第一篇：多晶硅還原爐電氣系統的設計和應用

多晶硅還原爐電氣系統的設計和應用

一． 綜述

多晶硅還原爐電氣系統的主要設備是大功率調壓器。調壓器所帶負載是多晶硅棒串聯而成的純電阻負載。調壓器的作用實際上是對負載電阻進行電加熱，并且保持硅棒表面溫度恒定（一般1080℃）。硅棒串聯而成的電阻是一個變化的電阻：第一，硅棒溫度從常溫上升到1000℃，Φ8直徑硅芯電阻從幾百kΩ下降到幾十Ω；第二，保持硅棒表面溫度1080℃，硅棒直徑從Φ8增加到Φ150，硅棒電阻從幾十Ω下降到幾十mΩ。可見硅棒電阻大范圍變動引起調壓器輸出電壓和電流的調節范圍大是這種調壓器的設計特點。按照實際工作的性質，調壓器分為硅棒溫度從常溫加熱到1000℃的預熱調壓器和硅棒直徑從Φ8增加到最終直徑并且始終保持硅棒表面溫度1080℃的還原調壓器。

預熱調壓器工作過程中硅棒溫度從常溫加熱到1000℃，其主要困難是硅棒初始電阻R太大，加熱功率正比于V2/R，電阻大必然要求供電電壓高（甚至需十幾kV），一般應盡可能降低電阻R。常用方法有提高爐壁冷卻液的溫度，加粗硅芯直徑，對硅芯參雜，爐內注入高溫等離子體或放置鹵鎢燈等等。預熱調壓器工作時間十幾分鐘，功率30－200kVA。

還原調壓器輸出功率用于加熱硅棒，硅棒再通過輻射、傳導和對流方式將功率傳遞給還原爐內的反應氣體和爐壁的冷卻液。隨硅棒直徑增長，反應氣體流量加大，爐內的反應氣體和爐壁的冷卻液帶走的熱量增加，調壓器輸出功率越來越大。工藝對還原爐提出的技術要求如圖一所示。還原調壓器設計必須滿足工藝上隨直徑Φ變化，電壓V、電流I和功率P的供電要求。同時，重點考慮高電壓的電氣結構問題、大電流的電氣結構問題、負載電阻變化引起的調節器參數設計問題、調壓范圍大引起的功率因數低和諧波問題、結構上的環流問題、硅棒碰壁、裂棒檢測及斷電再上電等輔助功能問題。

多晶硅還原爐電氣系統除了調壓器以外還有一套計算機管理、操作系統。它的主要功能是：

1． 對管轄的所有還原爐電氣設備（調壓器、變壓器、開關柜）進行數字通信。

2． 對管轄的所有還原爐電氣設備的電氣數據進行畫面顯示和曲線記錄，并且對所有還原爐電氣設備的故障進行畫面提示和記錄。

3． 對管轄的所有還原爐電氣設備進行畫面操作。

該系統采用雙冗余計算機和光纖通信，可靠性高、抗干擾能力強。

目前，國際上對中國實行還原爐電氣系統的技術封鎖，同類進口產品只是國際九十年代初的水平。要想設計出適應我國還原爐內硅棒不斷增多、直徑不斷長粗、氣體壓力不斷增高的還原爐電氣系統，仍然需要依靠中國電氣同行的共同努力。

二． 預熱調壓器的設計

目前比較流行的預熱方式是直接采用高壓調壓電源進行預熱，而不是用高溫等離子體或放置鹵鎢燈等方式。因為在掌握了電極絕緣技術的情況下，高壓調壓電源進行預熱，工藝優勢比較大。

預熱調壓器方案1，380V交流電壓經過交流調壓器調壓后連接到升壓變壓器原邊。變壓器副邊1檔額定輸出V1（例如12kV）、2檔額定輸出V2（例如6kV）、3檔額定輸出V3（例如3kV）。K1真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V1－V2；K2真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V2－V3；K3真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓。方案1的缺點是真空接觸器體積較大，維護多、切換時間較長。優點是不考慮環流問題。

預熱調壓器方案2，380V交流電壓經過交流調壓器Q1調壓后連接到升壓變壓器原邊1檔，變壓器副邊額定輸出電壓V1（例如12kV），調壓輸出范圍V1－V2。380V交流電壓經過交流調壓器Q2調壓后連接到升壓變壓器原邊2檔，變壓器副邊額定輸出電壓V2（例如6kV），調壓輸出范圍V2－V3。380V交流電壓經過交流調壓器Q3調壓后連接到升壓變壓器原邊3檔，變壓器副邊額定輸出電壓V3（例如3kV），調壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓。方案2不是真空接觸器換檔而是可控硅換檔，無換檔時間。但是圖三中存在不同檔的兩個可控硅開通形成變壓器原邊兩個抽頭短路的環流可能性。因此，方案2的核心技術是確保任何一檔可控硅工作時，其他檔可控硅處于脈沖封鎖狀態，絕不會產生環流。實際上環流是兩個原因造成的：一是應該關斷的可控硅在干擾情況下誤觸發導通；二是應該關斷的可控硅承受很大的dv/dt而導通。因此，主回路應該通過阻容吸收電路抑制可控硅兩端的電壓尖峰和dv/dt，控制回路應該采取抗干擾措施。

