第一篇：石墨材料在鑄錠多晶硅制造中的應(yīng)用

太陽能單硅晶片的制?。憾趸瑁I(yè)硅－多晶硅－單晶硅。單晶硅是用多晶硅經(jīng)過單晶爐拉制而成。也就是多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料。

其中石墨是用來還原二氧化硅的，也就是來提煉工業(yè)硅的添加劑。完成后再用鹽酸提純獲得高純度的多晶硅，最后拉制成單晶硅。

4.1石墨材料在鑄錠多晶硅制造中的應(yīng)用 4.1.1鑄錠多晶硅

2007年在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)低速增長的情況下，中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，比2006年增長了20.8%，隨著各國對可再生能源的重視，以及太陽能電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高，產(chǎn)品成本不斷下降，太陽能電池產(chǎn)量快速增長。自2000年以來光伏市場的發(fā)展超過了工業(yè)歷史上的任何一次飛躍。2007年全球太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到4000MW，較2006年增長了56%，中國2007年太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到1088MW，同比增長148%，市場占有率由2006年的17%提升到27%。光伏發(fā)電的前景已經(jīng)被越來越多的國家和金融界認(rèn)識，多晶硅材料不僅用于半導(dǎo)體集成電路單晶硅的生產(chǎn)，同時(shí)還大量用于光伏太陽能電池產(chǎn)業(yè)，特別是用多晶硅生產(chǎn)的單晶硅制造的太陽能電池片其轉(zhuǎn)化效率高﹙13%-18%﹚。

硅太陽能電池所用的單晶硅片，主要來自兩種工藝渠道生產(chǎn)、供應(yīng)的。一類是通過直拉單晶硅，生產(chǎn)出單晶硅棒，經(jīng)切割等制成晶圓。另外一類是以多晶硅為原料，通過鑄錠方法制成鑄錠多晶硅塊，再利用線切割機(jī)加工制成晶圓。

在太陽能電池制造的工藝流程中，可以看出，多晶硅鑄錠是整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)工序。利用鑄造技術(shù)制備硅多晶體，稱為鑄造多晶硅或鑄錠多晶硅﹙multicrystalline silicon,mc-Si﹚。鑄造多晶硅雖然含有大量的晶粒、晶界、位錯(cuò)和雜質(zhì)，但由于省去了高費(fèi)用的晶體拉制過程，所以相對成本較低，而且能耗也較低，在國際上得到了廣泛應(yīng)用。

與直拉單晶硅相比，鑄造多晶硅的主要優(yōu)勢是①材料利用率高、能耗小、制備成本低，而且其晶體生長簡便，易于大尺寸生長；②可直接得到方錠，與拉制單晶圓棒相比，在切割制備硅片的過程中比較省料，提高了硅料的利用率，且方形較圓形易于提高電池模塊的包裝密度。但是，其缺點(diǎn)是含有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對較高的雜質(zhì)濃度，其晶體的質(zhì)量明顯低于單晶硅，從而降低了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

目前，太陽能用于多晶硅片主要采用鑄造多晶硅，多晶片的制作工藝是一個(gè)鑄造過程，在這個(gè)過程中，熔化的硅被傾倒到一個(gè)模子里并且被定型，然后它被切成薄片。因?yàn)槎嗑峭ㄟ^模鑄被制作出來的，由于鑄造過程的晶體結(jié)構(gòu)上的不完整，鑄造多晶硅太陽能電池的效率低于單晶硅電池，但是由于生產(chǎn)工藝簡單，所以他們能夠更加便宜的被生產(chǎn)，具有廣闊的市場前景。

早在1975年，德國的瓦克﹙Wacker﹚公司在國際上首先利用澆鑄法制備多晶硅材料﹙SILSO﹚制造太陽能電池。幾乎同時(shí)，其他研究小組也提出了不同的鑄造工藝來制各多晶硅材料如美國Solarex公司的結(jié)晶法、美國晶體系統(tǒng)公司的熱交換法、日本電氣公司和大阪鈦公司的模具釋放鑄錠法等。以此為開端，鑄造多晶硅產(chǎn)品走入人們的視線。

自從鑄造多晶硅發(fā)明以后，技術(shù)不斷改進(jìn)，質(zhì)量不斷提高，應(yīng)用也不斷廣泛。在材料制備方面，平面固液界面技術(shù)和氮化硅涂層技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用、材料尺寸的不斷加大；在電池方面，SiN減反射層技術(shù)、氫鈍化技術(shù)、吸雜技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，使得鑄造多晶硅材料的電學(xué)性能有了明顯改善，其太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到了迅速提高，實(shí)驗(yàn)室中的效率從1976年的12.5%提高到21世紀(jì)初的19.8%。近年來更達(dá)到20.3%。而在實(shí)際生產(chǎn)中的鑄造多晶硅太陽能電池效率也已達(dá)到15%-16%左右。

由于鑄造多晶硅的優(yōu)勢，包括中國在內(nèi)的世界各主要太陽能生產(chǎn)國都在努力發(fā)展其工業(yè)規(guī)模。自20世紀(jì)90年代以來，國際上新建的太陽能電池和材料的生產(chǎn)線大部分是鑄造多晶硅生產(chǎn)線，并且隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)的提升，更多的鑄造多晶硅材料和電池生產(chǎn)線投入應(yīng)用。目前，鑄造多晶硅已占太陽能電池材料的55%以上，稱為最主要的太陽能電池材料。

鑄造多晶硅片加工流程是由鑄錠開始，到多晶硅硅片的加工而完成。它的完整工藝流程參見下圖。裝料 → 熔化 → 定向生長 → 冷卻凝固

↓

硅片清洗 ← 多線切割 ← 破錠 ← 硅錠出爐 ↓

包裝 → 出廠

資料來源：中國電子材料行業(yè)協(xié)會(huì)整理﹙2008.10﹚ 多晶硅片的典型生產(chǎn)工藝如下：

（1）裝料：將清洗后的或免洗的51料裝入噴有氮化硅的涂層的石英坩堝內(nèi)，整體放置在定向凝固塊上，下爐罩上升與上爐罩合攏，抽真空，并通入氬氣作為保護(hù)氣體，爐內(nèi)壓力大致保持在4×104-6×104Pa左右；

（2）加熱：利用均布于四周的石墨加熱器按設(shè)定的速率緩慢加熱，去除爐內(nèi)設(shè)施及硅料表面吸附的濕氣等；（3）熔化：增大加熱功率，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到1540℃左右的硅料熔化溫度并一直保持直至硅料完全熔化；（4）長晶：Si料熔化結(jié)束后，適當(dāng)減小加熱功率，工作區(qū)溫度降至1430℃左右的硅的熔點(diǎn)，緩慢提升隔熱籠，使石英坩堝底部的定向凝固塊慢慢露出加熱區(qū)，形成垂直方向的大于0℃的溫度梯度，坩堝中硅料的溫度自底部開始降低并形成固液界面，多晶開始在底部形成，隨著隔熱籠的提升，水平的固液界面也逐漸上升，多晶硅呈柱狀向上生長，生長過程中需要盡量保持水平方向的零溫度梯度，直至晶體生長完成，該過程視裝料的多少而定，約需要20-30h；

（5）退火：長晶完成后，由于坩堝中51料的上部和下部存在較大的溫差，這時(shí)的多晶硅錠會(huì)存在一定的熱應(yīng)力，容易在后道剖錠、切片和電池制造過程中碎裂，因此，長晶后應(yīng)保溫在硅熔點(diǎn)附近一段時(shí)間以使整個(gè)晶錠的溫度逐漸均勻，減少或消除熱應(yīng)力；

（6）冷卻：退火后，加熱器停止加熱，并通入大流量氬氣，使?fàn)t內(nèi)溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升，直至達(dá)到大氣壓及容許的出錠溫度。

（7）出錠：降低下爐罩，露出固定器上的坩堝，用專用的裝卸料叉車將坩堝叉出；

（8）破錠：利用剖錠機(jī)將多晶硅錠上易吸收雜質(zhì)的上下表面及周邊切除，按所需硅片尺寸﹙如125mm×125mm規(guī)格或156mm×156mm規(guī)格﹚切割成均勻的方形硅柱；

（9）切片：用多線切割機(jī)將方形Si柱切割成厚度為220μm左右的多晶硅片；（10）清洗、包裝：清洗切好的硅片以去除切削液及表面的其他殘余物，烘干后包裝待用，工藝結(jié)束。4.1.2多晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)多晶硅片的生產(chǎn)工藝可以得知其核心設(shè)備為大容量多晶硅鑄錠爐。它是將硅料高溫熔融后通過定向冷卻冷凝結(jié)晶，使其形成晶向一致的硅錠，從而達(dá)到太陽能電池生產(chǎn)對硅片品質(zhì)的要求。多晶硅鑄錠爐是多晶硅制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，其工藝流程的穩(wěn)定性、設(shè)備控制的穩(wěn)定性和先進(jìn)性直接關(guān)系到是否生成出合格的硅錠，而合格的硅錠直接決定著硅片制成的電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

多晶硅鑄錠爐由罐狀爐體、加熱器、裝載及隔熱籠升降機(jī)構(gòu)、送氣及水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)組成。多晶硅片質(zhì)量的好壞主要取決于多晶硅在多晶硅鑄錠爐中的定向生長。

為了完成上述連續(xù)的工藝過程，全自動(dòng)多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)由下面的幾大工作系統(tǒng)組成。它們分別為抽真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、保溫層升降系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)。（1）抽真空系統(tǒng)

抽真空系統(tǒng)是保持硅錠在真空下進(jìn)行一系列處理，要求在不同的狀態(tài)下，保持爐內(nèi)真空壓力控制在一定范圍內(nèi)。這就要求真空系統(tǒng)既有抽真空設(shè)備，同時(shí)還有很靈敏的壓力檢測控制裝置。保證硅錠在生長過程中，處于良好的氣氛中。抽真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統(tǒng)組成。（2）加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)是保持工藝要求的關(guān)鍵，采用發(fā)熱體加熱，由中央控制器控制發(fā)熱體，并可保證恒定溫場內(nèi)溫度可按設(shè)定值變化；同時(shí)控制溫度在一精度范圍內(nèi)。完成硅錠在長晶過程中對溫度的精確要求。（3）測溫系統(tǒng)

測溫系統(tǒng)是檢測爐內(nèi)硅錠在長晶過程中溫度的變化，給硅錠長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，以便使

長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整長晶參數(shù)，使這一過程處于良好狀態(tài)。（4）保溫層升降系統(tǒng)

保溫層升降系統(tǒng)機(jī)構(gòu)是保證硅錠在長晶過程中，保持良好的長晶速度，它是通過精密機(jī)械升降系統(tǒng)，并配備精確的位置、速度控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。保證硅錠晶核形成的優(yōu)良性，保證光電轉(zhuǎn)化的高效性。（5）壓力控制系統(tǒng)

壓力控制系統(tǒng)主要保證爐內(nèi)硅錠在生長過程中，在一特定時(shí)間段內(nèi)，壓力根據(jù)工藝要求保持在一壓力下。它由長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)來控制。（6）其他輔助系統(tǒng)

多晶硅鑄錠爐的工作原理：將多晶硅料裝入有涂層的坩堝內(nèi)后放在定向凝固塊上，關(guān)閉爐膛后抽真空，加熱待硅料完全熔化后，隔熱籠緩慢往上提升，通過定向凝固塊將硅料結(jié)晶時(shí)釋放的熱量輻射到下爐腔內(nèi)壁上，坩堝底部的定向凝固塊單向散熱，在硅料液固界面處形成豎直的、大于0℃的溫度梯度，進(jìn)行柱狀結(jié)晶生長。硅料凝固后，硅錠經(jīng)過退火、冷卻后出爐即完成整個(gè)鑄錠過程。4.1.3石墨材料在多晶硅鑄錠爐中的應(yīng)用

多晶硅鑄錠爐中，多個(gè)組件是需要石墨材料。特別是加熱器中使用的加熱材料-高純石墨，以及加熱器中使用的隔熱材料-高純碳?xì)指魺岵牧?，是目前重要的配套材料。﹙1﹚ 加熱器中使用的加熱材料-高純石墨材料

在多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)上，為使硅料熔融，必須采用合適的加熱方式。從加熱的效果而言，感應(yīng)加熱和輻射加熱均可以達(dá)到所需的溫度。一般多采用輻射加熱方式。它可以對結(jié)晶過程的熱量傳遞進(jìn)行精確控制，易于在坩堝內(nèi)部形成垂直的溫度梯度。

加熱器的加熱能力必須超過1650℃，同時(shí)其材料不能與硅料反應(yīng)，不對硅料造成污染，能在真空及惰性氣氛中長期使用。符合使用條件可供選擇的加熱器有金屬鎢、鉬和非金屬石墨等。由于鎢、鉬價(jià)格昂貴，加工困難，而石墨來源廣泛，可加工成各種形狀。另外，石墨具有熱慣性小、可以快速加熱，耐高溫、耐熱沖擊性好，輻射面積大、加熱效率高、且基本性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。﹙2﹚ 加熱器中使用的隔熱材料-高純碳?xì)指魺岵牧?/p>

對于鑄錠工藝而言，為了提高生產(chǎn)效率，要求設(shè)備的升溫速度盡可能快；由于采用真空工藝，要求爐內(nèi)材料的放氣量應(yīng)盡可能少，縮短真空排氣的時(shí)間；同時(shí)硅料中溫度梯度的形成還需要隔熱層的精確提升實(shí)現(xiàn)，隔熱層的質(zhì)量要盡可能輕，以減少升降時(shí)的慣性而影響控制精度。綜上所述對于隔熱材料的選擇要求是：耐高溫、密度低、導(dǎo)熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數(shù)小，在眾多的耐火保溫材料中，以高純碳?xì)肿顬槔硐搿?/p>

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碳石墨材料的特性及其在多晶硅工業(yè)上的應(yīng)用(2010/09/17 15:13)

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1.概述

1.1兩大類別的石墨

本報(bào)告，是在圍繞半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用（即電子工程用）石墨制品的品種、生產(chǎn)制造過程、產(chǎn)品性能、生產(chǎn)廠家、具體應(yīng)用領(lǐng)域情況、市場規(guī)模及發(fā)展趨勢等方面做的行業(yè)調(diào)研的基礎(chǔ)上編寫的。

石墨（graphite）材料的來源分為天然石墨和人造石墨兩類。盡管天然石墨優(yōu)異的理化性能使之在各個(gè)科技工程領(lǐng)域受到重視和廣泛的應(yīng)用，但是天然石墨的粉體形態(tài)使其應(yīng)用受到了很大限制，因此發(fā)展出人造石墨，成為一項(xiàng)具有廣闊市場前景的重要任務(wù)。本報(bào)告所涉及、調(diào)研的半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用石墨制品，主要就是由人造石墨材料作為原料制出的。

天然石墨最常見于變質(zhì)巖中，是有機(jī)碳物質(zhì)變質(zhì)形成的，煤層經(jīng)熱變質(zhì)也可形成石墨。有些火成巖中也可出現(xiàn)少量石墨。天然石墨外形一般為鱗片狀或顆粒狀的粉體。自然界中純凈的石墨是沒有的。它往往含有Si02、Al203、Fe0、CaO、P2O5、Cu0等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)常以石英、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現(xiàn)。此外，還有水、瀝青、CO2、H2、CH4、N2等氣體部分。

天然石墨的結(jié)晶形態(tài)不同的石墨礦物，具有不同的工業(yè)價(jià)值和用途。可將工業(yè)應(yīng)用的天然石墨根據(jù)結(jié)晶形態(tài)不同分為三類，即致密結(jié)晶狀石墨、鱗片石墨、隱晶質(zhì)石墨。

我國具有豐富的天然石墨資源，特別是晶質(zhì)的鱗片石墨，儲(chǔ)量、產(chǎn)量以及國際貿(mào)易量均居世界首位，堪稱石墨大國。世界已探明的晶質(zhì)石墨儲(chǔ)量2.3億t，我國占有1.7億t，世界遠(yuǎn)景儲(chǔ)量7億t,我國為4億t。

目前產(chǎn)業(yè)界內(nèi)大量使用的成形石墨都是人造石墨（Synthetic Graphite，日文：“人造黑鉛”）材料。人造石墨是其石油焦、煤類、硬瀝青焦等為主要原料，經(jīng)過3000℃左右高溫石墨化，再添加特種添加劑制成制作石墨制品的原材料。因天然石墨的粉體形態(tài)使其應(yīng)用受到很大限制，因此發(fā)展出人造石墨制品及相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為今后重要方面。

1.2石墨在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

石墨有廣闊的應(yīng)用市場，它在許多工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

碳-石墨的應(yīng)用領(lǐng)域例：鋼鐵工業(yè)、有色金屬工業(yè)、高溫技術(shù)、汽車工業(yè)、賽車/賽艇用品、體育裝備、工業(yè)織物、航天航空、衛(wèi)星技術(shù)、防御技術(shù)、海事技術(shù)、能源工業(yè)、太陽能技術(shù)、發(fā)電技術(shù)、核技術(shù)、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、制藥技術(shù)、化肥工業(yè)、機(jī)械工程、工藝設(shè)備、密封技術(shù)、工具制造、塑料、玻璃陶瓷、造紙、建筑技術(shù)、家用電器、電子工業(yè)、半導(dǎo)體技術(shù)、電工技術(shù)、醫(yī)用工業(yè)、測量和試驗(yàn)工業(yè)。

碳-石墨的應(yīng)用產(chǎn)品例：石墨電極、陰極塊、爐襯、碳電極、電子半導(dǎo)體用碳石墨、工業(yè)用碳石墨、高溫用碳石墨、汽車機(jī)械用碳石墨、電工用石墨、防腐工藝技術(shù)、碳纖維、剎車片、工業(yè)復(fù)合材料、航空航天復(fù)合材料、燃

