【正文】 8年3月，湖南南方搏云新材料有限責(zé)任公司和中南大學(xué)共同完成的《碳纖維增強(qiáng)碳基體復(fù)合材料及硅晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)研制與開發(fā)》項(xiàng)目獲得湖南省科技廳頒發(fā)的《科技成果鑒定證書》。 鑒定年限2008年2月，在湖南省科技信息研究所完成《碳/碳復(fù)合材料制備大型硅晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件科技查新報(bào)告》。2008年3月，湖南南方搏云新材料有限責(zé)任公司和中南大學(xué)共同完成的《碳纖維增強(qiáng)碳基體復(fù)合材料及硅晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)研制與開發(fā)》項(xiàng)目獲得湖南省科技廳頒發(fā)的《科技成果鑒定證書》 鑒字[2008]第004號(hào)。 技術(shù)或工藝特點(diǎn)以及與現(xiàn)有技術(shù)或工藝比較所具有的優(yōu)勢(shì) 國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的技術(shù)一般高純固化隔熱保溫氈耐高溫、抗熱震、純度高；有較高的強(qiáng)度和剛性，可以機(jī)械加工；表面規(guī)整，耐沖蝕；抗酸抗堿，尺寸和形狀保持性好。對(duì)于微電子和光伏行業(yè)的基礎(chǔ)材料硅晶體制造行業(yè)而言，該材料是必不可少的重要耗材。在高純硅制造晶體生長(zhǎng)和多晶澆鑄等應(yīng)用領(lǐng)域，具有無(wú)法替代的地位。目前，常用的保溫材料有泡沫石棉、巖棉板、膨脹珍珠巖、泡沫塑料、硅酸鈣絕熱、硅酸鋁纖維等。常用保溫材料性能、價(jià)格的對(duì)比情況詳見表22。表22 幾種常用保溫材料性能、價(jià)格比較表序號(hào) 項(xiàng)目 材料名稱容重導(dǎo)熱系數(shù)使用溫度價(jià)格kg/m3w/m℃℃元/m31泡沫石棉40~505005262珍珠巖水泥制品350600淘汰3硅石水泥制品160250淘汰4巖棉603005385復(fù)合硅酸鹽涂料10008001,4506高性能固態(tài)保溫氈160惰性氣體保護(hù)3500真空保護(hù)2500320,000從上表可知，硅的熔點(diǎn)在1420℃以上，而大多數(shù)保溫材料的工作溫度在1000℃以下，且常用保溫材料的價(jià)格只有高性能固化保溫氈的數(shù)千分之一。盡管復(fù)合材料較常規(guī)的保溫材料價(jià)格昂貴，但是后者不能用于硅材料產(chǎn)業(yè)，要生產(chǎn)高質(zhì)量的硅材料，前者是唯一的選擇。公司通過(guò)對(duì)碳/碳復(fù)合材料的深入研究，利用碳/碳復(fù)合材料良好的可設(shè)計(jì)性，研發(fā)了碳/碳復(fù)合材料固態(tài)保溫氈并申請(qǐng)了專利。目前，國(guó)際上有日本、德國(guó)、英國(guó)的幾家公司可以提供高純石墨或者高純隔熱保溫固化炭氈。國(guó)內(nèi)僅有湖南南方搏云新材料有限公司一家生產(chǎn)的硅晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)材料純度及保溫等特性能夠滿足硅晶體生長(zhǎng)爐、硅多晶澆鑄爐及其他高純硅材料生產(chǎn)設(shè)備的使用要求，可完全取代進(jìn)口的等靜壓石墨和石墨炭氈組合以及高純固化保溫材料。 產(chǎn)品的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)（1）技術(shù)創(chuàng)新南方搏云公司開發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳纖維增強(qiáng)碳基體材料生產(chǎn)工藝，包括坯體制造、浸漬、炭化、化學(xué)氣相增密、高溫處理、純化、表面處理，和少無(wú)切削加工的（近、凈成形）工藝，有效的保證了產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，材料利用率高，節(jié)能效果好，成本較低。