，因此產品壽命非常長，在性價比方面比石墨材料有非常大的優勢。針對C/C復合材料結構件和保溫件在使用過程中出現的氧化問題,可以采用碳化硅涂層技術,來提高C/C復合材料的使用效果和壽命。通過選擇增強體的種類、控制基體碳的形式、調節碳纖維取向、熱處理溫度等加工工藝參數，可以獲得性能各異的C/C復合材料制品用作光伏設備的不同部件。

結束語

光伏行業是國家發展新能源的重要組成部分，其中，硅系電池占市場的主導地位，單晶硅和多晶硅是其光電轉化的物質基礎。綜合而言，無論是產品性能和使用成本，C/C復合材料熱場比石墨熱場更具有優勢，在一段時間內，大尺寸、低成本、高性能、長壽命的C/C復合材料熱場是發展的方向，而C/C復合材料制品在光伏行業的應用，有利于企業減少投資成本，提高產品質量和競爭力。