料電池組件、天然膨脹石墨。

高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展為高附加值的優(yōu)質(zhì)高純石墨產(chǎn)品帶來了市場發(fā)展的機(jī)遇。石墨材料在高速、耐磨、防腐、節(jié)能、超小型等高科技應(yīng)用領(lǐng)域中又有了新的應(yīng)用。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料預(yù)測，目前我國每年還大量的進(jìn)口氟化石墨、高分子石墨復(fù)合材料、高分子石墨復(fù)合材料中添加劑石墨微粉（如著色劑、強(qiáng)化劑、導(dǎo)電劑）、導(dǎo)電用石墨、潤滑脂等。特別是半導(dǎo)體材料的發(fā)展、新能源（如太陽電池）的發(fā)展都在制造過程中需求石墨制品。目前在電子工程用的許多石墨制品還需要大量的依靠國外供應(yīng)。這些市場的需求，導(dǎo)致石墨近年來進(jìn)口大幅的增加。這無疑是石墨工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的良機(jī)，也是石墨企業(yè)開拓新市場的重大機(jī)遇。

目前在電子產(chǎn)品應(yīng)用市場中，需求呼聲最高的一類石墨制品是具有高強(qiáng)度、高密度、高純度（含碳量在99.99%以上）的石墨制品（簡稱為“三高石墨”）。三高石墨屬于“特種石墨”，它很大部分的產(chǎn)品是人造碳-石墨為原料而制成的，其工藝方法很大部分采用等靜壓工藝法，生產(chǎn)出的產(chǎn)品為各向同性石墨。例如，應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的直拉單晶硅爐熱場中的特種石墨，就是絕大多數(shù)多采用高純細(xì)顆粒的等靜壓各向同性石墨制成的。

1.3石墨在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 1.3.1應(yīng)用市場發(fā)展擴(kuò)大的過程

半導(dǎo)體的發(fā)展與石墨材料在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用是分不開的。在半導(dǎo)體工業(yè)中，直拉單晶爐的加熱系統(tǒng)大量采用高純石墨材料。還在半導(dǎo)體硅片加工（包括區(qū)熔、外延、外形加工等）中作為輔助工具、部件；在半導(dǎo)體硅片用多晶硅材料的生產(chǎn)中為輔助工具、部件。電子工程用石墨制品，首先是實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體工業(yè)中得到應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅速的發(fā)展，太陽能電池用多晶硅錠材料在產(chǎn)量與市場上都出現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的增大，這也給石墨制品在光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域提供了一個(gè)發(fā)展前景廣闊的新市場。太陽能電池硅片所需要的重要原材料鑄錠多晶硅，在其生產(chǎn)裝置鑄錠爐中開始大量的采用高純、優(yōu)質(zhì)的石墨材料。

1.3.2石墨制品的半導(dǎo)體應(yīng)用市場概況

直拉單晶爐內(nèi)使用的石墨部件是一類易耗件，它由各種高純石墨加工而成。例如其中的石墨坩堝及其他石墨部件采用了高純細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)石墨；石墨加熱器采用了高純各向同性石墨；石墨保溫罩和石墨蓋板采用高純中顆粒結(jié)構(gòu)的石墨。

1.3.3石墨制品的太陽電池應(yīng)用市場概況

在生產(chǎn)鑄錠多晶硅設(shè)備上，多個(gè)組件是需要石墨材料。特別是鑄錠爐加熱器中使用的加熱材料----高純石墨，以及所用的隔熱材料---高純碳?xì)指魺岵牧?，都是目前鑄錠多晶硅設(shè)備重要的、必不可少的配套材料。

由于鑄錠爐加熱器的加熱溫度很高（超過1600℃），它的加熱材料又要求不能與硅料反應(yīng)、不對硅料造成污染，可長期在真空及惰性氣氛中使用。符合使用條件可供選擇的加熱器有金屬鎢、鉬和非金屬石墨等。由于鎢、鉬價(jià)格昂貴，加工困難，而石墨來源廣泛，可加工成各種形狀。另外，石墨具有熱慣性小、可以快速加熱，耐高溫、耐熱沖擊性好，輻射面積大、加熱效率高、且基本性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。正因?yàn)槿绱?，石墨材料已成為了鑄錠爐加熱器中首選的加熱材料。鑄錠爐加熱器對于隔熱材料有著嚴(yán)格的要求。它必須是耐高溫、密度低、導(dǎo)熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數(shù)小的材料。因此在眾多的耐火保溫材料中以高純碳?xì)肿顬槔硐搿?/p>

上述所舉例的兩類在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的石墨制品，幾年前還是主要是由國外全部進(jìn)口（或者是由我國內(nèi)地的外資企業(yè)提供）。但由于我國石墨行業(yè)、半導(dǎo)體材料行業(yè)、電子工業(yè)設(shè)備行業(yè)的共同努力，我國自行生

產(chǎn)的這兩類石墨配套無論在制造技術(shù)上，還是在應(yīng)用技術(shù)上都取得了巨大的進(jìn)步，市場的格局也得到了很大的改變。這也給我國石墨行業(yè)在此方面開拓新市場提供了新機(jī)遇。但同時(shí)也需要看到，在我國大規(guī)格、高純各向同性石墨的市場在迅速增大的同時(shí)，我國在此方面的制造技術(shù)仍有不適應(yīng)的方面，技術(shù)仍與國外先進(jìn)國家有很大的差距。石墨制品作為微電子、光伏產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備材料，需要我國國內(nèi)不斷在技術(shù)獲得進(jìn)步，與半導(dǎo)體行業(yè)、光伏電池用硅材料制造行業(yè)加強(qiáng)合作，進(jìn)一步投資發(fā)展為其配套的高檔石墨制品，是一件勢在必行的重要工作。

1.3.4碳-碳纖維復(fù)合材料在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨制品在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用就使用碳石墨類材料的類型來講，有關(guān)業(yè)界專家認(rèn)為，可以將它所用類型分為三類，或說是三個(gè)發(fā)展的階段。第一類型為模壓（或擠壓、或振動(dòng)）成型工藝法的石墨制品。這類石墨制品在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的碳石墨材料產(chǎn)品群中，現(xiàn)在占有很小的一部分。第二類型為等靜壓成型工藝法的各向同性高純石墨制品。在目前的半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中它得到最廣泛的應(yīng)用。它占世界整個(gè)半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的石墨制品量的約有80%以上。第三類型為碳-碳纖維復(fù)合材料。這是一類在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中替代石墨材料的更新型的材料及制品。

采用碳-碳纖維復(fù)合材料可以看作在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中作為加熱器、隔熱材料等上應(yīng)用的第三階段，也是一個(gè)更高的技術(shù)發(fā)展階段。但是并不講目前使用的各向同性高純石墨制品就在以后被淘汰、全部被碳-碳纖維復(fù)合材料所替代。有關(guān)業(yè)界專家認(rèn)為，今后在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的兩類材料及制品誰也不能替代誰。預(yù)測在一、二十年以后，會(huì)發(fā)展成“各占半壁江山”的市場格局。

碳-碳復(fù)合材料是炭纖維增強(qiáng)炭基體復(fù)合材料。它具有質(zhì)量輕、耐燒蝕性好、抗熱沖擊性好、損傷容限高、高溫強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等突出特點(diǎn)，因此，它在航天、航空、原子能等許多領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。且復(fù)合材料可以通過選擇纖維的種類、結(jié)構(gòu)、數(shù)量和基體前驅(qū)體以及工藝條件來制備符合特定用途所要求的性能和形狀，因此其應(yīng)用范圍越來越廣泛，也越來越受到人們的重視。碳-碳復(fù)合材料強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墨的，其尺寸穩(wěn)定性好、耐沖擊、抗熱震性能好，其綜合機(jī)械性能優(yōu)于石墨。該材料可以通過純化處理，使金屬雜質(zhì)含量可控制在5ppm以下。

用作半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用碳-碳復(fù)合材料熱場產(chǎn)品，與傳統(tǒng)石墨產(chǎn)品比較，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：﹙1﹚可以大幅度延長產(chǎn)品使用壽命，減少更換部件的次數(shù)，從而提高設(shè)備的利用率，減少維修成本；﹙2﹚與傳統(tǒng)石墨產(chǎn)品相比，可以做得更薄，從而可以利用現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)尺寸更長、更大直徑的產(chǎn)品，可節(jié)約大量新設(shè)備投資費(fèi)用，也使得其溫度場更均勻；﹙3﹚由于其抗熱震性好，在反復(fù)高溫?zé)嵴駰l件下不易產(chǎn)生裂紋，從而避免了溫度場的變化；﹙4﹚在拉制大直徑的產(chǎn)品時(shí)，傳統(tǒng)石墨熱場產(chǎn)品成型困難，而由于碳-碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，目前國外拉制大直徑的產(chǎn)品時(shí)，較多地采用了碳-碳復(fù)合材料熱場產(chǎn)品；﹙5﹚在直拉單晶爐采用碳-碳復(fù)合材料作為隔熱﹙熱屏﹚，由于它的保溫效果好，可比采用石墨材料節(jié)約一定的能耗﹙有的研究成果提出可節(jié)省20%電能﹚。

根據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會(huì)的調(diào)研，盡管世界及我國在碳-碳復(fù)合材料替代在半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用石墨制品上取得不小的進(jìn)展，但它普遍還存在著如下的問題：﹙1﹚制造成本目前還很高﹙一般是石墨制品的一倍，甚至更高些﹚。﹙2﹚碳-碳纖維復(fù)合材料在制造中生產(chǎn)周期長，實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)速度低下。﹙3﹚就國內(nèi)的碳-碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品制造講，國內(nèi)的碳纖維材料仍基本不能生產(chǎn)，需靠國外進(jìn)口。﹙4﹚由于制造半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用碳-碳纖維復(fù)合材料研發(fā)、生產(chǎn)的歷史還很短，在工藝上的成熟程度不夠，因此某些項(xiàng)性能上仍有待提高。

本調(diào)研報(bào)告，未包括半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用碳-碳復(fù)合材料部分，又因它的發(fā)展，對今后的半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用石墨制品今后市場走勢是有一定影響的，為此在報(bào)告本節(jié)內(nèi)，加入此方面的內(nèi)容闡述。

2.半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用石墨制品概述 2.1石墨的結(jié)構(gòu)特性

碳﹙C﹚元素有三種異構(gòu)體：一種是無定形碳，如木炭、焦炭、炭黑等；另兩種是結(jié)晶形碳，即石墨和金剛石。無定形碳經(jīng)高溫處理可轉(zhuǎn)化為石墨。石墨在催化劑作用和高壓、高溫條件下又可轉(zhuǎn)化為金剛石。這也是人造石墨和人造金剛石的生產(chǎn)方法。

碳元素的三種異構(gòu)體，其原子的空間排列各不相同。石墨屬六方晶系，各層面由六角形環(huán)構(gòu)成，層面與層面平行，呈有序的重疊晶體結(jié)構(gòu)；金剛石屬立方晶系的四面體結(jié)構(gòu)；而無定形碳雖有微晶，但沒有像石墨那樣的有序排列。

石墨﹙graphite﹚是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，它的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)。每一網(wǎng)層間的距離為0.3354nm。石墨晶體呈一種層狀點(diǎn)陣，由許多碳原子，碳原子為sp2雜化態(tài)，它們互相平行重疊而成。最常見的石墨晶體多屬于六方晶系。晶體結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性。

2.2石墨的主要物理特性

表2-1 石墨的主要物理特性分子量 項(xiàng)目 外觀 英文名稱 分子式 分子量 CAS登錄號 EINECS登錄號 莫氏硬度為 比重 容重

溶點(diǎn)﹙真空下﹚ 比表面積

主要物理特性

色澤黑灰色，質(zhì)軟，具有金屬光澤。Graphite C 12.01 7782-42-5 231-955-3 1～2 1．9～2.3 一般為1.5～1.8

在3000℃時(shí)才開始軟化的趨向溶融狀態(tài) 集中在1-20m2/g范圍

石墨質(zhì)軟，呈黑灰色，有金屬光澤，有油膩感，可污染紙張。

石墨硬度為1～2，沿垂直方向隨雜質(zhì)的增加其硬度可增至3～5。比重為1.9～2.3。比表面積范圍集中在1-20m2/g﹙由北京金埃譜科技生產(chǎn)的全自動(dòng)F-Sorb2400比表面積儀BET方法測試﹚。在隔絕氧氣條件下，其熔點(diǎn)在3000℃以上，是最耐溫的礦物之一。

石墨具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗腐蝕、耐輻射、耐高低溫等特性，具有良好的潤滑性，性脆，強(qiáng)度較低。2.3半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用石墨制品的主要原料來源

半導(dǎo)體工業(yè)用石墨制品絕大多數(shù)采用人造石墨作為原料制成。制造人造石墨有兩類原材料。一類是石油焦，另一類是煤瀝青。石油焦制出的石墨制品，具有石墨化高、電阻小、表面潤滑度高的特點(diǎn)。煤瀝青制出的石墨制品，在機(jī)械強(qiáng)度上較高。作為人造石墨的主要原材料是煅燒后石油焦材料。石油焦的煅燒起到了進(jìn)一步去除雜質(zhì)、降低水分、揮發(fā)份的目的。

半導(dǎo)體工業(yè)用石墨制品有較低灰分、高純的性能要求，因此在石油焦原料選擇上首先要選用含雜質(zhì)元素很少的煅燒后石油焦品種。其中，石油焦中的針狀焦品種較為理想。

隨著國產(chǎn)原油逐漸重質(zhì)化、重質(zhì)燃料油市場的縮小以及環(huán)保對汽油、柴油質(zhì)量要求的提高，焦化已成為重要的渣油加工手段，越來越多的石油焦投放到市場。全球石油焦的消費(fèi)量隨著原油生產(chǎn)和消費(fèi)的增長而逐年增長。

2001年～2005年世界石油焦的產(chǎn)量年均增速為2%，世界石油焦供應(yīng)增速減緩。美國是石油焦主要生產(chǎn)大國，其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的61%；加拿大的石油焦世界占有率約為8%；南美石油焦主要生產(chǎn)地為巴西、阿根廷、委內(nèi)瑞拉等國家，產(chǎn)品以電極焦為主，大部分供應(yīng)美國市場；歐洲的石油焦基本自給自足；亞洲﹙不包括中國大陸﹚石油焦產(chǎn)量占世界總量6%，主要產(chǎn)地是科威特、印尼、中國臺(tái)灣和日本等國家和地區(qū)。我國石油焦生產(chǎn)自20世紀(jì)90年代以來得到飛速發(fā)展，目前產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的10%。美國、俄羅斯、中東和東歐國家的石油焦均屬于高含硫焦。

目前，國內(nèi)石油焦生產(chǎn)企業(yè)共有30多家，多數(shù)是中國石油、中國石化兩大集團(tuán)的下屬企業(yè)，少數(shù)為地方小焦化企業(yè)。長期以來，除個(gè)別煉油廠外，我國加工的原油硫含量普遍偏低，所以國內(nèi)市場上石油焦產(chǎn)品以中、低含硫石油焦為主。隨著我國煉油行業(yè)加工進(jìn)口中東等地區(qū)高含硫原油數(shù)量的增加，國內(nèi)高含硫石油焦產(chǎn)量增加較快，目前約占石油焦總產(chǎn)量的20%。

目前，世界石油焦消費(fèi)市場的結(jié)構(gòu)為：煉鋼、電解鋁占46%，燃料占31%，電石占14%，原料占9%。根據(jù)石油焦結(jié)構(gòu)和外觀，石油焦產(chǎn)品可分為針狀焦、海綿焦、彈丸焦和粉焦 四種：

（1）針狀焦，具有明顯的針狀結(jié)構(gòu)和纖維紋理，主要用作煉鋼中的高功率和超高功率石墨電極。由于針狀焦在硫含量、灰分、揮發(fā)分和真密度等方面有嚴(yán)格質(zhì)量指標(biāo)要求，所以對針狀焦的生產(chǎn)工藝和原料都有特殊的要求。

（2）海綿焦，化學(xué)反應(yīng)性高，雜質(zhì)含量低，主要用于煉鋁工業(yè)及碳素行業(yè)。

（3）彈丸焦或球狀焦：形狀呈圓球形，直徑0.6-30mm，一般是由高硫、高瀝青質(zhì)渣油生產(chǎn)，只能用作發(fā)電、水泥等工業(yè)燃料。

（4）粉焦：經(jīng)流態(tài)化焦化工藝生產(chǎn)，其顆粒細(xì)﹙直徑0.1-0.4mm﹚，揮發(fā)分高，熱脹系數(shù)高，不能直接用于電極制備和碳素行業(yè)。

根據(jù)硫含量的不同，石油焦可分為高硫焦﹙硫含量3%以上﹚和低硫焦﹙硫含量3%以下﹚。高品質(zhì)的低硫焦的硫含量小于0.5%。

半導(dǎo)體工業(yè)用石墨制品有較低灰分、高純的性能要求，因此在石油焦原料選擇上首先要選用含雜質(zhì)元素很少的石油焦品種。其中，石油焦中的針狀焦品種較為理想。

2.4半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用石墨制品的主要特性 半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用石墨制品的主要特性如下：（1）密度

石墨單晶的理論密度是2.26g/cm3，通常人造石墨的密度都在1.5-1.9g/cm3之間，固體的熱解碳的密度可達(dá)2.1g/cm3，純石墨的密度值是其質(zhì)量除以體積 ﹙含所有的氣孔﹚所得的商。

（2）機(jī)械強(qiáng)度

人造石墨不同于其它大部分的材料，它的抗張、抗折和抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而增大，當(dāng)達(dá)到2200K之后，其強(qiáng)度會(huì)下降。在2200K時(shí)，石墨的強(qiáng)度值較室溫時(shí)高一倍。

一般用于半導(dǎo)體、光伏工業(yè)的石墨材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到90-150Mpa；抗折強(qiáng)度為40-65Mpa。（3）導(dǎo)電性

同其他金屬不同，石墨的電阻溫度系數(shù)是負(fù)數(shù)。石墨的導(dǎo)電性好。接近絕對零，只擁有少數(shù)自由電子，本身可充當(dāng)絕緣體，隨著溫度的上升，其導(dǎo)電性會(huì)增加。石墨的導(dǎo)電性較許多金屬要高，且隨著溫度的增加其數(shù)值下降。石墨的導(dǎo)熱性隨著其石墨化程度的不同而有所不同。