其技術(shù)創(chuàng)新主要表現(xiàn)在：1）采用PAN碳纖維制備高純、高性能固化保溫氈，一整套工藝技術(shù)均屬于原創(chuàng)技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)申報(bào)發(fā)明專利，經(jīng)初審合格；2）開發(fā)出密度梯度材料制成的大蓋板、導(dǎo)流筒等，由整體件取代石墨－氈體－石墨組合件，大大降低成本，使用性能和可靠性大大提高；3）少無(wú)切削（近、凈成形）工藝制造各種復(fù)雜形體的零件，與傳統(tǒng)的石墨比較，節(jié)能、節(jié)材效果十分顯著；4）采用罕見的大型真空設(shè)備，將進(jìn)口設(shè)備的上百個(gè)零件組裝的保溫筒（盒）設(shè)計(jì)制成一個(gè)整體，節(jié)能節(jié)材，效果十分明顯；5）大型的真空高溫爐，全部是自主設(shè)計(jì)、分體外委加工、自己總成，經(jīng)濟(jì)、適用、可靠、先進(jìn)；6）用大型碳/碳復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制造發(fā)熱體，與硅碳棒爐比較，可靠性很高、使用性能優(yōu)異；與感應(yīng)爐比較，經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)電網(wǎng)污染小，節(jié)能效果明顯；7）大型真空設(shè)備采用自己開發(fā)制造的整體式固化炭氈，保溫效果好，節(jié)能節(jié)材，操作使用方便；8）生產(chǎn)大型的結(jié)構(gòu)件、功能件，需要開發(fā)固化、炭化、沉積、高溫除金屬雜質(zhì)等新工藝與有效的工裝；9）保證大型、低密度零件的尺寸、形狀精度，需要嚴(yán)密的生產(chǎn)組織，精準(zhǔn)的技術(shù)要求，嚴(yán)格的過(guò)程控制，嚴(yán)肅的質(zhì)量控制與檢驗(yàn)。對(duì)各種密度的機(jī)械加工，要采用新型的加工方法、加工刀具、加工工裝、加工工藝等。（2）應(yīng)用創(chuàng)新1）大型硅晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)首創(chuàng)應(yīng)用全碳/碳復(fù)合材料熱場(chǎng)。公司技術(shù)部門經(jīng)過(guò)對(duì)熱場(chǎng)20多種零部件的功能和使用條件進(jìn)行仔細(xì)分析，開發(fā)出低密度保溫隔熱材料、高密度與中密度的結(jié)構(gòu)材料及特殊件需要的密度梯度材料等三大類材料用于制造熱場(chǎng)零部件，應(yīng)用于各類大型半導(dǎo)體硅生長(zhǎng)設(shè)備，取代國(guó)外進(jìn)口的等靜壓石墨和固化氈，效果好。如18英寸及以上的熱系統(tǒng)零部件，對(duì)于大型硅晶體生長(zhǎng)設(shè)備，這是最佳選擇。隨著國(guó)家科技部863攻關(guān)項(xiàng)目—《28英寸硅晶體生長(zhǎng)爐的研制開發(fā)項(xiàng)目》的成功，拉制大直徑國(guó)際主流產(chǎn)品12英寸半導(dǎo)體硅棒的設(shè)備將投入工業(yè)生產(chǎn)。與之配套的2228英寸的熱系統(tǒng)貨源緊缺，國(guó)內(nèi)有價(jià)無(wú)市，急于開發(fā)直徑超過(guò)1200mm的大型熱系統(tǒng)零部件。公司依據(jù)新型材料的性能設(shè)計(jì)了熱場(chǎng)系統(tǒng)24種零部件，特別是改進(jìn)了坩堝設(shè)計(jì)（三瓣式改為整體式）和導(dǎo)流筒設(shè)計(jì)（組合式改為整體式），經(jīng)過(guò)工業(yè)性使用，尤其是與德國(guó)CGS的設(shè)計(jì)、SGL提供的熱場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比拉晶試驗(yàn)，證明南方搏云公司設(shè)計(jì)、制造的熱場(chǎng)系統(tǒng)材料純度高，揮發(fā)、放氣少，煅燒時(shí)間很短；材料強(qiáng)度高，隔熱材料保溫性能好，拉晶過(guò)程節(jié)能；成晶條件好，成晶區(qū)域?qū)?，成品率高，堝底殘余料很少。首?chuàng)用密度梯度材料，整體件取代組合件。硅晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)有很多大型部件是既要承受機(jī)械力、又要隔熱保溫，原解決方法是將硬質(zhì)材料石墨設(shè)計(jì)出一個(gè)空腔，將低密度材料做成內(nèi)膽塞在空腔內(nèi)。為盡量減少體積、保證保溫性能，石墨件的壁厚不可太大，這樣的結(jié)構(gòu)使得產(chǎn)品的造價(jià)高、可靠性低、易于損壞。公司采用梯度材料之后，造價(jià)大大降低，可靠性大幅提高。