（4）熱膨脹性

石墨的熱膨脹系數(shù)以3×10-6K-1級排列，即只相當(dāng)于鐵的1/4。不同牌號的石墨其熱膨脹系數(shù)值會(huì)有所變化，也同石墨材料的各向異性及溫度有關(guān)。

（5）比熱

石墨的比熱在500K-1500K溫度范圍內(nèi)變化較大，它隨著溫度的增高，也有較大的增高。而不同牌號的石墨，其比熱變化很小。

（6）耐溫性

石墨不會(huì)熔化，但在3900K溫度時(shí)能耐溫至750K。石墨有非常好的抗熱沖擊性能，因此急速地加熱或冷卻，石墨都不會(huì)有問題。

﹙7﹚可加工性

石墨容易加工，其邊緣強(qiáng)度和耐磨性好。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、公差嚴(yán)格的部件都可以通過精加工獲得。石墨具有很好的耐浸潤性，它不會(huì)被熔化的玻璃或大部分金屬浸潤。

3.半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)用石墨制品的生產(chǎn)技術(shù)情況

3.1石墨制品的等靜壓成型生產(chǎn)技術(shù) 3.1.1等靜壓成型的主要設(shè)備

世界上最早的一臺(tái)等靜壓機(jī)是由瑞典于1939年研制成功的。目前仍是等靜壓機(jī)出口國。我國最早使用的冷、熱等靜壓機(jī)，也是從該國引進(jìn)的。等靜壓機(jī)最早使用在粉末冶金﹙包括硬質(zhì)合金﹚和陶瓷工業(yè)上，后來為炭石墨材料行業(yè)所采用。

等靜壓成型設(shè)備主要由彈性模具、高壓容器、框架和液壓系統(tǒng)組成。彈性模具一般用橡膠或樹脂合成材料制作，物料顆粒大小和形狀對彈性模具壽命有較大影響，模具設(shè)計(jì)是液等靜壓成型的關(guān)鍵技術(shù)問題，彈性模具與制品的尺寸和均質(zhì)有密切關(guān)系。高壓容器多數(shù)是用高強(qiáng)度合金鋼直接鑄造后經(jīng)機(jī)床加工而成的厚辟金屬筒體，其強(qiáng)度足以抵抗強(qiáng)大的液體壓力，筒體結(jié)構(gòu)也有多數(shù)形式，如雙層組合筒體、預(yù)應(yīng)力鋼絲繞加固筒體等。液壓系統(tǒng)由低壓泵、高壓泵和增壓器及各種閥門組成，開始由流量較大的低壓泵供油，達(dá)到一定壓力后由高壓泵供油，并由增壓器進(jìn)一步增加高壓容器內(nèi)的液體壓力。

等靜壓機(jī)目前已有冷等靜壓﹙常溫下使用﹚、溫等靜壓﹙介質(zhì)溫度為80-100℃）和熱等靜壓（介質(zhì)溫度為1000℃以上﹚三種。

等靜壓成型設(shè)備又分兩種類型，即濕袋法冷等靜壓機(jī)和干袋法冷等靜壓機(jī)。﹙1﹚ 濕袋法冷等靜壓機(jī)

此法將模具懸掛在高壓容器內(nèi)，根據(jù)產(chǎn)品尺寸大小可裝入若干個(gè)模具，適用于批量小、尺寸不大、外形較復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)碳素制品主要用濕袋法冷等靜壓機(jī)。

﹙2﹚干袋法冷等靜壓機(jī)

此法適用于尺寸較大、生產(chǎn)量大的制品，此時(shí)冷等靜壓機(jī)設(shè)備也與濕袋法所用冷等靜壓機(jī)有區(qū)別。它增加了壓力沖頭、限位器和頂料器，此法將彈性模具固定在高壓容器內(nèi)，用限位器定位，因此又稱為固定模法，生產(chǎn)時(shí)用壓力沖頭將料粉裝入模具內(nèi)并封閉上口加壓時(shí)，液體介質(zhì)注入容器內(nèi)的彈性模具外圍，對模具加壓脫模時(shí)不必取出模具，用頂料機(jī)構(gòu)頂出成型后的生坯，批量生產(chǎn)特種耐火材料多用這種等靜壓設(shè)備。

等靜壓設(shè)備的關(guān)鍵部件是缸體，通常承受壓力為200MPa，據(jù)悉，已能制造最高可達(dá)1050MPa的缸體。缸體最早是整體澆鑄，目前多數(shù)采用鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞而成。隨著產(chǎn)品規(guī)格的大型化，缸體直徑不斷向大型化發(fā)展。目前，日本東洋碳素株式會(huì)社已能批量生產(chǎn)φ1500×2000mm的等靜壓石墨。據(jù)悉擬開發(fā)直徑φ2000mm的產(chǎn)品。

我國在上世紀(jì)70年代開始制造單壓200MPa,缸體直徑為200mm的等靜壓機(jī)。80年代已能批量生產(chǎn)直徑500mm和800mm的等靜壓機(jī)。目前已能生產(chǎn)直徑1250mm，有能力生產(chǎn)直徑為1500mm的等靜壓機(jī)。

等靜壓機(jī)除用于壓制成型以外，用作瀝青浸漬裝置，效果十分明顯。將制品與瀝青裝于密封的金屬鋁皮中，放在熱等靜壓機(jī)內(nèi)，采用氣體介質(zhì)，升溫，加壓，直到瀝青全部焦化為止。制品將得到最大的浸漬增重。這是因?yàn)椴粌H瀝青能進(jìn)入制品的全部氣孔，而且沒有通常設(shè)備中，減壓后瀝青外溢和焙燒時(shí)瀝青外滲現(xiàn)象。

3.1.2等靜壓成型的工藝操作

等靜壓成型工藝操作過程如下：

（1）模具準(zhǔn)備模具應(yīng)選擇耐油耐熱的材料，如用天然橡膠制成的模具浸在變壓器油內(nèi)只能使用1-2次，因此以變壓器油為壓力介質(zhì)時(shí)一般選用耐油性較好的氯丁橡膠，也可以選用聚氯乙烯塑料薄膜制成模具。

（2）裝料裝入模具的原料有多種，如末煅燒過的生石油焦粉末﹙可不用粘結(jié)劑﹚，煅燒過的石油焦粉與瀝青混捏成的糊料磨粉后使用。煅燒過的石油焦磨成粉丙與粉狀瀝青混合后使用不同的原料及配比可以獲得不同的成型效果及不同的物理機(jī)械性能裝料時(shí)應(yīng)同時(shí)振動(dòng)，使粉狀原料在模具內(nèi)初步密實(shí)裝完料后用手工對模具適當(dāng)整形，然后將模具另一端塞上橡膠塞或塑料塞，并用鐵絲扎緊，防止液體介質(zhì)侵入模具，為了使粉料中的氣體能在受壓時(shí)充分排出，預(yù)先在粉料中插入排氣管，并外接真空泵抽氣生產(chǎn)某些球形產(chǎn)品時(shí)，則應(yīng)先將粉料用模壓法預(yù)壓成球體，再置入相應(yīng)尺寸的等靜壓成型模具內(nèi)；最后把裝好粉料的模具置于高壓容器中，密封高壓容器入口后進(jìn)行加壓。

（3）升壓及降壓啟動(dòng)高壓泵，將液體介質(zhì)注入高壓容器，并密切注意升壓及排氣情況加壓一般采取分階段逐步進(jìn)行，例如，先將壓力升至5MPa,保持一段時(shí)間，使模具內(nèi)氣體部分排出，此時(shí)，粉料受壓體積收縮，因此高壓容器內(nèi)壓力略有下降以后再次升壓至20MPa左右，排出部分氣體后粉料體積再次收縮，然后再一次升高壓力到所需的工作壓力，并在選定的高壓下保持20-60min后再降壓待壓力降至常壓時(shí)，打開高壓容器入口后取出模具還可以采用對高壓容器加熱的辦法升壓，因液體受熱體積膨脹，加熱后壓力自動(dòng)升高，但這種壓力自動(dòng)升高有一定的限度。

3.2等靜壓石墨的特性 3.2.1各向同性

石墨壓制前的物料，無論是糊料，還是粉末，物料的顆粒排列是無序的，在壓力作用下，粉末顆粒發(fā)生位移和變形，顆粒間的接觸表面因塑性變形而增大，發(fā)生機(jī)械的咬合和交織，使物料被壓實(shí)。物料中的炭質(zhì)顆粒，用顯微鏡觀察，可以看到，他們既非圓形，也非方形。屬不規(guī)則形狀。即長、寬比不同。在擠壓和模壓的情況下，受單方向壓力和模具摩擦作用，這些炭質(zhì)顆粒將作有序排列。這便造成最終產(chǎn)品性能上的差異，如電氣、機(jī)械、熱性能等。即垂直于壓力面的方向與水平于壓力面的方向性能不同，人們稱其為“各向異性”。在許多使用的場合，不需要石墨的“各向異性”，而需要它的“各向同性”。

等靜壓成型改物料的單方向（或雙方向）受壓為多方向（全方位）受壓，碳素顆粒始終處于無序狀態(tài)。從而使最終產(chǎn)品沒有或很少有性能上的差異。方向上的性能比不大于111。人們稱其為：“各向同性”。當(dāng)然，為了進(jìn)一步縮小性能上的差異，除關(guān)鍵的等靜壓機(jī)成型外，尚需在炭質(zhì)顆粒結(jié)構(gòu)和工藝上進(jìn)一步調(diào)整。

各向同性石墨材料的最大特征，是石墨各方向測定的性能都是等同性的（異方性）。它的異方向性為1.0-1.1，一般為1.02-1.06。此外，各向同性石墨的體積密度、機(jī)械強(qiáng)度等與普通石墨相比，其性能要高一個(gè)檔次，如體積密度為1.70-1.90g/cm3（普通石墨為1.60-1.80 g/cm3），抗折強(qiáng)度為35-90MPa（普通石墨為25-45MPa）等。

3.2.2體積密度的均一性

為制造細(xì)結(jié)構(gòu)，質(zhì)地致密，組織均勻的石墨制品，采用粉末壓制（而非糊料）是唯一的方法。而用粉末壓制只有采用模壓方法和等靜壓方法。在采用模壓成型時(shí)，無論是單面壓制或雙面壓制，受摩擦力（炭質(zhì)顆粒間和制品

與模具間）的影響，壓力的傳遞將逐漸降低，從而造成體積密度的不均勻。這種差異，隨制品的高度增加而加大。

這種毛坯整體上的密度不均勻，不僅為以后工序——焙燒帶來隱患，亦將造成毛坯加工成品部件時(shí)，帶來單個(gè)產(chǎn)品的性能差異，是十分有害的。

采用等靜壓機(jī)成型時(shí)，產(chǎn)品各方位受力均勻，體積密度比較均一，且不受產(chǎn)品高度的限制。3.2.3可以制造大規(guī)格制品

由于信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，單晶硅的直徑不斷向大直徑方向延伸，已由原來的75-100mm，發(fā)展到150-200mm，而且正向250mm、300mm發(fā)展。需要石墨材料的直徑也隨之增加。此外電火花加工用石墨、連鑄石墨、核反應(yīng)堆用石墨亦需大規(guī)格制品，如當(dāng)今商品市場上已出現(xiàn)?1500×2000mm的石墨制品。而采用模壓方法是無法完成的。這是因?yàn)樗艿较铝兄萍s：

（1）壓機(jī)噸位的限制

以產(chǎn)品直徑1500mm為例，假如壓制單位壓力為100MPa，則壓制的使用壓力將為：17，662.5t，設(shè)計(jì)的噸位將更高。雖然當(dāng)今制造這樣高噸位的壓機(jī)，并不困難，但是假如制品長度加大，則此壓機(jī)將是一個(gè)龐然大物。造價(jià)亦十分可觀。

（2）產(chǎn)品高度的限制

目前采用雙面壓制模壓產(chǎn)品的高度，也只能在300-400mm之間，假如制品高度為2，000mm，在通常情況下，上滑塊與壓機(jī)床面高度與制品高度比是4：1，那么壓機(jī)的空間距離將達(dá)到8000mm。雖然對壓機(jī)和模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變，有望降低一些高度，但壓機(jī)的設(shè)計(jì)與制造上將遇到很大的困難。更何況如此高的產(chǎn)品，其體積密度上的差異，將十分明顯。甚至造成中間部位無法成型的狀態(tài)。

（3）焙燒的限制

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，炭石墨制品的生產(chǎn)廢品，70%以上是焙燒工序造成的，廢品的主要形式是產(chǎn)品的內(nèi)、外部裂紋。造成焙燒產(chǎn)品開裂的原因很多，諸如配方的合理性、粘結(jié)劑的加入量多少、單位壓力的大小、焙燒曲線的快慢、產(chǎn)品受熱的均勻程度、焙燒低溫過程的“浸氧”、填充料的性質(zhì)等等，但不可否認(rèn)，制品體積密度的不均勻，是產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺欠所造成焙燒開裂的主要元兇之一。這是因?yàn)轶w積密度的不同，膨脹系數(shù)便有差異，在焙燒過程中，將產(chǎn)生不均衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)這種內(nèi)應(yīng)力超過制品本身強(qiáng)度時(shí)，便因內(nèi)應(yīng)力釋放而開裂。這種開裂不僅在焙燒過程中產(chǎn)生，在冷卻過程也易于產(chǎn)生。

由于等靜壓機(jī)成型的產(chǎn)品，如上所述，在很大程度上，克服了體積密度的不均勻性，不僅在產(chǎn)品規(guī)格相同的情況下，產(chǎn)品開裂的可能性大幅度降低，而且使生產(chǎn)大規(guī)模產(chǎn)品成為可能。除上述之外，采用等靜壓機(jī)成型的等靜壓石墨，除圓形和板材之外，還可以制造異形產(chǎn)品。更重要的是，產(chǎn)品性能與產(chǎn)品的規(guī)格大小無關(guān)。

3.2.4各向同性石墨與各向異性石墨的性能比較 各向同性石墨與各向異性石墨的性能比較見表3-1 表3-1 各向同性石墨與各向異性石墨的特性比較 對比項(xiàng)目 各向異性比

平均焦炭顆粒直徑/?m 體積密度/（g/cm3）抗折強(qiáng)度/MPa 毛坯尺寸/mm 最大直徑-圓筒形 最大直徑-圓柱形 最大長度 毛坯形狀 毛坯尺寸與特性

各向同性石墨 1.0-1.1 1-10 1.7-2.0 39.2-98 1500 1100 2500

可以制造長尺寸和異形材料 特性與毛坯形狀尺寸無關(guān)

不同

毛坯尺寸精度

毛坯內(nèi)離散程度體積密度的R值

體積密度LOT間的離散

4.石墨制品及制品在半導(dǎo)體工業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用情況 4.1石墨材料在鑄錠多晶硅制造中的應(yīng)用 4.1.1鑄錠多晶硅

2007年在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)低速增長的情況下，中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，比2006年增長了20.8%，隨著各國對可再生能源的重視，以及太陽能電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高，產(chǎn)品成本不斷下降，太陽能電池產(chǎn)量快速增長。自2000年以來光伏市場的發(fā)展超過了工業(yè)歷史上的任何一次飛躍。2007年全球太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到4000MW，較2006年增長了56%，中國2007年太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到1088MW，同比增長148%，市場占有率由2006年的17%提升到27%。光伏發(fā)電的前景已經(jīng)被越來越多的國家和金融界認(rèn)識，多晶硅材料不僅用于半導(dǎo)體集成電路單晶硅的生產(chǎn)，同時(shí)還大量用于光伏太陽能電池產(chǎn)業(yè)，特別是用多晶硅生產(chǎn)的單晶硅制造的太陽能電池片其轉(zhuǎn)化效率高﹙13%-18%﹚。

硅太陽能電池所用的單晶硅片，主要來自兩種工藝渠道生產(chǎn)、供應(yīng)的。一類是通過直拉單晶硅，生產(chǎn)出單晶硅棒，經(jīng)切割等制成晶圓。另外一類是以多晶硅為原料，通過鑄錠方法制成鑄錠多晶硅塊，再利用線切割機(jī)加工制成晶圓。

在太陽能電池制造的工藝流程中，可以看出，多晶硅鑄錠是整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)工序。利用鑄造技術(shù)制備硅多晶體，稱為鑄造多晶硅或鑄錠多晶硅﹙multicrystalline silicon,mc-Si﹚。鑄造多晶硅雖然含有大量的晶粒、晶界、位錯(cuò)和雜質(zhì)，但由于省去了高費(fèi)用的晶體拉制過程，所以相對成本較低，而且能耗也較

精度不好

與毛坯內(nèi)部位置無關(guān)，特性離散小，0.03以內(nèi)

±0.03

精度較好

中心部位與周邊部位特性有差異，0.06左右

±0.6 各向異性石墨 大于1.1 10-100 1.6-1.8 29.4-58.8 500 500 500

不能制造長尺寸和異形制品 根據(jù)毛坯形狀、尺寸大小特性

低，在國際上得到了廣泛應(yīng)用。

與直拉單晶硅相比，鑄造多晶硅的主要優(yōu)勢是①材料利用率高、能耗小、制備成本低，而且其晶體生長簡便，易于大尺寸生長；②可直接得到方錠，與拉制單晶圓棒相比，在切割制備硅片的過程中比較省料，提高了硅料的利用率，且方形較圓形易于提高電池模塊的包裝密度。但是，其缺點(diǎn)是含有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對較高的雜質(zhì)濃度，其晶體的質(zhì)量明顯低于單晶硅，從而降低了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

目前，太陽能用于多晶硅片主要采用鑄造多晶硅，多晶片的制作工藝是一個(gè)鑄造過程，在這個(gè)過程中，熔化的硅被傾倒到一個(gè)模子里并且被定型，然后它被切成薄片。因?yàn)槎嗑峭ㄟ^模鑄被制作出來的，由于鑄造過程的晶體結(jié)構(gòu)上的不完整，鑄造多晶硅太陽能電池的效率低于單晶硅電池，但是由于生產(chǎn)工藝簡單，所以他們能夠更加便宜的被生產(chǎn)，具有廣闊的市場前景。

早在1975年，德國的瓦克﹙Wacker﹚公司在國際上首先利用澆鑄法制備多晶硅材料﹙SILSO﹚制造太陽能電池。幾乎同時(shí)，其他研究小組也提出了不同的鑄造工藝來制各多晶硅材料如美國Solarex公司的結(jié)晶法、美國晶體系統(tǒng)公司的熱交換法、日本電氣公司和大阪鈦公司的模具釋放鑄錠法等。以此為開端，鑄造多晶硅產(chǎn)品走入人們的視線。

自從鑄造多晶硅發(fā)明以后，技術(shù)不斷改進(jìn)，質(zhì)量不斷提高，應(yīng)用也不斷廣泛。在材料制備方面，平面固液界面技術(shù)和氮化硅涂層技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用、材料尺寸的不斷加大；在電池方面，SiN減反射層技術(shù)、氫鈍化技術(shù)、吸雜技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，使得鑄造多晶硅材料的電學(xué)性能有了明顯改善，其太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到了迅速提高，實(shí)驗(yàn)室中的效率從1976年的12.5%提高到21世紀(jì)初的19.8%。近年來更達(dá)到20.3%。而在實(shí)際生產(chǎn)中的鑄造多晶硅太陽能電池效率也已達(dá)到15%-16%左右。

由于鑄造多晶硅的優(yōu)勢，包括中國在內(nèi)的世界各主要太陽能生產(chǎn)國都在努力發(fā)展其工業(yè)規(guī)模。自20世紀(jì)90年代以來，國際上新建的太陽能電池和材料的生產(chǎn)線大部分是鑄造多晶硅生產(chǎn)線，并且隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)的提升，更多的鑄造多晶硅材料和電池生產(chǎn)線投入應(yīng)用。目前，鑄造多晶硅已占太陽能電池材料的55%以上，稱為最主要的太陽能電池材料。

鑄造多晶硅片加工流程是由鑄錠開始，到多晶硅硅片的加工而完成。它的完整工藝流程參見下圖。

裝料 ↓ 硅片清洗

↓ 包裝

多晶硅片的典型生產(chǎn)工藝如下：

（1）裝料：將清洗后的或免洗的51料裝入噴有氮化硅的涂層的石英坩堝內(nèi)，整體放置在定向凝固塊上，下 →出廠 ← 多線切割

←

破錠

←

硅錠出爐

→熔化

→

定向生長

→

冷卻凝固

爐罩上升與上爐罩合攏，抽真空，并通入氬氣作為保護(hù)氣體，爐內(nèi)壓力大致保持在4×104-6×104Pa左右；

（2）加熱：利用均布于四周的石墨加熱器按設(shè)定的速率緩慢加熱，去除爐內(nèi)設(shè)施及硅料表面吸附的濕氣等；（3）熔化：增大加熱功率，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到1540℃左右的硅料熔化溫度并一直保持直至硅料完全熔化；（4）長晶：Si料熔化結(jié)束后，適當(dāng)減小加熱功率，工作區(qū)溫度降至1430℃左右的硅的熔點(diǎn)，緩慢提升隔熱籠，使石英坩堝底部的定向凝固塊慢慢露出加熱區(qū)，形成垂直方向的大于0℃的溫度梯度，坩堝中硅料的溫度自底部開始降低并形成固液界面，多晶開始在底部形成，隨著隔熱籠的提升，水平的固液界面也逐漸上升，多晶硅呈柱狀向上生長，生長過程中需要盡量保持水平方向的零溫度梯度，直至晶體生長完成，該過程視裝料的多少而定，約需要20-30h；

（5）退火：長晶完成后，由于坩堝中51料的上部和下部存在較大的溫差，這時(shí)的多晶硅錠會(huì)存在一定的熱應(yīng)力，容易在后道剖錠、切片和電池制造過程中碎裂，因此，長晶后應(yīng)保溫在硅熔點(diǎn)附近一段時(shí)間以使整個(gè)晶錠的溫度逐漸均勻，減少或消除熱應(yīng)力；

（6）冷卻：退火后，加熱器停止加熱，并通入大流量氬氣，使?fàn)t內(nèi)溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升，直至達(dá)到大氣壓及容許的出錠溫度。

（7）出錠：降低下爐罩，露出固定器上的坩堝，用專用的裝卸料叉車將坩堝叉出；

（8）破錠：利用剖錠機(jī)將多晶硅錠上易吸收雜質(zhì)的上下表面及周邊切除，按所需硅片尺寸﹙如125mm×125mm規(guī)格或156mm×156mm規(guī)格﹚切割成均勻的方形硅柱；

（9）切片：用多線切割機(jī)將方形Si柱切割成厚度為220?m左右的多晶硅片；（10）清洗、包裝：清洗切好的硅片以去除切削液及表面的其他殘余物，烘干后包裝待用，工藝結(jié)束。

4.1.2多晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)多晶硅片的生產(chǎn)工藝可以得知其核心設(shè)備為大容量多晶硅鑄錠爐。它是將硅料高溫熔融后通過定向冷卻冷凝結(jié)晶，使其形成晶向一致的硅錠，從而達(dá)到太陽能電池生產(chǎn)對硅片品質(zhì)的要求。多晶硅鑄錠爐是多晶硅制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，其工藝流程的穩(wěn)定性、設(shè)備控制的穩(wěn)定性和先進(jìn)性直接關(guān)系到是否生成出合格的硅錠，而合格的硅錠直接決定著硅片制成的電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

多晶硅鑄錠爐由罐狀爐體、加熱器、裝載及隔熱籠升降機(jī)構(gòu)、送氣及水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)組成。多晶硅片質(zhì)量的好壞主要取決于多晶硅在多晶硅鑄錠爐中的定向生長。

為了完成上述連續(xù)的工藝過程，全自動(dòng)多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)由下面的幾大工作系統(tǒng)組成。它們分別為抽真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、保溫層升降系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)。

（1）抽真空系統(tǒng)

抽真空系統(tǒng)是保持硅錠在真空下進(jìn)行一系列處理，要求在不同的狀態(tài)下，保持爐內(nèi)真空壓力控制在一定范圍內(nèi)。這就要求真空系統(tǒng)既有抽真空設(shè)備，同時(shí)還有很靈敏的壓力檢測控制裝置。保證硅錠在生長過程中，處于良好 的氣氛中。抽真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統(tǒng)組成。

（2）加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)是保持工藝要求的關(guān)鍵，采用發(fā)熱體加熱，由中央控制器控制發(fā)熱體，并可保證恒定溫場內(nèi)溫度可按設(shè)定值變化；同時(shí)控制溫度在一精度范圍內(nèi)。完成硅錠在長晶過程中對溫度的精確要求。

（3）測溫系統(tǒng)

測溫系統(tǒng)是檢測爐內(nèi)硅錠在長晶過程中溫度的變化，給硅錠長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，以便使長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整長晶參數(shù)，使這一過程處于良好狀態(tài)。

（4）保溫層升降系統(tǒng)

保溫層升降系統(tǒng)機(jī)構(gòu)是保證硅錠在長晶過程中，保持良好的長晶速度，它是通過精密機(jī)械升降系統(tǒng)，并配備精確的位置、速度控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。保證硅錠晶核形成的優(yōu)良性，保證光電轉(zhuǎn)化的高效性。

（5）壓力控制系統(tǒng)

壓力控制系統(tǒng)主要保證爐內(nèi)硅錠在生長過程中，在一特定時(shí)間段內(nèi)，壓力根據(jù)工藝要求保持在一壓力下。它由長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)來控制。

（6）其他輔助系統(tǒng)

多晶硅鑄錠爐的工作原理：將多晶硅料裝入有涂層的坩堝內(nèi)后放在定向凝固塊上，關(guān)閉爐膛后抽真空，加熱待硅料完全熔化后，隔熱籠緩慢往上提升，通過定向凝固塊將硅料結(jié)晶時(shí)釋放的熱量輻射到下爐腔內(nèi)壁上，坩堝底部的定向凝固塊單向散熱，在硅料液固界面處形成豎直的、大于0℃的溫度梯度，進(jìn)行柱狀結(jié)晶生長。硅料凝固后，硅錠經(jīng)過退火、冷卻后出爐即完成整個(gè)鑄錠過程。

4.1.3石墨材料在多晶硅鑄錠爐中的應(yīng)用

多晶硅鑄錠爐中，多個(gè)組件是需要石墨材料。特別是加熱器中使用的加熱材料-高純石墨，以及加熱器中使用的隔熱材料-高純碳?xì)指魺岵牧?，是目前重要的配套材料?/p>

﹙1﹚ 加熱器中使用的加熱材料-高純石墨材料

在多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)上，為使硅料熔融，必須采用合適的加熱方式。從加熱的效果而言，感應(yīng)加熱和輻射加熱均可以達(dá)到所需的溫度。一般多采用輻射加熱方式。它可以對結(jié)晶過程的熱量傳遞進(jìn)行精確控制，易于在坩堝內(nèi)部形成垂直的溫度梯度。

加熱器的加熱能力必須超過1650℃，同時(shí)其材料不能與硅料反應(yīng)，不對硅料造成污染，能在真空及惰性氣氛中長期使用。符合使用條件可供選擇的加熱器有金屬鎢、鉬和非金屬石墨等。由于鎢、鉬價(jià)格昂貴，加工困難，而石墨來源廣泛，可加工成各種形狀。另外，石墨具有熱慣性小、可以快速加熱，耐高溫、耐熱沖擊性好，輻射面積

大、加熱效率高、且基本性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

﹙2﹚ 加熱器中使用的隔熱材料-高純碳?xì)指魺岵牧?/p>

對于鑄錠工藝而言，為了提高生產(chǎn)效率，要求設(shè)備的升溫速度盡可能快；由于采用真空工藝，要求爐內(nèi)材料的放氣量應(yīng)盡可能少，縮短真空排氣的時(shí)間；同時(shí)硅料中溫度梯度的形成還需要隔熱層的精確提升實(shí)現(xiàn)，隔熱層的質(zhì)量要盡可能輕，以減少升降時(shí)的慣性而影響控制精度。綜上所述對于隔熱材料的選擇要求是：耐高溫、密度低、導(dǎo)熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數(shù)小，在眾多的耐火保溫材料中，以高純碳?xì)肿顬槔硐搿?/p>

由于石墨具有許多優(yōu)良的性能，因而在冶金、機(jī)械、電氣、化工、紡織、國防等工業(yè)部 門獲得廣泛應(yīng)用。作耐火材料

石墨的一個(gè)主要用途是生產(chǎn)耐火材料，包括耐火磚，坩堝，連續(xù)鑄造粉，鑄模芯，鑄模 洗滌劑和耐高溫材料。近年來，耐火材料工業(yè)中兩個(gè)重要的變化是鎂碳磚在煉鋼爐 內(nèi)襯中被廣泛應(yīng)用，以及鋁碳磚在連續(xù)鑄造中的應(yīng)用。使石墨耐火材料與煉鋼業(yè)緊密相連，全世界煉鋼業(yè)約消耗的耐火材料。

鎂碳磚鎂碳耐火材料是年代中期，由美國研制成功，年代，日本煉鋼業(yè)開始把鎂碳磚用于水冷卻電弧爐煉中。目前在世界范圍內(nèi)鎂碳磚已大量用于煉鋼，并已成為石墨的一種傳統(tǒng)用途。年代初，鎂碳磚開始用于氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的爐襯。

鋁碳磚鋁碳耐火材料主要用于連續(xù)鑄造、扁鋼坯自位輸管道的堡罩，水下噴 管以及油井爆破筒等。在日本用連續(xù)鑄造生產(chǎn)的鋼占總生產(chǎn)量的以上，英國為。

坩堝及有關(guān)制品用石墨制造的成型和耐火的坩堝及其有關(guān)制品，例如坩堝、曲 頸瓶、塞頭和噴嘴等，具有高耐火性，低的熱膨脹性，熔煉金屬過程中，受到金屬浸潤和沖刷時(shí)亦穩(wěn)定，高溫下良好的熱震穩(wěn)定性和優(yōu)良的傳導(dǎo)性，所以石墨坩堝及其有關(guān)制品被廣泛用于直接熔融金屬的工藝中。傳統(tǒng)的石墨粘土坩堝用含碳量大于的鱗片石墨制造，通常石墨鱗片應(yīng)大于目（-篩），而目前國外在坩堝生產(chǎn)技術(shù)中的重要改進(jìn)是，所用石墨的類型、鱗片大小和質(zhì)量有了更大的靈活性其次是用碳化硅石墨坩堝替代了傳統(tǒng)的粘土石墨坩堝，這是隨著煉鋼工業(yè)中恒壓技術(shù)的引進(jìn)而產(chǎn)生的。采用恒壓技術(shù)還可以使小鱗片石墨得到應(yīng)用,在粘土石墨坩堝中，含碳量達(dá)的大鱗片石墨約占/，而在碳化硅石墨坩堝中，大鱗片成分的含量僅占，石墨的含碳量降為。煉鋼

石墨和其他雜質(zhì)材料用于煉鋼工業(yè)時(shí)可作為增碳劑。滲碳使用的碳質(zhì)材料的范圍 第一篇石墨生產(chǎn)新工藝新技術(shù)

很廣，包括人造石墨、石油焦、冶金焦炭和天然石墨。在世界范圍內(nèi)煉鋼增碳劑用石墨仍 是土狀石墨的主要用途之一。作導(dǎo)電材料

石墨在電氣工業(yè)中廣泛用來作電極、電刷、碳棒、碳管、水銀整流器的正極、石墨墊

圈、電話零件、電視機(jī)顯像管的涂層等等。其中以石墨電極應(yīng)用最廣，在冶煉各種合金鋼、鐵合金時(shí)，使用石墨電極，這時(shí)強(qiáng)大的電流通過電極導(dǎo)入電爐的熔煉區(qū)，產(chǎn)生電弧，使電能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度升高到左右，從而達(dá)到熔煉或反應(yīng)的目的。此外，在電解金

屬鎂、鋁、鈉時(shí)，電解槽的陽極也用石墨電極。生產(chǎn)剛砂的電阻爐也用石墨電極作爐頭導(dǎo)電材料。電氣工業(yè)中所使用的石墨，對粒度和品位要求很高。如堿性蓄電池和一些特殊的電碳制品，要求石墨粒度控制在目目范圍內(nèi)，品位以上，有害雜質(zhì)（主要是金屬鐵）要求在以下。電視機(jī)顯像管所用的石墨，粒度要求在以下。作耐磨和潤滑材料石墨在機(jī)械工業(yè)中常作潤滑劑。潤滑油往往不能在高速、高溫、高壓的條件下使用,而石墨耐磨材料可以在-溫度并在很高的滑動(dòng)速度下（/）不用潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質(zhì)的設(shè)備，廣泛采用石墨材料制成活塞環(huán)、密封圈和軸承，它們運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，勿需加入潤滑油，石墨乳也是許多金屬加工

（拔絲、拉管）時(shí)的良好的潤滑劑。作耐腐蝕材料

石墨具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導(dǎo)熱性好、滲透率低等特點(diǎn)，而廣泛用于制作熱交換器、反應(yīng)槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵等設(shè)備。這些設(shè)備用于石油化工、濕法冶金、酸堿生產(chǎn)、合成纖維、造紙等工業(yè)

部門，可節(jié)省大量的金屬材料。0作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料由于石墨的膨脹系數(shù)小，而且能耐急冷急熱的變化，可作為玻璃器皿的鑄模，使用石

墨后，黑色金屬得到的鑄件尺寸精確，表面光潔，成率高，不經(jīng)加工或稍作加工就可使用，因而節(jié)省了大量金屬。生產(chǎn)硬質(zhì)合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料制成壓耐燒結(jié)用的舟皿。單晶硅的晶體生長坩堝、區(qū)域精煉容器、支架、夾具、感應(yīng)加熱器等，都是用高純石墨加工而成的。此外，石墨還可以作真空冶的石墨隔熱板和底座，高溫電阻爐爐管、棒、板、格棚等元件。1用于原子能工業(yè)和國防工業(yè) 第一章石墨生產(chǎn)新工藝新技術(shù)概述

石墨具有良好的中子減速性能，最早作為減速劑用于原子反應(yīng)堆中，鈾—石墨反應(yīng)堆是目前應(yīng)用較多的一種原子反應(yīng)堆。作為動(dòng)力用的原子能反應(yīng)堆中的減速材料應(yīng)當(dāng)具有高熔點(diǎn)、穩(wěn)定、耐腐蝕的性能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應(yīng)堆用的石墨純度要求很高，雜質(zhì)含量不應(yīng)超過幾十個(gè)（為百萬分之一），特別是其中硼的含量應(yīng)小于。在國防工業(yè)中還用石墨制造固體燃料火箭的噴嘴，導(dǎo)彈的鼻錐，宇宙航行設(shè)備的零件，隔熱材料和防射線材料 作防垢防銹材料

石墨能防止鍋爐結(jié)垢，有關(guān)單位試驗(yàn)表明，在水中加入一定量的石墨粉（每噸水大約用），能防止鍋爐表面結(jié)垢。此外石墨涂在金屬煙囪、屋頂、橋梁、管道上可以防腐和防銹。石墨新用途

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對石墨也開發(fā)了許多新用途。柔性石墨制品。柔性石墨又稱膨脹石墨，是年代開發(fā)的一種新的石墨制品。美國研究成功柔性石墨密封材料，解決了原子能閥門泄漏問題，隨后德、日、法也

開始研制生產(chǎn)。這種產(chǎn)品除具有天然石墨所具有的特性外，還具有特殊的柔性和彈性。因此，是一種理想的密封材料。廣泛用于石油化工、原子能等工業(yè)領(lǐng)域。國際市場需求 量逐年增長。1.石墨在冶金行業(yè)的應(yīng)用

利用石墨材料的導(dǎo)熱性、熱震穩(wěn)定性、抗浸性、潤滑性等特性，制作如下產(chǎn)品：

冶金用耐火材料：抗氧化浸漬炭--石墨材料；連鑄鋼包用鋁鎂尖晶石--炭磚；鋁碳磚；剛玉--炭質(zhì)滑板等。這些材料具有蝕損速率較小，熱震穩(wěn)定性、耐侵蝕性、熱態(tài)強(qiáng)度等高溫性能優(yōu)良的特點(diǎn)，滿足大中型連鑄鋼包工作條件，值得大力推廣。