2）其它設(shè)備的熱場(chǎng)a、用于改良西門子法的氫化爐做導(dǎo)氣罩、加熱器；b、用于物理法制造多晶硅鑄錠爐，制造發(fā)熱體、保溫盒等；c、用于籃寶石熱場(chǎng)系統(tǒng)，較用鉬片制作的保溫系統(tǒng)節(jié)能80％；用于碳化硅晶體生長(zhǎng)爐等；d、用于制造德國(guó)Roth amp。 Rou 公司平板鍍膜機(jī)上的硅片存儲(chǔ)器等；e、為德國(guó)ALD、PVA等公司生產(chǎn)的氣壓燒結(jié)爐配熱系統(tǒng)等。（3）設(shè)備創(chuàng)新公司應(yīng)用自主開發(fā)的專利技術(shù)和專有技術(shù)，設(shè)計(jì)、制造了居國(guó)內(nèi)一流水平的先進(jìn)、適用、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的設(shè)備，如大型真空化學(xué)氣相沉積爐、大型高溫石墨化高溫處理爐、大型預(yù)抽真空充氣炭化爐等。特別是開發(fā)了直徑達(dá)到1550mm的大型、整體式碳/碳復(fù)合材料加熱器和碳/碳固化保溫件。這些設(shè)備為公司自已設(shè)計(jì)、分體外委加工、自己總成。公司研發(fā)的設(shè)備集成了多項(xiàng)專利技術(shù)與專有技術(shù)，如三相電阻加熱多功能爐。該設(shè)備較感應(yīng)加熱爐造價(jià)低，節(jié)能，經(jīng)濟(jì)、適用、可靠、先進(jìn)，并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型真空設(shè)備制造技術(shù)的空白。美國(guó)CENTOL公司類似設(shè)備單臺(tái)報(bào)價(jià)348萬(wàn)美元，南方搏云現(xiàn)有類似設(shè)備5臺(tái)，且比美國(guó)公司的設(shè)備先進(jìn)、適用。該設(shè)備集成的專利技術(shù)和專有技術(shù)有：1）用大型碳/碳復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制造發(fā)熱體，與硅碳棒爐比較，可靠性很高、使用性能優(yōu)異；與感應(yīng)爐比較，經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)電網(wǎng)污染小，節(jié)能效果明顯；2）大型真空設(shè)備采用自己開發(fā)制造的整體式固化炭氈，保溫效果好，節(jié)能節(jié)材，操作使用方便；3）接觸式的電阻加熱爐，電極歷來(lái)是薄弱環(huán)節(jié)。采用獨(dú)特的技術(shù)，很好低解決了1000多度炭化、沉積爐，2000度的高溫爐的電極可靠性問(wèn)題；4）3相電阻加熱爐產(chǎn)生的高次諧波小于感應(yīng)爐，對(duì)電網(wǎng)污染小，可以無(wú)需消諧；5）由于采用碳/碳復(fù)合材料加熱器，使用電壓高，節(jié)能效果顯著。與感應(yīng)爐比較，節(jié)能40％。南方搏云公司已經(jīng)在一定程度上掌握了先進(jìn)的晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)系統(tǒng)的技術(shù)要求和各類零部件生產(chǎn)加工工藝技術(shù)。公司順應(yīng)市場(chǎng)需求，開發(fā)大型硅晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)系統(tǒng)，用先進(jìn)的近、凈成形方法（少無(wú)切削加工工藝）制造特大型零件，節(jié)能節(jié)材，進(jìn)一步展示碳/碳復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。 重大關(guān)鍵技術(shù)的突破對(duì)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要意義和作用通過(guò)研究硅單晶生長(zhǎng)爐對(duì)熱場(chǎng)零部件的使用要求，研究設(shè)計(jì)特定的碳/碳復(fù)合材料，滿足制造熱場(chǎng)零件的機(jī)械物理性能。通過(guò)技術(shù)和工藝的自主創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)制造方法。用近、凈成形工藝（少、無(wú)切削加工方法），即采用炭纖維制成與零件形狀、尺寸近似的二維、三維或多維坯體；多孔炭纖維坯體經(jīng)過(guò)浸漬或化學(xué)氣相沉積（CVD）增密到一定的密度；再采用2000℃以上的高溫處理、表面抗蝕處理等，使之成為適用的熱系統(tǒng)零部件。零件的功能不同，機(jī)械物理性能要求不同，制備碳/碳材料的工藝也不同。