石墨坩堝：用石墨坩堝作為爐的襯里來熔煉FeAlC永磁合金，對雜質(zhì)元素的控制十分有效。

高純石墨結(jié)晶器：可廣泛使用于鑄銅、鋅等工業(yè)鑄錠工藝，具有良好的導(dǎo)熱性、緩冷性、潤滑性和耐高溫且線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)。

石墨提溫劑：煉鋼轉(zhuǎn)爐加類石墨進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。類石墨提溫機(jī)理是：類石墨加入轉(zhuǎn)爐內(nèi)受高溫逸出揮發(fā)分；類石墨中的固定碳向碳下飽和的半鋼中熔解；揮發(fā)分氧化燃燒；4）殘?zhí)嫉娜紵?；熔解碳在煉鋼氣氛下氧化?/p>

石墨潤滑劑：石墨潤滑劑在鈦合金熔煉中應(yīng)用。石墨在溫度低于800℃時(shí)能有效地作為潤滑劑使用。2.石墨在電器、電子行業(yè)的應(yīng)用

彩管低阻內(nèi)導(dǎo)電石墨涂料：石墨涂料具有良好的導(dǎo)電性、低廉的價(jià)格及操作工藝簡單的特點(diǎn)，用于彩管玻殼內(nèi)外涂敷。

銀/石墨電觸頭材料：電觸頭是電器開關(guān)、儀器儀表中的接觸元件，主要承擔(dān)電路接通、斷開及通過負(fù)載電流的作用。銀/石墨觸頭材料由于其具有高的抗熔焊性、低的溫升特性和穩(wěn)定的低電阻等特點(diǎn)而成功地應(yīng)用在電路斷路器等開關(guān)儀器儀表中。石墨的主要作用于阻止觸頭粘接和熔焊，并且不形成任何的絕緣物使接觸電阻變大。

石墨/丙烯酸導(dǎo)電涂料：導(dǎo)電涂料用于抗靜電、電磁屏蔽外，防電磁波干擾。也可作電熱涂料。

石墨導(dǎo)電硅橡膠：導(dǎo)電硅橡膠在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣闊的應(yīng)用，如計(jì)算器及個(gè)人計(jì)算機(jī)中的像膠接頭，高壓電纜的半導(dǎo)層等。填充炭黑/石墨的導(dǎo)電硅橡膠材料體積電阻率介于101~105Ω·cm，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能，并可根據(jù)需要開發(fā)出各種產(chǎn)品。

石墨還可用于電極、鋰離子電池等。（石墨電極具有良好的電性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫下機(jī)械強(qiáng)度高，雜質(zhì)含量少，抗振性能好。是熱和電的良好導(dǎo)體。廣泛用于煉鋼電弧爐、精煉爐、生產(chǎn)鐵合金、工業(yè)硅、黃磷、剛玉等礦熱爐及其他利用電弧產(chǎn)生高溫的熔煉爐中。）3.石墨在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用

利用石墨的自潤滑性和良好的耐磨性，可制作如下產(chǎn)品：

人造金剛石合成片：廣泛用于磨削加工工具。

石墨型硬質(zhì)合金耐磨焊條：采用WC、NbC、VC（W、Ti)、TiC等碳化物和斯特利6鈷合金組成的混合粉末來堆焊，防止零件的磨損。

石墨抗磨材料：石墨材料具有獨(dú)特的自潤滑性和良好的耐磨性而在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用更趨廣泛，在機(jī)械密封領(lǐng)域中扮演著十分重要的角色。

潛艇泵用石墨軸承：潛艇泵研制的石墨軸承材料，具有高強(qiáng)、高密、耐磨、自潤滑性能好等優(yōu)良性能。

航空電刷：電刷中加入精煉石墨粉含量控制在1%~0.1%之間可提高航空電刷耐磨性和潤滑性是提高航空電刷地面壽命試驗(yàn)的優(yōu)良固體潤滑劑。

印染機(jī)械用新型復(fù)合石墨軸承：采用工程塑料填充石墨研制的新型復(fù)合石墨軸承，具有耐磨性好，摩擦系數(shù)小，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

新型石墨換熱器：具有很強(qiáng)的耐酸堿、耐溫、耐壓性能，且使用壽命長。

石墨襯里防腐設(shè)備：化工生產(chǎn)中，氣體或液體介質(zhì)對設(shè)備的腐蝕是十分常見的，它使設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)遭到破壞，出現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，造成原料及能源的浪費(fèi)，還嚴(yán)重污染環(huán)境，甚至釀成重大事故，可見化工設(shè)備的防腐極為重要。4.石墨在化工領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨催化劑：石墨催化有機(jī)反應(yīng)條件溫和，選擇性高，在催化合成領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。石墨具有層狀結(jié)構(gòu)、良好的熱穩(wěn)定性和膨脹性質(zhì)以及允許外來分子嵌入等，使它可作為不同類型的有機(jī)反應(yīng)催化劑，可應(yīng)用于取代、加成、重排、氧化和還原反應(yīng)等。

酚醛石墨管：密實(shí)無孔，不需再進(jìn)行浸漬或表面機(jī)加工，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐浸漬和較高的機(jī)械強(qiáng)度，可廣泛用于石油化工。

石墨制品在水泥回轉(zhuǎn)窯上的應(yīng)用：石墨可以作為密封、潤滑材料，被普遍應(yīng)用在眾多的水泥回轉(zhuǎn)窯上。其用途主要有二：一是用于窯頭、窯尾的密封；二是用于托輪與輪帶之間的潤滑。5.石墨材料與核工程

石墨和炭材料在核工程中的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣，在核工程的發(fā)展中起著助產(chǎn)士的作用，石墨慢化的反應(yīng)堆才有可能使天然鈾實(shí)現(xiàn)自持核裂變*。用足夠純度和密度的石墨，用天然鈾作燃料，自持可控核裂變*是可以實(shí)現(xiàn)。在未來核工程的發(fā)展中將展現(xiàn)出巨大的活力。6.石墨的其它用處

吸附劑：膨脹石墨對柴油的吸附很好，在低濃度情況下，殘油量很少。

石墨用于防火、隔熱。

用石墨制作取暖器、輸油管道保溫層、以及太陽能熱水器等。

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4.1石墨材料在鑄錠多晶硅制造中的應(yīng)用 4.1.1鑄錠多晶硅

2007年在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)低速增長的情況下，中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，比2006年增長了20.8%，隨著各國對可再生能源的重視，以及太陽能電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高，產(chǎn)品成本不斷下降，太陽能電池產(chǎn)量快速增長。自2000年以來光伏市場的發(fā)展超過了工業(yè)歷史上的任何一次飛躍。2007年全球太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到4000MW，較2006年增長了56%，中國2007年太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到1088MW，同比增長148%，市場占有率由2006年的17%提升到27%。光伏發(fā)電的前景已經(jīng)被越來越多的國家和金融界認(rèn)識，多晶硅材料不僅用于半導(dǎo)體集成電路單晶硅的生產(chǎn)，同時(shí)還大量用于光伏太陽能電池產(chǎn)業(yè)，特別是用多晶硅生產(chǎn)的單晶硅制造的太陽能電池片其轉(zhuǎn)化效率高﹙13%-18%﹚。

硅太陽能電池所用的單晶硅片，主要來自兩種工藝渠道生產(chǎn)、供應(yīng)的。一類是通過直拉單晶硅，生產(chǎn)出單晶硅棒，經(jīng)切割等制成晶圓。另外一類是以多晶硅為原料，通過鑄錠方法制成鑄錠多晶硅塊，再利用線切割機(jī)加工制成晶圓。

在太陽能電池制造的工藝流程中，可以看出，多晶硅鑄錠是整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)工序。

利用鑄造技術(shù)制備硅多晶體，稱為鑄造多晶硅或鑄錠多晶硅﹙multicrystalline silicon,mc-Si﹚。鑄造多晶硅雖然含有大量的晶粒、晶界、位錯(cuò)和雜質(zhì)，但由于省去了高費(fèi)用的晶體拉制過程，所以相對成本較低，而且能耗也較低，在國際上得到了廣泛應(yīng)用。

與直拉單晶硅相比，鑄造多晶硅的主要優(yōu)勢是①材料利用率高、能耗小、制備成本低，而且其晶體生長簡便，易于大尺寸生長；②可直接得到方錠，與拉制單晶圓棒相比，在切割制備硅片的過程中比較省料，提高了硅料的利用率，且方形較圓形易于提高電池模塊的包裝密度。但是，其缺點(diǎn)是含有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對較高的雜質(zhì)濃度，其晶體的質(zhì)量明顯低于單晶硅，從而降低了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

目前，太陽能用于多晶硅片主要采用鑄造多晶硅，多晶片的制作工藝是一個(gè)鑄造過程，在這個(gè)過程中，熔化的硅被傾倒到一個(gè)模子里并且被定型，然后它被切成薄片。因?yàn)槎嗑峭ㄟ^模鑄被制作出來的，由于鑄造過程的晶體結(jié)構(gòu)上的不完整，鑄造多晶硅太陽能電池的效率低于單晶硅電池，但是由于生產(chǎn)工藝簡單，所以他們能夠更加便宜的被生產(chǎn)，具有廣闊的市場前景。

早在1975年，德國的瓦克﹙Wacker﹚公司在國際上首先利用澆鑄法制備多晶硅材料﹙SILSO﹚制造太陽能電池。幾乎同時(shí)，其他研究小組也提出了不同的鑄造工藝來制各多晶硅材料如美國Solarex公司的結(jié)晶法、美國晶體系統(tǒng)公司的熱交換法、日本電氣公司和大阪鈦公司的模具釋放鑄錠法等。以此為開端，鑄造多晶硅產(chǎn)品走入人們的視線。

自從鑄造多晶硅發(fā)明以后，技術(shù)不斷改進(jìn)，質(zhì)量不斷提高，應(yīng)用也不斷廣泛。在材料制備方面，平面固液界面技術(shù)和氮化硅涂層技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用、材料尺寸的不斷加大；在電池方面，SiN減反射層技術(shù)、氫鈍化技術(shù)、吸雜技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，使得鑄造多晶硅材料的電學(xué)性能有了明顯改善，其太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到了迅速提高，實(shí)驗(yàn)室中的效率從1976年的12.5%提高到21世紀(jì)初的19.8%。近年來更達(dá)到20.3%。而在實(shí)際生產(chǎn)中的鑄造多晶硅太陽能電池效率也已達(dá)到15%-16%左右。

由于鑄造多晶硅的優(yōu)勢，包括中國在內(nèi)的世界各主要太陽能生產(chǎn)國都在努力發(fā)展其工業(yè)規(guī)模。自20世紀(jì)90年代以來，國際上新建的太陽能電池和材料的生產(chǎn)線大部分是鑄造多晶硅生產(chǎn)線，并且隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)的提升，更多的鑄造多晶硅材料和電池生產(chǎn)線投入應(yīng)用。目前，鑄造多晶硅已占太陽能電池材料的55%以上，稱為最主要的太陽能電池材料。

鑄造多晶硅片加工流程是由鑄錠開始，到多晶硅硅片的加工而完成。它的完整工藝流程參見下圖。裝料 → 熔化 → 定向生長 → 冷卻凝固 ↓

硅片清洗 ← 多線切割 ← 破錠 ← 硅錠出爐 ↓

包裝 → 出廠

資料來源：中國電子材料行業(yè)協(xié)會(huì)整理﹙2008.10﹚ 多晶硅片的典型生產(chǎn)工藝如下：

（1）裝料：將清洗后的或免洗的51料裝入噴有氮化硅的涂層的石英坩堝內(nèi)，整體放置在定向凝固塊上，下爐罩上升與上爐罩合攏，抽真空，并通入氬氣作為保護(hù)氣體，爐內(nèi)壓力大致保持在4×104-6×104Pa左右；

（2）加熱：利用均布于四周的石墨加熱器按設(shè)定的速率緩慢加熱，去除爐內(nèi)設(shè)施及硅料表面吸附的濕氣等；（3）熔化：增大加熱功率，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到1540℃左右的硅料熔化溫度并一直保持直至硅料完全熔化；（4）長晶：Si料熔化結(jié)束后，適當(dāng)減小加熱功率，工作區(qū)溫度降至1430℃左右的硅的熔點(diǎn)，緩慢提升隔熱籠，使石英坩堝底部的定向凝固塊慢慢露出加熱區(qū)，形成垂直方向的大于0℃的溫度梯度，坩堝中硅料的溫度自底部開始降低并形成固液界面，多晶開始在底部形成，隨著隔熱籠的提升，水平的固液界面也逐漸上升，多晶硅呈柱狀向上生長，生長過程中需要盡量保持水平方向的零溫度梯度，直至晶體生長完成，該過程視裝料的多少而定，約需要20-30h；

（5）退火：長晶完成后，由于坩堝中51料的上部和下部存在較大的溫差，這時(shí)的多晶硅錠會(huì)存在一定的

熱應(yīng)力，容易在后道剖錠、切片和電池制造過程中碎裂，因此，長晶后應(yīng)保溫在硅熔點(diǎn)附近一段時(shí)間以使整個(gè)晶錠的溫度逐漸均勻，減少或消除熱應(yīng)力；

（6）冷卻：退火后，加熱器停止加熱，并通入大流量氬氣，使?fàn)t內(nèi)溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升，直至達(dá)到大氣壓及容許的出錠溫度。

（7）出錠：降低下爐罩，露出固定器上的坩堝，用專用的裝卸料叉車將坩堝叉出；

（8）破錠：利用剖錠機(jī)將多晶硅錠上易吸收雜質(zhì)的上下表面及周邊切除，按所需硅片尺寸﹙如125mm×125mm規(guī)格或156mm×156mm規(guī)格﹚切割成均勻的方形硅柱；

（9）切片：用多線切割機(jī)將方形Si柱切割成厚度為220μm左右的多晶硅片；（10）清洗、包裝：清洗切好的硅片以去除切削液及表面的其他殘余物，烘干后包裝待用，工藝結(jié)束。4.1.2多晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)多晶硅片的生產(chǎn)工藝可以得知其核心設(shè)備為大容量多晶硅鑄錠爐。它是將硅料高溫熔融后通過定向冷卻冷凝結(jié)晶，使其形成晶向一致的硅錠，從而達(dá)到太陽能電池生產(chǎn)對硅片品質(zhì)的要求。多晶硅鑄錠爐是多晶硅制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，其工藝流程的穩(wěn)定性、設(shè)備控制的穩(wěn)定性和先進(jìn)性直接關(guān)系到是否生成出合格的硅錠，而合格的硅錠直接決定著硅片制成的電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

多晶硅鑄錠爐由罐狀爐體、加熱器、裝載及隔熱籠升降機(jī)構(gòu)、送氣及水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)組成。多晶硅片質(zhì)量的好壞主要取決于多晶硅在多晶硅鑄錠爐中的定向生長。

為了完成上述連續(xù)的工藝過程，全自動(dòng)多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)由下面的幾大工作系統(tǒng)組成。它們分別為抽真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、保溫層升降系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)。（1）抽真空系統(tǒng)

抽真空系統(tǒng)是保持硅錠在真空下進(jìn)行一系列處理，要求在不同的狀態(tài)下，保持爐內(nèi)真空壓力控制在一定范圍內(nèi)。這就要求真空系統(tǒng)既有抽真空設(shè)備，同時(shí)還有很靈敏的壓力檢測控制裝置。保證硅錠在生長過程中，處于良好的氣氛中。抽真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統(tǒng)組成。（2）加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)是保持工藝要求的關(guān)鍵，采用發(fā)熱體加熱，由中央控制器控制發(fā)熱體，并可保證恒定溫場內(nèi)溫度可按設(shè)定值變化；同時(shí)控制溫度在一精度范圍內(nèi)。完成硅錠在長晶過程中對溫度的精確要求。（3）測溫系統(tǒng)

測溫系統(tǒng)是檢測爐內(nèi)硅錠在長晶過程中溫度的變化，給硅錠長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，以便使長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整長晶參數(shù)，使這一過程處于良好狀態(tài)。（4）保溫層升降系統(tǒng)

保溫層升降系統(tǒng)機(jī)構(gòu)是保證硅錠在長晶過程中，保持良好的長晶速度，它是通過精密機(jī)械升降系統(tǒng)，并配備精確的位置、速度控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。保證硅錠晶核形成的優(yōu)良性，保證光電轉(zhuǎn)化的高效性。（5）壓力控制系統(tǒng)

壓力控制系統(tǒng)主要保證爐內(nèi)硅錠在生長過程中，在一特定時(shí)間段內(nèi)，壓力根據(jù)工藝要求保持在一壓力下。它由長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)來控制。（6）其他輔助系統(tǒng)

多晶硅鑄錠爐的工作原理：將多晶硅料裝入有涂層的坩堝內(nèi)后放在定向凝固塊上，關(guān)閉爐膛后抽真空，加熱待硅料完全熔化后，隔熱籠緩慢往上提升，通過定向凝固塊將硅料結(jié)晶時(shí)釋放的熱量輻射到下爐腔內(nèi)壁上，坩堝底部的定向凝固塊單向散熱，在硅料液固界面處形成豎直的、大于0℃的溫度梯度，進(jìn)行柱狀結(jié)晶生長。硅料凝固后，硅錠經(jīng)過退火、冷卻后出爐即完成整個(gè)鑄錠過程。4.1.3石墨材料在多晶硅鑄錠爐中的應(yīng)用

多晶硅鑄錠爐中，多個(gè)組件是需要石墨材料。特別是加熱器中使用的加熱材料-高純石墨，以及加熱器中使用的隔熱材料-高純碳?xì)指魺岵牧?，是目前重要的配套材料。﹙1﹚ 加熱器中使用的加熱材料-高純石墨材料

在多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)上，為使硅料熔融，必須采用合適的加熱方式。從加熱的效果而言，感應(yīng)加熱和輻射

加熱均可以達(dá)到所需的溫度。一般多采用輻射加熱方式。它可以對結(jié)晶過程的熱量傳遞進(jìn)行精確控制，易于在坩堝內(nèi)部形成垂直的溫度梯度。

加熱器的加熱能力必須超過1650℃，同時(shí)其材料不能與硅料反應(yīng)，不對硅料造成污染，能在真空及惰性氣氛中長期使用。符合使用條件可供選擇的加熱器有金屬鎢、鉬和非金屬石墨等。由于鎢、鉬價(jià)格昂貴，加工困難，而石墨來源廣泛，可加工成各種形狀。另外，石墨具有熱慣性小、可以快速加熱，耐高溫、耐熱沖擊性好，輻射面積大、加熱效率高、且基本性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。﹙2﹚ 加熱器中使用的隔熱材料-高純碳?xì)指魺岵牧?/p>

對于鑄錠工藝而言，為了提高生產(chǎn)效率，要求設(shè)備的升溫速度盡可能快；由于采用真空工藝，要求爐內(nèi)材料的放氣量應(yīng)盡可能少，縮短真空排氣的時(shí)間；同時(shí)硅料中溫度梯度的形成還需要隔熱層的精確提升實(shí)現(xiàn)，隔熱層的質(zhì)量要盡可能輕，以減少升降時(shí)的慣性而影響控制精度。綜上所述對于隔熱材料的選擇要求是：耐高溫、密度低、導(dǎo)熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數(shù)小，在眾多的耐火保溫材料中，以高純碳?xì)肿顬槔硐搿?/p>

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關(guān)于炭和石墨制品的主要用途 1.導(dǎo)電材料 用電弧爐或礦熱電爐冶煉各種合金鋼、鐵合金或生產(chǎn)電石（碳化鈣）、黃磷時(shí)，強(qiáng)大的電流通過炭素電極（或連續(xù)自焙電極——即電極糊）或石墨化電極導(dǎo)入電爐的熔煉區(qū)產(chǎn)生電弧，使電能轉(zhuǎn)化成熱能，溫度升高到2000℃左右，從而達(dá)到冶煉或反應(yīng)的要求。金屬鎂、鋁、鈉一般用熔鹽電解制取，這時(shí)電解槽的陽極導(dǎo)電材料都是采用石墨化電極或連續(xù)自焙電極（陽極糊、有時(shí)用預(yù)焙陽極）。熔鹽點(diǎn)解的溫度一般在1000℃以下。生產(chǎn)燒堿（氫氧化鈉）和氯氣的食鹽溶液電解槽的陽極導(dǎo)電材料，一般都用石墨化電極。生產(chǎn)金剛砂（碳化硅）使用的電阻爐的爐頭導(dǎo)電材料，也是使用石墨化電極。炭和石墨制品作為導(dǎo)電材料廣泛用于電極制造工業(yè)作為滑環(huán)和電刷，此外還用作干電池中的炭棒，探照燈或產(chǎn)生弧光用的弧光炭棒，水銀整流器中的陽極等。2.耐火材料 由于炭和石墨制品能耐高溫和有較好的高溫強(qiáng)度及耐腐蝕性，所以很多冶金爐內(nèi)襯可用炭塊砌筑，如煉鐵爐的爐底、爐缸和爐腹，鐵合金爐和電石爐的內(nèi)襯，鋁電解槽的底部及側(cè)部。許多貴重金屬和稀有金屬冶煉用的坩堝、熔化石英玻璃等所用的石墨坩堝，也都是用石墨化坯料加工制成的。作為耐火材料使用的炭和石墨制品，一般不應(yīng)在氧化性氣氛中使用。因?yàn)椋瑹o論炭或石墨在氧化性氣氛的高溫下很快燒蝕。3.耐腐蝕材料 經(jīng)過用有機(jī)樹脂或無機(jī)樹脂浸漬過的石墨材料，具有耐腐蝕性好、導(dǎo)熱性好、滲透率低等特點(diǎn)，這種浸漬石墨又稱為不透性石墨。它大量應(yīng)用于制作各種熱交換器、反應(yīng)槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、過濾器、泵等設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油煉制、石油化工、濕法冶金、酸堿生產(chǎn)、合成纖維、造紙等工業(yè)部門，可節(jié)省大量的不銹鋼等金屬材料。不透性石墨生產(chǎn)已稱為炭素工業(yè)的一個(gè)重要分支。4.耐磨和潤滑材料 炭和石墨材料除具有化學(xué)穩(wěn)定性高的特性外，還有較好的潤滑性能。在高速、高溫、高壓的條件下，用潤滑油來改善滑動(dòng)部件的耐磨性往往是不可能的。石墨耐磨材料可以在-200℃到2000℃溫度下的腐蝕性介質(zhì)中并在很高的滑動(dòng)速度下（可達(dá)100米/秒）不用潤滑油而工作。因此，許多輸送腐蝕性介質(zhì)的壓縮機(jī)和泵廣泛采用石墨材料制成的活塞環(huán)、密封圈和軸承。它們運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無需加入潤滑劑。這種耐磨材料是用普通的炭或石墨材料經(jīng)過有機(jī)樹脂或液態(tài)金屬材料浸漬而成。石墨乳劑也是許多金屬加工（拔絲、拉管等）的良好潤滑劑。5.高溫冶金及超純材料生產(chǎn)用結(jié)構(gòu)材料 生產(chǎn)單晶硅用的晶體生長坩堝、區(qū)域精煉容器、支架、夾具、感應(yīng)加熱器等，都是用高純度石墨材料加工而成的。用于真空冶煉中的石墨隔熱板和底座，高溫電阻爐，高溫電阻爐爐管、棒、板、格柵等元件，也使用石墨材料加工制成的。6.作為鑄模、壓模使用 炭和石墨材料的熱膨脹系數(shù)小，而且耐急冷急熱性好，所以可以用作玻璃器皿的鑄模和黑色金屬及有色金屬或稀有金屬的鑄模。用石墨鑄模得到的鑄件，尺寸精確，表面光潔，不加工即可直接使用或只要稍加工就可使用，因而節(jié)省了大量金屬。生產(chǎn)硬質(zhì)合金（如碳化鎢）等粉末冶金工藝，通常用石墨材料加工壓模、燒結(jié)用的舟皿。7.在原子能工業(yè)及軍事工業(yè)中使用 石墨因?yàn)榫哂辛己玫闹凶訙p速性能，最早用于原子反應(yīng)堆中作為減速材料。鈾-石墨反應(yīng)堆是目前較多的一種原子反應(yīng)堆。原子反應(yīng)堆用的石墨材料必須具有極高的純度，雜質(zhì)含

量不應(yīng)超過幾十個(gè)ppm，特別是其中硼元素的含量應(yīng)在0.5ppm以下。為了降低石墨中的雜質(zhì)含量，在石墨化過程中通入鹵素凈化氣體。一些經(jīng)過特殊處理的石墨（如在石墨表面滲入耐高溫的材料）及再結(jié)晶石墨、熱解石墨，具有在極高溫度下較好的穩(wěn)定性及較高的強(qiáng)度重量比。所以，它們可以用于制造固體燃料火箭的噴嘴、導(dǎo)彈的鼻錐、宇宙航行設(shè)備的零部件。石墨由于其特殊結(jié)構(gòu)，而具有如下特殊性質(zhì)： 1）耐高溫性：石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃，沸點(diǎn)為4250℃，即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小。石墨強(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng)，在2000℃時(shí)，石墨強(qiáng)度提高一倍。2）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍。導(dǎo)熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。石墨能夠?qū)щ娛且驗(yàn)槭忻總€(gè)碳原子與其他碳原子只形成3個(gè)共價(jià)鍵,每個(gè)碳原子仍然保留1個(gè)自由電子來傳輸電荷。3）潤滑性：石墨的潤滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤滑性能越好。4）化學(xué)穩(wěn)定性：石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。5）可塑性：石墨的韌性好，可年成很薄的薄片。6）抗熱震性：石墨在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。

換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。

換熱器既可是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。

由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。

二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。

60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。

換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。

混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時(shí)分

離。

蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。

間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。

間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。

換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時(shí)，以逆流的平均溫差最大順流最小。

在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。

當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時(shí)，由于相變時(shí)只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時(shí)兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯(cuò)流和折流等流向。

在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個(gè)重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。

增加流體的流速和擾動(dòng)性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會(huì)使能量消耗增加，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。

一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。

第二篇：信息技術(shù)在制造學(xué)科中的應(yīng)用

信息技術(shù)在制造學(xué)科中的應(yīng)用

1信息技術(shù)在制造學(xué)科的發(fā)展歷程

信息技術(shù)用于制造領(lǐng)域是從20世紀(jì)40年代后期，美國的飛機(jī)制造企業(yè)試圖用計(jì)算機(jī)控制機(jī)床來解決具有復(fù)雜型面的直升機(jī)旋翼零件的加工開始；1952年MIT推出第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床樣機(jī)，美國一些機(jī)床廠從 1954 年起陸續(xù)推出了一批大型專用數(shù)控機(jī)床，用于加工飛機(jī)蒙皮壁板和異型梁架，提高了加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，開信息技術(shù)成功用于制造業(yè)之先河。

為了解決煩瑣的數(shù)控機(jī)床加工程序的編制和校核難題，同一時(shí)期，MIT 開發(fā)出第一代基于英語的自動(dòng)編程工具系統(tǒng)（APT）。20世紀(jì)70年代起，數(shù)控編程逐漸融入CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)中，目前的CAM商品軟件中，一般都具有用戶通過人機(jī)交互進(jìn)行自動(dòng)編程和校核的能力。

20世紀(jì)50年代后期，誕生了計(jì)算機(jī)同時(shí)控制加工運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)換刀和自動(dòng)換工位的加工中心。60 年代推出第一代5軸數(shù)控加工中心，隨著計(jì)算機(jī)的小型化，專用數(shù)控裝置逐步轉(zhuǎn)向 CNC，以及用同一臺(tái)后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)NC或CNC的 DNC 系統(tǒng)。在工藝規(guī)劃領(lǐng)域提出了基于成組工藝的10 位工件分類編碼方法。同一時(shí)期又誕生了可編程的自動(dòng)作業(yè)裝置:工業(yè)機(jī)器人，并在此后幾十年中在制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用，顯著提高了制造業(yè)中的弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、涂膠、搬運(yùn)、碼垛、裝配等作業(yè)的質(zhì)量和效率。2先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)

先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展離不開信息技術(shù)的應(yīng)用，先進(jìn)制造技術(shù)中信息技術(shù)的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：

2.1并行工程(CE)

并行工程(CE)是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)進(jìn)行并行、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化的工作模式。在傳統(tǒng)的串行開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)中的問題或不足，要分別在加工、裝配或售后服務(wù)中才能被發(fā)現(xiàn)，然后再修改設(shè)計(jì)，改進(jìn)加工、裝配或售后服務(wù)(包括維修服務(wù))。而并行工程就是將設(shè)計(jì)、工藝和制造結(jié)合在一起，利用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)并行作業(yè)，大大縮短生產(chǎn)周期。

2.2快速成型技術(shù)(RPM)

快速成型技術(shù)(RPM)是集CAD/CAM技術(shù)、激光加工技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和新材料等技術(shù)領(lǐng)域的最新成果于一體的零件原型制造技術(shù)。它不同于傳統(tǒng)的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一層一層積累的方式構(gòu)造零件模型。它利用所要制造零件的三維CAD模型數(shù)據(jù)直接生成產(chǎn)品原型，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造產(chǎn)品原型。由于該技術(shù)不像傳統(tǒng)的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造時(shí)間減少為幾天、幾小時(shí)，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的決速發(fā)展和三維CAD軟件應(yīng)用的不斷推廣，越來越多的產(chǎn)品基于三維CAD設(shè)計(jì)開發(fā)，使得快速成型技術(shù)的廣泛應(yīng)用成為可能?？焖俪尚渭夹g(shù)已廣泛應(yīng)用于宇航、航空、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業(yè)造型(雕刻)、建筑模型、機(jī)械行業(yè)等領(lǐng)域。

2.3虛擬制造技術(shù)(VMT)

虛擬制造技術(shù)(VMT)以計(jì)算機(jī)支持的建模、仿真技術(shù)為前提，對設(shè)計(jì)、加工制造、裝配等全過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，實(shí)時(shí)并行模擬出產(chǎn)品未來制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測出產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品的制造技術(shù)、產(chǎn)品的可制造性與可裝配性，從而更有效地、更經(jīng)濟(jì)地靈活組織生產(chǎn)，使工廠和車間的設(shè)計(jì)布局更合理、有效，以達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化。虛擬

制造技術(shù)填補(bǔ)了CAD/ CAM技術(shù)與生產(chǎn)全過程、企業(yè)管理之間的技術(shù)缺口，把產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)、作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、制造過程、庫存管理、成本核算、零部件采購等企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)在產(chǎn)品投入之前就在計(jì)算機(jī)上加以顯示和評價(jià)，使設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員在產(chǎn)品真實(shí)制造之前，通過計(jì)算機(jī)虛擬產(chǎn)品來預(yù)見可能發(fā)生的問題和后果。虛擬制造系統(tǒng)的關(guān)鍵是建模，即將現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的物理系統(tǒng)映射為計(jì)算機(jī)環(huán)境下的虛擬系統(tǒng)。虛擬制造系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品是虛擬產(chǎn)品，但具有真實(shí)產(chǎn)品所具有的一切特征。

2.4智能制造(IM)

智能制造(IM)是制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程與人工智能等學(xué)科互相滲透、互相交織而形成的一門綜合技術(shù)。其具體表現(xiàn)為：智能設(shè)計(jì)、智能加工、機(jī)器人操作、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能調(diào)度與管理、智能裝配、智能測量與診斷等。它強(qiáng)調(diào)通過“智能設(shè)備”和“自治控制”來構(gòu)造新一代的智能制造系統(tǒng)模式。

智能制造系統(tǒng)具有自律能力、自組織能力、自學(xué)習(xí)與自我優(yōu)化能力、自修復(fù)能力，因而適應(yīng)性極強(qiáng)，而且由于采用VR技術(shù)，人機(jī)界面更加友好。因此，智能制造技術(shù)的研究開發(fā)對于提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)、降低成本，提高制造業(yè)市場應(yīng)變能力、國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和國民生活水準(zhǔn)，具有重要意義。

3信息技術(shù)之CAD/CAM

信息技術(shù)的發(fā)展影響制造科學(xué)中設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法，及產(chǎn)品的制造，CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展代表設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法的水平。

CAD是Computer Aided Design的簡稱，也叫做計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，運(yùn)用自身的知識和經(jīng)驗(yàn)，對產(chǎn)品或工程進(jìn)行方案構(gòu)思、總體設(shè)計(jì)、工程分析、圖形編輯和技術(shù)文檔整理等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱，是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用的新技術(shù)。CAD技術(shù)是一項(xiàng)產(chǎn)品建模技術(shù)，它是將產(chǎn)品的物理模型轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，并把建立的數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，供后續(xù)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)所共享，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品生命周期的全過程。

CAM是Computer Aided Manufacturing的簡稱，也叫做計(jì)算機(jī)輔助制造，是利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備管理、控制和操作的過程。生產(chǎn)實(shí)際的需求是所有技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的原動(dòng)力，CAM在實(shí)際應(yīng)用中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，并且在提高企業(yè)市場競爭能力方面發(fā)揮著重要作用。

3.1集成化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，集成化已成為CAD/CAM技術(shù)發(fā)展的一個(gè)最為顯著的趨勢。CAD/CAM系統(tǒng)已從簡單、單

一、相對獨(dú)立的功能發(fā)展成為復(fù)雜、綜合、緊密聯(lián)系的功能集成系統(tǒng)。這里所說的集成是指CAD/CAPP/CAM/CAE的集成，它們的集成應(yīng)是建立一種新的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、分析以及技術(shù)管理的一體化，并不是將孤立的CAD、CAPP、CAM和CAE等系統(tǒng)進(jìn)行簡單的連接，而是從概念設(shè)計(jì)開始就考慮到集成。國內(nèi)外大量的經(jīng)驗(yàn)表明，CAD系統(tǒng)的效益往往不是從其本身，而是通過CAM和PPC系統(tǒng)體現(xiàn)出來；反過來，CAM系統(tǒng)假如沒有CAD系統(tǒng)的支持，花巨資引進(jìn)的設(shè)備往往很難得到有效地利用；PPC系統(tǒng)假如沒有CAD/CAM的支持，既得不到完整、及時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為計(jì)劃的依據(jù)，訂出的計(jì)劃也較難貫徹執(zhí)行，所謂的生產(chǎn)計(jì)劃和控制將得不到實(shí)際效益。因此，通過集成，最大限度地實(shí)現(xiàn)了企業(yè)信息共享，建立新的企業(yè)運(yùn)行方式，提高了生產(chǎn)效率。

3.2網(wǎng)絡(luò)化

21世紀(jì)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過程集成并行地進(jìn)行，人們可以突破地域的限制，在廣域區(qū)間和全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作和資源共享。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)入新時(shí)代的標(biāo)志。網(wǎng)絡(luò)在全球化，制造業(yè)也將全球化，從獲取需求信息，到產(chǎn)品分析設(shè)計(jì)、選購原輔材料和零部件、進(jìn)行加工制造，直至營銷，整個(gè)生產(chǎn)過程也將全球化。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使CAD/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成成為現(xiàn)實(shí)。CAD/CAM 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化能使設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品方案在費(fèi)用、流動(dòng)時(shí)間和功能上并行處理的并行化產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)；能提供產(chǎn)品、進(jìn)程和整個(gè)企業(yè)性能仿真、建模和分析技術(shù)的擬實(shí)制造系統(tǒng)；能開發(fā)自動(dòng)化系統(tǒng)，產(chǎn)生和優(yōu)化工作計(jì)劃和車間級控制，支持靈敏制造的制造計(jì)劃和控制應(yīng)用系統(tǒng)；對生產(chǎn)過程中物流，能進(jìn)行治理的物料治理應(yīng)用系統(tǒng)等。隨著Internet的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)化的CAD/CAM技術(shù)，需要在能夠提供基于網(wǎng)絡(luò)的完善的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境和提供網(wǎng)上多種CAD應(yīng)用服務(wù)等方面提高水平。