對(duì)純度要求高的零件，中間還需穿插純化處理。碳/碳復(fù)合材料坩堝、保溫襯套、加熱器、固態(tài)保溫氈、導(dǎo)流筒等熱場(chǎng)系統(tǒng)零件，已經(jīng)進(jìn)入了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，取代進(jìn)口產(chǎn)品。項(xiàng)目建設(shè)對(duì)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的作用主要體現(xiàn)在：1）打破國(guó)內(nèi)無(wú)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)能力的現(xiàn)狀，探索針對(duì)碳/碳復(fù)合材料的特點(diǎn)設(shè)計(jì)熱場(chǎng)系統(tǒng)的規(guī)律。2）完善產(chǎn)品譜系，根據(jù)碳/碳復(fù)合材料的性能特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)大規(guī)格的硅晶體生長(zhǎng)爐熱系統(tǒng)。3）開發(fā)硅晶體生長(zhǎng)爐熱系統(tǒng)適用的碳/碳復(fù)合材料，主要是制作保溫內(nèi)忖套、加熱器、坩堝類結(jié)構(gòu)材料和隔熱保溫用的固化炭氈兩大類材料；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝定型，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量；向市場(chǎng)提供成套碳/碳復(fù)合材料熱場(chǎng)系統(tǒng)。4）根據(jù)碳/碳復(fù)合材料制造過(guò)程的工藝技術(shù)要求，設(shè)計(jì)制造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵設(shè)備，形成大型熱場(chǎng)零部件的批量生產(chǎn)能力。5）重點(diǎn)設(shè)計(jì)、制造20〞、22〞、28〞幾種規(guī)格的熱系統(tǒng)。6）根據(jù)公司研發(fā)、生產(chǎn)成果，探索制定熱系統(tǒng)材料設(shè)計(jì)規(guī)范，以形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。3 項(xiàng)目建設(shè)方案 項(xiàng)目的產(chǎn)能規(guī)模公司現(xiàn)租用長(zhǎng)沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)祥和工業(yè)園場(chǎng)地辦公、生產(chǎn)，2007年產(chǎn)值達(dá)500萬(wàn)元。項(xiàng)目建成后，將在長(zhǎng)沙市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)新建高性能碳/碳復(fù)合材料生產(chǎn)基地，在現(xiàn)有規(guī)模上擴(kuò)大生產(chǎn)能力。達(dá)產(chǎn)后，預(yù)計(jì)產(chǎn)出能力為高、中、低密度碳/碳復(fù)合材料約200噸（其中：高密度材料10噸、密度梯度材料20噸、低密度（保溫）材料170噸）。 建設(shè)的主要內(nèi)容項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容主要包括：原材料、成品、半成品倉(cāng)庫(kù)建設(shè)；材料制備、制坯、機(jī)械加工等生產(chǎn)車間建設(shè)，配電間、泵房、辦公科研、試驗(yàn)綜合樓等生產(chǎn)輔助設(shè)施建設(shè)以及配套的道路、廠區(qū)綠化、廠區(qū)圍墻與大門、市政管網(wǎng)設(shè)施等建設(shè)工程。項(xiàng)目總占地面積為40畝，項(xiàng)目規(guī)劃總建筑面積為8964m2。詳見項(xiàng)目建（構(gòu)）筑物詳見一覽表。表31 項(xiàng)目建（構(gòu)）筑物一覽表序號(hào)項(xiàng)目名稱單位面積備注1生產(chǎn)車間平方米65342倉(cāng)庫(kù)平方米8003綜合樓平方米12004配電間平方米3005水泵房、門衛(wèi)平方米130合 計(jì)平方米8964 工藝技術(shù)路線 工藝流程項(xiàng)目的工藝技術(shù)，是在中南大學(xué)蔣建純教授和湖南南方搏云新材料有限公司研發(fā)人員共同研究，經(jīng)過(guò)多年研發(fā)、工業(yè)性考核最終確定。