3.3智能化

智能化CAD/CAM設(shè)計(jì)是含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)，是指將人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)應(yīng)用于CAD/CAM系統(tǒng)中，深入研究人類認(rèn)識和思維的模型，并用信息技術(shù)來表達(dá)和模擬這種模型，使其具有人類專家的經(jīng)驗(yàn)和知識，具有學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和判斷的功能及智能化的視覺、聽覺、語言能力，從而解決以前那些必須由人類專家才能解決的設(shè)計(jì)、制造難題。智能化CAD/CAM技術(shù)涉及新的設(shè)計(jì)理論與方法(如并行設(shè)計(jì)理論、大規(guī)模定制設(shè)計(jì)理論、概念設(shè)計(jì)理論、創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論等)和設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的基本理論與技術(shù)(如設(shè)計(jì)知識模型的表示與建模、知識利用中的各種搜索與推理方法、知識獲取、工具系統(tǒng)的技術(shù)等)等方面。智能化是一個(gè)具有巨大潛在意義的發(fā)展方向，它可以在更高層次的創(chuàng)造性思維活動(dòng)基礎(chǔ)上，給予技術(shù)人員有效的輔助。智能化是CAD/CAM技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，將對信息科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。

3.4標(biāo)準(zhǔn)化

信息時(shí)代如同一百年前工業(yè)革命給社會(huì)帶來的變化一樣深刻。它改變和正在改變著人們的工作、生產(chǎn)和生活方式。信息技術(shù)的發(fā)展沖破了地域的局限，形成了全球市場，把競爭推向了空前激烈的階段。信息技術(shù)對標(biāo)準(zhǔn)化工作產(chǎn)生了巨大影響，引起了標(biāo)準(zhǔn)化工作的重大變革?，F(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)含有主要的信息量，標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)先于產(chǎn)品的開發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)能為技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展指出方向，能夠體現(xiàn)當(dāng)前世界前沿技術(shù)的發(fā)展。面對浩瀚的信息、廣闊的市場，要使無數(shù)的用戶和供應(yīng)商之間的信息交換暢通無阻，制定CAD/CAM系統(tǒng)的信息交換標(biāo)準(zhǔn)十分重要。包括工程圖樣標(biāo)準(zhǔn)化、零件標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)以及商務(wù)報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)等；其次是合作運(yùn)行方法標(biāo)準(zhǔn)化，包括知識產(chǎn)權(quán)共享標(biāo)準(zhǔn)、虛擬生產(chǎn)協(xié)議等。

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第三篇：玻璃鋼材料在船舶制造中的應(yīng)用

船舶動(dòng)力裝置認(rèn)知實(shí)習(xí)論文

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玻璃鋼材料在船舶制造中的應(yīng)用

玻璃鋼學(xué)名玻璃纖維增強(qiáng)塑料，俗稱FRP，即纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料。根據(jù)采用的纖維不同分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（GFRP），碳纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（CFRP），硼纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料等。它是以玻璃纖維及其制品（玻璃布、帶、氈、紗等）作為增強(qiáng)材料，以合成樹脂作基體材料的一種復(fù)合材料。

玻璃鋼是一種常見的環(huán)保設(shè)備制作材料。它的全稱是玻璃纖維復(fù)合樹脂。它具有很多新型材料所沒有的優(yōu)點(diǎn)。玻璃鋼是將環(huán)保樹脂與玻璃纖維絲經(jīng)過加工工藝揉合在一起。在樹脂固化了以后，性能開始固定而且不可回溯到固化前的狀態(tài)。嚴(yán)格來講，它種樹脂是環(huán)氧樹脂的一種。經(jīng)過多年的化工方面的改良，在添加適當(dāng)?shù)墓袒瘎┖?，它?huì)在一定時(shí)間內(nèi)固化。固化以后的樹脂沒有毒性析出，同時(shí)開始具備一些十分適合環(huán)保行業(yè)的特性。

玻璃鋼是一種新型的造船材料，是近代材料革命的一重要組成部分。玻璃鋼應(yīng)用到造船業(yè)中的時(shí)間不長，但已突顯出其強(qiáng)大的生命力和廣闊的發(fā)展前景。

玻璃鋼艦艇的特點(diǎn)是質(zhì)輕、高強(qiáng)，對減輕重量有較大潛力，適用于限制重量的高性能船舶和賽艇等；耐腐蝕，抗水生物附著，比傳統(tǒng)的造船材料更適合使用；無磁性，因而是掃雷艇，獵雷艇最佳的結(jié)構(gòu)功能材料；介電性和微波穿透性好，適宜于軍艦艇；能吸收高能量，沖擊韌性好，船舶不易因碰撞，擠壓而損壞；熱導(dǎo)率低，隔熱性好，適合建造耐火救生艇、漁船和冷藏船等；船體表面能達(dá)到鏡面光滑，并且可具有各種色彩，特別適于建造外形美觀的各類游艇；可設(shè)計(jì)性好，能按船舶結(jié)構(gòu)各部件的不同要求，通過選材、鋪層研究和結(jié)構(gòu)造型來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)；整體性好，船體無接縫和縫隙，可防滲漏；成型簡便，比鋼質(zhì)、木質(zhì)省工，且批量生產(chǎn)特別好，降低造價(jià)的潛力很大；維修保養(yǎng)方便，維修費(fèi)比其他材質(zhì)的船艇少得多，全壽命期的經(jīng)濟(jì)性能好。由于玻璃鋼具有傳統(tǒng)造船材料無法比擬的上述綜合性能，故備受造船界的重視，經(jīng)多年的開發(fā)應(yīng)用，已成為一種重要的船用材料。但因其彈性模量低和受成型技術(shù)等的限制，尚不能建造太大的艦船，加之價(jià)格較貴，故在整個(gè)造船業(yè)中用量比鋼材少。

中國的玻璃鋼/復(fù)合材料船艇工業(yè)始于1958年，歷經(jīng)近50年的發(fā)展，就其船體材料、設(shè)計(jì)和制造技 術(shù)發(fā)展的歷史沿革和技術(shù)狀況，可分為以下三個(gè)階段：初創(chuàng)階段（1958年～改革開放前）、鞏固階段（改革開放后～20世紀(jì)末）和發(fā)展階段2000年起至今）前兩個(gè)階段中，船體材料、設(shè)計(jì)計(jì)算和制造工藝等方面，技術(shù)進(jìn)展不明顯，表現(xiàn)為：

船舶動(dòng)力裝置認(rèn)知實(shí)習(xí)論文

1.材料方面：四十年來一直采用由E玻纖（甚至中堿玻纖）紡織而成的傳統(tǒng)的無捻粗紗方格布和短切氈及性能一般的不飽和聚酯樹脂作為船體原料；

2.設(shè)計(jì)方面：基本上是沿用金屬船舶的設(shè)計(jì)理念，其船體結(jié)構(gòu)絕大多采用常規(guī)的實(shí)板加筋結(jié)構(gòu)形式；

3.制造方面：幾乎所有船廠均采用傳統(tǒng)落后的手糊成型工藝方式，或輔以噴射成型工藝，僅個(gè)別船廠曾局部采用過真空袋壓成型技術(shù)；

在這兩個(gè)階段中，從事玻璃鋼/復(fù)合材料船艇制造的船廠屬于原中國船舶工業(yè)總公司的只有幾家，絕大多數(shù)均為地方上的中小型船廠以及90年代后到大陸設(shè)廠的臺(tái)資企業(yè)。曾經(jīng)提出過以玻璃鋼漁船為突破口來推進(jìn)復(fù)合材料在我國船艇工業(yè)中的發(fā)展，但都收效甚微。第三階段的前幾年中，國內(nèi)有些大的集團(tuán)公司和歐美澳等外資公司已紛紛涉足我國的游艇行業(yè)，因而國內(nèi)復(fù)合材料造船技術(shù)發(fā)展的步伐已明顯加快。特別是2006年，以太陽鳥船艇制造有限公司等為代表的國內(nèi)復(fù)合材料船艇制造商已經(jīng)在采用先進(jìn)的材料、設(shè)計(jì)和制造工藝技術(shù)方面邁出了可喜的一大步。如珠海太陽鳥游艇制造有限公司的62英尺機(jī)動(dòng)游艇，采用多軸向縫（經(jīng)）編織物、PVC泡沫夾層結(jié)構(gòu)和真空輔助成型工藝成功制造了該艇的船體；再加佛山市寶達(dá)船舶工程有限公司的13.6米海關(guān)超高速摩托艇，采用了含有芳綸纖維的混雜增強(qiáng)材料與乙烯基樹脂復(fù)合，同樣也用真空輔助成型工藝來制造艇體。第三階段前期國內(nèi)復(fù)合材料造船技術(shù)的進(jìn)展表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.打破了國內(nèi)船艇一直沿用的普通方格布作為增強(qiáng)材料和聚酯樹脂作為基體的局面，開始采用先進(jìn)的多軸向縫編織物和乙烯基等高性能樹脂，大大提高了艇體的性能；

2.結(jié)束了單一的實(shí)板加筋結(jié)構(gòu)這種傳統(tǒng)艇體設(shè)計(jì)模式，開始進(jìn)行夾層結(jié)構(gòu)、硬殼式結(jié)構(gòu)和波形結(jié) 構(gòu)等各種艇體結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)和建造實(shí)踐；

3.打破了長期采用陳舊的手糊成型工藝之落后局面，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料真空輔助成型工藝在船體制造中的突破。

值得提出的是，國務(wù)院不久前審議通過的《船舶工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中提出，為適應(yīng)國內(nèi)旅游、休閑等行業(yè)的發(fā)展，要大力開發(fā)個(gè)性化游艇等產(chǎn)品。為此，中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司與上海奉賢區(qū)人民政府最近在北京簽訂了合作開發(fā)建設(shè)上海中船游艇制造基地的框架協(xié)議，擬將該基地建成中國最大的游艇制造基地。這不僅將進(jìn)一步激活上海及長三角地區(qū)的游艇技術(shù)，還將有力地推動(dòng)中國復(fù)合材料船艇工業(yè)技術(shù)的脫胎換骨，在更高的層次和水平上參與國際競爭，從而實(shí)現(xiàn)中國船艇工業(yè)新的突破。推廣玻璃鋼漁業(yè)船舶玻璃鋼自誕生以來，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，特別是它特有的性能以及其它造船材料無法比擬的優(yōu)越性，已成為世界發(fā)達(dá)國家用于建造中小型漁業(yè)船舶和游艇的首選材料。

我國雖然在上世紀(jì)60年代已開始用于小型船艇的建造，但在漁業(yè)船舶的建造中使用玻璃鋼材料始終未形成規(guī)模?！傲濉薄ⅰ捌呶濉逼陂g也曾對玻璃鋼造船加大了研制開發(fā)力度，由于缺乏政策扶持、宣傳力度不夠、社會(huì)購買力差等因素，—直未能得到漁

船舶動(dòng)力裝置認(rèn)知實(shí)習(xí)論文

民的首懇。最早研制玻璃鋼漁船的生產(chǎn)廠相繼轉(zhuǎn)產(chǎn)游艇及其它玻璃鋼制品，玻璃鋼漁船發(fā)展至上世紀(jì)90年代初，在漁船總量中的占有率尚不足萬分之一。而在發(fā)達(dá)國家玻璃鋼漁船的占有率已達(dá)90%以上。為改變這一現(xiàn)狀，1994年農(nóng)業(yè)部、科技部將玻璃鋼漁船的建造及產(chǎn)業(yè)化列為“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，并出臺(tái)了優(yōu)先發(fā)放捕撈許可證，三年減半收取資源費(fèi)，減半收取船檢費(fèi)，減半收取保險(xiǎn)費(fèi)，優(yōu)先貸款五項(xiàng)優(yōu)惠政策。

玻璃鋼漁船之所以能在漁船中占絕對優(yōu)勢，是因?yàn)椴Ａт撨@種材料具有鋼材、木材無法比擬的優(yōu)越性。玻璃鋼是一種復(fù)合材料，上世紀(jì)40年代誕生于美國，開始主要用于軍事和航空，50年代逐漸轉(zhuǎn)為民用。我國玻璃鋼船艇從60年代開始發(fā)展，至今已近40年。目前已基本占領(lǐng)了小型船艇市場，并以輕質(zhì)高強(qiáng)、造型美觀、色彩多樣而受到經(jīng)營單位和乘客的歡迎。但長期以來，玻璃鋼船艇的維護(hù)保養(yǎng)工作未能受到應(yīng)有的重視。生產(chǎn)單位大都未在產(chǎn)品說明書及用戶須知等資料中介紹維護(hù)保養(yǎng)常識，很多用戶單位對玻璃鋼材質(zhì)、性能等缺乏了解，不少人盲目認(rèn)為玻璃鋼強(qiáng)度高、不會(huì)銹蝕，又有膠衣層保護(hù)，無需保養(yǎng)。這就造成了很多玻璃鋼船艇由于缺乏維護(hù)保養(yǎng)而過早失去風(fēng)采，縮短了使用壽命。玻璃鋼是以合成樹脂為基體，以玻璃纖維為增強(qiáng)材料復(fù)合而成的。它具有與鋼相近的強(qiáng)度，有耐水、耐腐蝕的優(yōu)越性能，表面光潔如鏡的美觀外表，可整體成型的特點(diǎn)；但它也存在一些不足，如剛度較小、耐磨性較差等。特別是影響質(zhì)量的因素較多（如原材料優(yōu)劣、作業(yè)人員技術(shù)素質(zhì)、生產(chǎn)條件及環(huán)境因素等等），這就使同類產(chǎn)品質(zhì)量上的差異會(huì)很大。與鋼質(zhì)、木質(zhì)船相比，玻璃鋼船具有較少維修的特點(diǎn)，這是玻璃鋼本身的優(yōu)越性能所決定的。但玻璃鋼與所有材料一樣，也存在著老化問題，只是老化進(jìn)程較緩而已。即使在船艇表面施加了膠衣樹脂形成了保護(hù)層，但由于厚度僅0.3-0.5毫米，在經(jīng)常磨擦和環(huán)境侵蝕下也會(huì)損傷和減薄。所以，玻璃鋼較少維護(hù)并非不需維護(hù)，適當(dāng)?shù)木S護(hù)不僅可以保持漂亮的外觀，還可延長玻璃鋼船艇的壽命。

在世界范圍內(nèi)，玻璃鋼（FRP）漁船從20世紀(jì)60年代初開發(fā)以來，迄今已有50多年的歷史。由于玻璃鋼漁船具有快速性好、操縱性優(yōu)、載重量大、省燃料、易維修保養(yǎng)、利于環(huán)境和資源保護(hù)等優(yōu)良的綜合性能，獲得了迅速的發(fā)展。截止20世紀(jì)末，美、英、法、日、韓等發(fā)達(dá)國家，中小型木質(zhì)和鋼制漁船基本被淘汰，玻璃鋼漁船市場占有率占90%以上；我國臺(tái)灣的玻璃鋼漁船發(fā)展也相當(dāng)迅速。我國大陸從20世紀(jì)70年代開始建造玻璃鋼漁船，起步并不算晚，但其發(fā)展速度與發(fā)達(dá)國家相比差距甚大。目前我國擁有漁船約104萬艘，木質(zhì)漁船占約84%，玻璃鋼漁船約占2%。玻璃鋼漁船的發(fā)展與我國國民經(jīng)濟(jì)迅速崛起極不相稱。一些國家和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)值得我們學(xué)習(xí)與借鑒。

我國大多數(shù)漁民仍在使用落后的木質(zhì)漁船作為捕撈生產(chǎn)工具，這與國民經(jīng)濟(jì)的高速增長和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展不相適應(yīng)。更為讓人憂慮的是，我國木質(zhì)漁船大都老舊不堪，存在耗能高、污染水域環(huán)境嚴(yán)重；使用壽命短，維修費(fèi)用高；安全生產(chǎn)條件差，事故隱患多等諸多問題。這既不符合我國發(fā)展低碳、可循環(huán)的集約型經(jīng)濟(jì)的要求，也影響我國漁業(yè)生產(chǎn)的效率和安全。在這種情況下，推廣應(yīng)用玻璃鋼漁船，提高漁業(yè)裝備水平已然

船舶動(dòng)力裝置認(rèn)知實(shí)習(xí)論文

勢在必行。中小型漁船玻璃鋼化是我國漁船未來發(fā)展方向。玻璃鋼具有質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特性玻璃鋼漁船正是充分利用了玻璃鋼材料的特性，使其在船舶性能和經(jīng)濟(jì)性方面有了優(yōu)于鋼質(zhì)和木質(zhì)漁船的特點(diǎn)。

在船舶性能方面，玻璃鋼漁船船體為一次成型，船體表面光滑，阻力小，與同功率同尺寸鋼質(zhì)漁船相比，航速可提高0.5-1節(jié)左右。玻璃鋼比重是鋼材的1/4，玻璃鋼船壓載重心低，在風(fēng)浪中起浮性好，回復(fù)能力強(qiáng)，抗風(fēng)能力強(qiáng)。

在經(jīng)濟(jì)性方面，玻璃鋼漁船節(jié)能效果好。玻璃鋼具有良好的隔熱性，導(dǎo)熱系數(shù)只有鋼質(zhì)的百分之一。玻璃鋼漁船航速較快，可縮短航行時(shí)間，提高出海率，增加捕魚航次，達(dá)到節(jié)油的目的。

玻璃鋼漁船使用壽命較長。鋼質(zhì)漁船易銹蝕，使用年限一般在10-15年，還得每年維護(hù)保養(yǎng)、去銹涂漆，維修費(fèi)用高。玻璃鋼漁船具有良好的耐腐蝕性，船體永不銹蝕，理論上使用壽命可達(dá)50年之久，而且無需像鋼質(zhì)船每年進(jìn)行維護(hù)。年均維修費(fèi)用只有鋼質(zhì)船的十分之一。