公司擁有的碳纖維增強(qiáng)碳基體材料生產(chǎn)工藝，包括坯體制造、浸漬、炭化、化學(xué)氣相增密、高溫處理、純化、表面處理，和少無(wú)切削加工的近、盡成型等工藝。目前，項(xiàng)目已完成實(shí)驗(yàn)、試用、科技成果鑒定、認(rèn)證等一系列研究工作。作為高科技產(chǎn)品，已進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 工藝技術(shù)路線碳/碳復(fù)合材料，更準(zhǔn)確地說(shuō)是炭纖維增強(qiáng)炭基復(fù)合材料，是由人工合成的純碳元素組成。固體炭可以展現(xiàn)出非常不同的甚至相矛盾的結(jié)構(gòu)和性能，例如：一些形式的炭可能極強(qiáng)、極硬，另一些形式的炭可能很軟、有延性；許多炭為多孔體，具有大的比表面面積，而另一些炭則不具有液體和氣體滲透性。這些與固體炭的結(jié)構(gòu)缺陷和炭相組成等顯微結(jié)構(gòu)影響因素有關(guān)，取決于固體炭的制造方法及工藝條件。碳/碳復(fù)合材料是一種特殊的固體炭形式，單質(zhì)炭脆性極大，但碳/碳復(fù)合材料能表現(xiàn)出高的斷裂韌性和準(zhǔn)塑性，其中炭纖維對(duì)許多性能起著主導(dǎo)作用。炭纖維是碳/碳復(fù)合材料中最重要的組元，可以說(shuō)，沒(méi)有炭纖維就沒(méi)有碳/碳復(fù)合材料的存在。但炭纖維無(wú)論多強(qiáng)和多韌，它們實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有結(jié)構(gòu)上的能力，在實(shí)用中要發(fā)揮其優(yōu)良的性能就必須將纖維與基體結(jié)合起來(lái)，獲得纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。碳/碳復(fù)合材料的制造技術(shù)路線如圖3－1。炭纖維預(yù)制體氣相法液相法碳?xì)錃怏wCVI（CH4，C3H6+N2）浸漬（樹脂、瀝青）高溫處理表面機(jī)加工表面機(jī)加工致密化材料高溫?zé)崽幚硖?炭復(fù)合材料炭 化、高溫處理GA圖31 碳/碳復(fù)合材料的制造技術(shù)路線 工藝流程簡(jiǎn)介1）碳/碳復(fù)合材料固化炭氈按照客戶的設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)要求，將原料經(jīng)過(guò)高溫處理后，制成坯體；將坯體加入高純固化劑進(jìn)行固化處理；采用中炭化處理工藝制造高純固化炭氈；進(jìn)行化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相預(yù)沉積時(shí)間由5小時(shí)至50小時(shí)），將產(chǎn)品加熱到碳源氣體的分解溫度，將碳源氣體和稀釋氣體按一定比例混合，通入爐內(nèi)，爐內(nèi)壓力保持1KPa左右；再將產(chǎn)品進(jìn)行高溫處理（機(jī)加工后前后的高溫處理，主要是改進(jìn)材料的性能，提高材料的純度。視材料的使用要求，處理的溫度在1800℃－2300℃，高溫保溫時(shí)間為2小時(shí)至5小時(shí)）；最后將高溫處理后的產(chǎn)品表面進(jìn)行涂層，表面涂層的厚度以5181。m至50181。m為宜，最好為15181。m至25181。m。涂層需要經(jīng)過(guò)CVD處理，達(dá)到表面抗沖蝕和侵蝕的目的。涂層之后的成品進(jìn)入包裝線進(jìn)行人工包裝和裝箱，包裝之后的產(chǎn)品通過(guò)叉車倒運(yùn)進(jìn)入成品倉(cāng)庫(kù)，也可以直接出廠。2）碳/碳復(fù)合材料生產(chǎn)線碳/碳復(fù)合材料生產(chǎn)線主要任務(wù)是對(duì)制成的坯體進(jìn)行增密、改性，同時(shí)還需要對(duì)氈體進(jìn)行高溫處理或純化。它需要完成化學(xué)氣相沉積、炭化、高溫處理等工序。所配備的設(shè)備主要有炭化爐、化學(xué)氣相沉積爐、高溫?zé)崽幚頎t等。根據(jù)項(xiàng)目生產(chǎn)綱領(lǐng)及生產(chǎn)加工特點(diǎn)的要求，碳/碳復(fù)合材料生產(chǎn)計(jì)劃安排3個(gè)車間，其中1個(gè)車間為炭化和高溫處理車間，其余車間為化學(xué)氣相沉積車間。一個(gè)化學(xué)氣相沉積車間以立式爐為主，承擔(dān)套類零件的沉積；另一個(gè)車間以板類零件為主。3）坯體制造生產(chǎn)線分析設(shè)計(jì)圖紙，將處理過(guò)的原材料按圖紙