玻璃鋼漁船具有節(jié)能、使用壽命長、維修費(fèi)用低等特點(diǎn)，雖然一次性投資高于鋼質(zhì)船，但其中長期經(jīng)濟(jì)效益仍高于鋼質(zhì)漁船。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有機(jī)動(dòng)和非機(jī)動(dòng)木質(zhì)漁船90多萬艘，這些木質(zhì)漁船用料混雜，技術(shù)性能差，主機(jī)耗油大，年維修費(fèi)用高，而且大量消耗木材，而我國森林資源貧乏，供需矛盾突出。上世紀(jì)90年代全國用以建造和維修船只的木材，每年達(dá)200萬立方米，如果20年內(nèi)將90多萬艘木質(zhì)漁船更新為玻璃鋼漁船，可節(jié)約木材930萬立方米(平均每艘用料10立方米)。據(jù)1999年統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有不同尺度鋼質(zhì)漁船5萬艘，每兩年去銹一次，以每艘船產(chǎn)生污染物250公斤計(jì)算，平均每年向海洋傾倒6250噸污銹，嚴(yán)重地破壞了海洋生態(tài)環(huán)境。玻璃鋼漁船則無需去銹和耗用大量木材，這樣對保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境和森林資源起到積極的作用，具有良好的社會(huì)效益。

近年來玻璃鋼船的制造量越來越多，尚供不應(yīng)求，說明了玻璃鋼船很有發(fā)展前途。為進(jìn)一步開拓玻璃鋼造船的廣闊天地，如下幾個(gè)方面尚需研究提高。

(1)玻璃鋼的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)工作目前還處于初步研究階段。雖然對玻璃鋼材料是實(shí)驗(yàn)和各種板架結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，以及玻璃鋼的典型分段實(shí)驗(yàn)等都做了工作，但是缺少系列化的實(shí)驗(yàn)。因此，尚無法為玻璃鋼船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供完整的資料，使設(shè)計(jì)的可靠性和正確性達(dá)到高度水平。

（2）手糊低壓接觸成型法是目前制造玻璃鋼船采用的主要方法，雖然有不少優(yōu)點(diǎn)，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)保護(hù)不易解決。因此，提高玻璃鋼成型的機(jī)械化，是發(fā)展應(yīng)用玻璃鋼造船的重要課題。

（3）玻璃鋼造船也必須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。這是提高機(jī)械化程度，實(shí)現(xiàn)高速度、高質(zhì)量的手段。例如大批量生產(chǎn)的玻璃鋼救生艇，經(jīng)過大量調(diào)查和辛勤的工作，編訂了部標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了線性一致，減少了大量模具，并使生產(chǎn)設(shè)備和備件可以通用、船舶動(dòng)力裝置認(rèn)知實(shí)習(xí)論文

互換。

（4）玻璃鋼的原材料還需要進(jìn)一步創(chuàng)新。比如為了克服玻璃鋼彈性模量低的缺點(diǎn)，需要研制高彈性模量的玻璃纖維；為了減緩老化現(xiàn)象，需要研究新的化學(xué)穩(wěn)定劑；為降低成本，應(yīng)生產(chǎn)和使用厚的玻璃氈等新產(chǎn)品作加強(qiáng)材料。此外，在提高樹脂的耐燃性方面還有不少課題。

（5）玻璃鋼的質(zhì)量檢驗(yàn)方法也需要改進(jìn)。目前對玻璃鋼的厚度測量和內(nèi)部缺陷的檢查等還缺乏精確的方法。

目前，世界上2000多萬艘6-20米左右的游艇中，F(xiàn)RP游艇占了90%以上。玻璃鋼游艇國內(nèi)市場需求潛力巨大，國內(nèi)具有不斷升溫和擴(kuò)大的游艇消費(fèi)需求。我國經(jīng)濟(jì)多年持續(xù)高速增長，居民生活水平大幅提高，千萬、億萬富翁已經(jīng)大量出現(xiàn)，旅游消費(fèi)不斷升溫，以及北京奧運(yùn)成功、上海世博成功、三峽大壩庫區(qū)建成、沿海發(fā)達(dá)城市逐步國際化等有利因素，極大地推動(dòng)了國內(nèi)景觀水系休閑旅游開發(fā)的熱潮，也使各類旅游休閑船艇和私家游艇市場蘊(yùn)涵著巨大的發(fā)展?jié)摿?。?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國游艇俱樂部近5年來已由一二十個(gè)猛增到50多個(gè)，深圳、廣州、珠海、上海、浙江、大連、青島等地已有私家游艇1000多艘，國內(nèi)私家購買的最貴游艇高達(dá)9000多萬人民幣。這一切表明游艇經(jīng)濟(jì)在我國已見端倪并呈快速升溫之勢。

總之，由于玻璃鋼（FRP）具有許多傳統(tǒng)造船材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，故從問世以來倍受造船界的重視?，F(xiàn)已成為世界中、小游艇和高速船艇制造的首選材料，且具有良好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)

[1] 趙紅萍,王唯涌,姚琳.我國玻璃鋼漁船發(fā)展現(xiàn)狀、問題與對策[J].中國漁業(yè)經(jīng)濟(jì),2013,04:28-33.[2]金海祥.玻璃鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在造船上的應(yīng)用[J].造船技術(shù),1979,06:7-16 [3]姚樹鎮(zhèn).國內(nèi)玻璃鋼船艇與國外產(chǎn)品相比存在的差距[J].中外船舶科技.2008(02)[4]唐軍.玻璃鋼船艇的維護(hù)與保養(yǎng)[J].民營科技.2007(01)[5]李躍先,俞進(jìn)學(xué).對我國玻璃鋼船建造現(xiàn)狀的思索[J].交通科技.2002(02)

第四篇：不銹鋼在模具制造中的應(yīng)用

不銹鋼在模具制造中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間： 2010-6-5 11:11:38 中國廢舊物資網(wǎng)

一、引言

不銹鋼市一種特殊材料，其特點(diǎn)是不銹鋼、耐熱、耐蝕，廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用的眾多領(lǐng)域。當(dāng)前我國不銹鋼生產(chǎn)正在飛速發(fā)展，生產(chǎn)的品種已經(jīng)從建國初期的幾種，到目前已經(jīng)納入國家標(biāo)準(zhǔn)的143種（GB/T20878-2007），不銹鋼產(chǎn)量也從1988年的21.7萬噸發(fā)展到2008年的900多萬噸。

過去，不銹鋼在化工、航天、航空、原子能以及民用工業(yè)應(yīng)用較多，在模具制造中應(yīng)用較少，但是由于模具工業(yè)的發(fā)展，模具工作的環(huán)境對模具材料的性能要求越來越高，在生產(chǎn)具有化學(xué)腐蝕的塑料為原料的塑料制品時(shí)，模具必須具有防腐蝕性能；在強(qiáng)磁場中工作的模具不應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)；一些耐高溫、耐蝕、抗氧化性的熱處理模具以及一些精密耐蝕模具需要通過時(shí)效來提高模具硬度，以上幾類模具都要求模具具有特殊性能。而各類不銹鋼正是具有以上性能并能滿足以上需要，從而解決了生產(chǎn)中的難題。

根據(jù)模具的工作條件，選擇了幾種不同類型的不銹鋼，并簡要的介紹了其熱處理工藝。

二、馬氏體不銹鋼的應(yīng)用

在具有化學(xué)腐蝕性環(huán)境中工作的模具，必須具有耐腐蝕性，而且還要求具有一定的硬度、強(qiáng)度和耐磨性能等。這類要求高硬度的模具一般選用馬氏體不銹鋼制造，常用的馬氏體不銹鋼有：2Cr13、3Cr13、4Cr13、3Cr17Mo、9Cr18、9Cr18Mo、Cr14Mo4V、1Cr17Ni2等。下面根據(jù)硬度的要求介紹了幾種不銹鋼：

（1）中碳高鉻耐蝕馬氏體不銹鋼應(yīng)用

這類鋼要求硬度在50—55HRC左右。典型的不銹鋼為4Cr13，該鋼為中碳馬氏體不銹鋼，熱處理后有較高的硬度和耐磨性，且抗大氣和水蒸汽腐蝕，可用于制造要求具有一定耐蝕性能的塑料模具。該鋼的淬火溫度一般選擇1050℃，該鋼淬透性好，對于小型塑料模具，淬火時(shí)可用空氣冷卻，以減少模具的熱處理變形；而對于尺寸較大的模具可采用油淬，淬火后的模具一般采用200-300℃回火，回火后硬度為50—53HRC。適宜制造承包商負(fù)荷、高耐磨及腐蝕介質(zhì)作用下的塑料制品的模具。

（2）高碳高鉻性不銹鋼應(yīng)用

對于要求較高硬度、較高耐磨性的耐蝕塑料模具可選擇高碳高鉻型不銹鋼，如9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14MoV等。以Cr14MoV為例，其含碳量為1.0%—1.15%，該鋼具有較好的淬透性，淬火溫度一般選擇為1100—1120℃油冷，硬度大于或等于58 HRC，回火溫度為500℃，保溫2h，回火4次，其硬度大于或等于60 HRC。該鋼具有高硬度、高耐磨性和良好的耐腐蝕性，高溫硬度也較高，適宜制造在腐蝕介質(zhì)作用下承受高負(fù)荷、高耐磨的塑料模具。

（3）低碳鉻鎳型耐蝕不銹鋼的應(yīng)用

1Cr17Ni2鋼屬于馬氏體型不銹鋼耐酸鋼，對于氧酸類（一定溫度、濃度的硝酸，大部分的有機(jī)酸）以及鹽類的水溶液有良好的耐蝕性；該鋼有較高的強(qiáng)度和適宜的硬度，乃是性能比4Cr13鋼好，因此要求耐蝕性能高的塑料模具，仍然有一部分采用該型號的不銹鋼制造。

1Cr17Ni2鋼淬火溫度范圍為950—1050℃油冷。淬火后低溫回火或高溫回火性能均有較好的耐腐蝕，淬火后經(jīng)200—300℃回火，鋼的硬度為38—40HRC，如通過冷處理，可使奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)化為馬氏體，硬度可提高到42—48HRC，鋼的強(qiáng)度、硬度較高，耐磨性好，而且有較高的耐腐蝕性能?；鼗饻囟仍?00—700℃，鋼的基本組織為回火索氏體，具有較好的強(qiáng)度和韌度配合，而且也有較高的耐蝕性能。該類鋼還可以通過滲氮處理，提高耐磨性、抗咬合能力和模具的使用壽命。

1Cr17Ni2鋼主要用于耐腐蝕、高精度的塑料模具。

三、沉淀硬化型不銹鋼的應(yīng)用

馬氏體不銹鋼模具在熱處理過程中會(huì)產(chǎn)生變形，這是模具熱處理三大難題之一（變形、開裂、淬硬），如何既保持模具的加工精度，又使模具具有較高硬度。對于復(fù)雜、精密、長壽命面臨的一個(gè)重要課題，國內(nèi)研制和發(fā)展了一系列的沉淀硬化不銹鋼解決了這道難題，常用的此類不銹鋼有：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17NiAl、0Cr12Ni4Mn、0Cr15Ni7Mo4Al、1Cr14Co13Mo5V、5Mo3Al等。

例如0Cr17Ni4Cu4Nb是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，因含碳量低，耐腐蝕性優(yōu)于馬氏體不銹鋼，而接近于奧氏體不銹鋼。該鋼熱處理工藝簡單，固溶溫度為1040℃，水冷，熱處理后可獲得單一板條狀馬氏體，硬度為32—34HRC，具有良好的切削加工性能，便于模具的硬度可達(dá)到40HRC，由于溫度較低，模具變形較小，硬度和強(qiáng)度皆有提高，同時(shí)獲得綜合的力學(xué)性能。為了提高模具的表面硬度和耐磨性，該類鋼制模具可采用離子氮化表面處理，表面硬度可達(dá)900HV以上，大大延長了模具的使用壽命。

沉淀硬化型不銹鋼主要用于制造耐腐蝕、高精度的塑料模具。

四、奧氏體不銹鋼在熱作模具上的應(yīng)用

今年來為了滿足耐高溫、耐蝕、抗氧化要求而引入的奧氏體不銹鋼作為熱作模具材料已經(jīng)逐步獲得了廣泛的應(yīng)用。這類鋼一般都含有Ni、Mn等奧氏體形成元素，同時(shí)加入一定量的C、Cr等元素，從而使得奧氏體變形更加穩(wěn)定，且始終保持奧氏體組織，其中0Cr14Ni25Co2V、4Cr14Ni14W2Mo鋼屬于鉻鎳系奧氏體不銹鋼，其優(yōu)點(diǎn)是組織比較穩(wěn)定，在加熱和冷卻過程中均不發(fā)生相變，具有很高的高溫強(qiáng)度和耐熱性。缺點(diǎn)是線脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性差，降低了鋼的熱疲勞性能，不適宜作為強(qiáng)烈水冷的模具材料。

4Cr14Ni14W2Mo鋼在650℃以下有良好的機(jī)械性能；在600—800℃時(shí)，易因強(qiáng)烈的時(shí)效而強(qiáng)化；在800℃以下耐熱不起皮；在900℃以下耐氣體腐蝕能力高。該鋼熱處理工藝為：固溶溫度1000—1100℃水冷，組織為奧氏體；時(shí)效處理溫度為750℃，空冷，組織為奧氏體。

4Cr14Ni14W2Mo鋼抗氧化性好，可以蠕變成形模、強(qiáng)腐蝕性的玻璃成形模以及壓鑄用型芯等熱作模具。

五、奧氏體不銹鋼在無磁模具中的應(yīng)用

為了適應(yīng)磁性制品的生產(chǎn)，人們用無磁模具鋼制造無磁冷作模具和塑料模具，這種模具在強(qiáng)磁場中不會(huì)被磁化，保證了磁性制品在生產(chǎn)過程中即使被磁化，但仍然容易脫模，從而有效的保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

無磁模具鋼包括奧氏體不銹鋼和高猛系鋼。1Cr18Ni9Ti鋼屬于奧氏體型不銹鋼，它具有較高的抗晶間腐蝕性能，在各種狀態(tài)下都能保持穩(wěn)定的奧氏體組織，在強(qiáng)磁場中不產(chǎn)生磁感應(yīng)。該鋼的冷拉坯料退火溫度為970℃，水冷；固溶處理溫度為1030—1160℃水冷，組織為奧氏體；時(shí)效溫度為800℃保溫10h或時(shí)效溫度700℃保溫20h，組織為奧氏體+磁化物，時(shí)效后強(qiáng)度和其他力學(xué)性能均有所提高，但硬度仍然較低（＜200HBW）。為保證其耐磨性，一般還需要進(jìn)行氮化處理。

1Cr18Ni9Ti鋼經(jīng)固溶后呈單相奧氏體組織，因此在強(qiáng)磁中不產(chǎn)生感應(yīng)，適宜制造無磁模具和要耐蝕性能的塑料模具。

六、結(jié)束語

不銹鋼種類較多，有奧氏體不銹鋼、奧氏體—鐵素體（雙相）型不銹鋼鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼，其共同特點(diǎn)是不銹、耐蝕。各類模具的服役條件差異較大，因此各類不銹鋼的選擇和應(yīng)用應(yīng)根據(jù)模具的生產(chǎn)條件和工作環(huán)境的需要，結(jié)合不銹鋼材料的基本性能和相關(guān)因素，選擇符合模具的需要、經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上先進(jìn)的不銹鋼材料，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和模具的使用水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不銹鋼材料在模具中的應(yīng)用也將會(huì)達(dá)到一個(gè)新的水平。

第五篇：數(shù)控技術(shù)在模具鋼材制造中的應(yīng)用

模具作為一種高附加值的技術(shù)密集產(chǎn)品，它的技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平的重要評價(jià)指標(biāo)之一，而要提高模具技術(shù)水平不僅要有技術(shù)水平，更基礎(chǔ)的是要有先進(jìn)的制造設(shè)備及制造和控制技術(shù)的支持，模具加工采用傳統(tǒng)的普通設(shè)備已經(jīng)難以適應(yīng)高效率，高質(zhì)量，多樣化的加工要求。一方面促使加工的大量前期準(zhǔn)備工作與機(jī)械加工過程連為一體;另一方面，促使機(jī)械的加工的全過程與柔性自動(dòng)化水平不斷提高，即提高了制造系統(tǒng)適應(yīng)生產(chǎn)條件的能力。

模具專家羅百輝認(rèn)為，數(shù)控技術(shù)同時(shí)又是柔性制造系統(tǒng)(FMS)，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的技術(shù)基礎(chǔ)之一，數(shù)控加工是模具制造業(yè)新的發(fā)展方向。對于現(xiàn)代模具制造業(yè)，市場要求必須在最短時(shí)間內(nèi)完成新成品的開發(fā)和投產(chǎn)，為用戶提供精度模具，利用數(shù)控加工及模具計(jì)算機(jī)輔助制造等新技術(shù)，從而使模具加工技術(shù)進(jìn)入數(shù)控加工和模具計(jì)算機(jī)輔助制造為主的新階段。

自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)由硬件數(shù)控到計(jì)算機(jī)數(shù)控的發(fā)展，而計(jì)算機(jī)為更有效地使用數(shù)控技術(shù)也發(fā)揮了巨大的作用。由于鋼材模具加工中引入了CAD/CAM等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)施自動(dòng)化加工，在加工過程中，少了人的干預(yù)。由數(shù)控機(jī)床的組成可知，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都與自動(dòng)控制技術(shù)息息相關(guān)。

閉環(huán)控制系統(tǒng)是對機(jī)床移動(dòng)位置直接用直線位置推測裝置進(jìn)行檢測，再把實(shí)際測量的位置反饋到數(shù)控裝置中去，與輸入指令比較是否有差值，然后用這個(gè)差值去控制，使運(yùn)動(dòng)部件按實(shí)際需要值去運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，即數(shù)控裝置中插補(bǔ)器發(fā)出的指令信號與工作臺(tái)末端測得的實(shí)際位置反饋信號進(jìn)行比較，根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行誤差修正，直至差值在誤差允許的范圍內(nèi)為止。

控制人員根據(jù)實(shí)際模具要求，CAD,并將技術(shù)代碼通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)郊傻牟僮飨到y(tǒng)，有操作人員對加工的初值與技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)置調(diào)節(jié)，這一過程在控制面板上實(shí)現(xiàn)。

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