根據經驗，預熱調壓器最高輸出電壓：硅棒長度×700V/米（爐壁冷卻液溫度240℃）；硅棒長度×1500V/米（爐壁冷卻液溫度130℃）。當預熱調壓器最高輸出電壓超過爐底電極絕緣電壓時，可以采用短對方案，也可以采用多電源方案。

短對方案中K1和K2真空接觸器先吸合，預熱調壓器為一對棒加熱到1000℃。然后K1真空接觸器吸合、K2斷開，預熱調壓器為1000℃的一對棒和常溫的一對棒串聯加熱，使兩對棒都加熱到1000℃。最后K1、K2都斷開，預熱調壓器為1000℃的兩對棒和常溫的一對棒串聯加熱，使三對棒都加熱到1000℃。短對方案的主要缺點是把1000℃的硅棒和常溫的硅棒串聯再加熱時，由于常溫硅棒電阻很大，10000C的硅棒沒有獲取功率而溫度下降，硅棒溫度反復波動容易出現裂棒甚至倒棒。

多電源方案不會出現溫度波動問題。對應預熱調壓器1的一對硅棒先到1000℃，由于它對爐內溫度的加熱，使對應預熱調壓器2的兩對硅棒的最高每米電壓值降低，預熱調壓器2可以加熱兩對硅棒到1000℃。兩個預熱調壓電源相位互差120°，三根預熱母線中任意兩根線的電壓不超過預熱調壓器最高輸出電壓。

為了簡化設備，一般選用1套預熱調壓器對N臺爐進行預加熱。9對棒還原爐預加熱系統原理，K1真空斷路器斷開，防止高壓加入A相還原調壓器。K2吸合，對1#爐A相3對棒預熱。預熱結束，K2斷開，K1吸合，A相3對棒開始由A相還原調壓器供電。同樣，K3真空斷路器斷開，防止高壓加入B相還原調壓器。K4吸合，對1#爐B相3對棒預熱。預熱結束，K4斷開，K2吸合，B相3對棒開始由B相還原調壓器供電。以次類推，每次預熱3對棒，每爐預熱3次。可以對任何一個爐進行硅芯調壓預熱。所有真空接觸器和真空斷路器的邏輯控制由PLC操作。

三． 還原調壓器設計

多晶硅50Hz交流的集膚深度大約26mm，直徑較粗時，直流導電面積是圓的面積，50Hz交流的導電面積是圓環的面積。還原調壓器可以采用直流調壓方式。但是，在工藝上，由于硅棒中心導電，中心溫度要高于硅棒表面溫度，硅棒機械強度變差甚至出現溶心現象。在供電上，直流硅棒電阻小，對同樣功率屬于低壓大電流供電方式，所以一般采用交流調壓方式。

由工藝決定的硅棒調壓范圍大約10：1，為了提高功率因數，降低諧波，通常采用副邊多抽頭的還原變壓器，即調壓器調壓與抽頭切換相結合的交流調壓方式。

用真空斷路器進行抽頭切換，可控硅交流調壓器在相鄰兩抽頭間進行小范圍調壓。缺點是硅棒電流較大時，真空斷路器價格高體積大。另外斷路器切換時間和維護都不如可控硅電子開關。無斷路器結構，4個可控硅調壓器任何時候僅有1個可控硅調壓器在工作。變壓器原邊繞組的電壓、電流波形如圖九所示，電流波形由0線和正弦波組成。顯然，電流滯后于電壓，功率因數低；電流畸變，存在高次諧波。因此，在變壓器副邊的一個抽頭上安裝就地無功功率補償和諧波治理裝置。使功率因數大于0.9，注入10kV電網的諧波達到國家標準GB/14549?93。圖十中存在不同檔的兩個可控硅開通形成變壓器副邊兩個抽頭短路的環流可能性。因此，其核心技術是確保任何一檔可控硅工作時，其它檔可控硅處于脈沖封鎖狀態，保證絕不會產生環流。

在電壓/電流工藝曲線固定的情況下，可以不用無功功率補償和諧波治理裝置，選用高功率因數調壓方式實現功率因數大于0.9，注入10kV電網的諧波達到國家標準。該方式的調壓器主回路電路圖相同，4個可控硅調壓器任何時候有2個可控硅調壓器在工作。變壓器原邊繞組的電壓、電流波形如圖十所示，電流波形由小正弦波和大正弦波組成。例如：先Q3導通產生電流正極性小正弦波，再Q1導通產生電流正極性大正弦波，再Q4導通產生電流負極性小正弦波，最后Q2導通產生電流負極性大正弦波。注意：假設兩個相鄰的抽頭電壓分別為1000V和707V，硅棒電流波形大正弦波與小正弦波的峰值比例是1.414。但是變壓器原邊繞組的電流波形大正弦波與小正弦波的峰值比例則為2。可以證明，兩個相鄰的抽頭電壓接近到一定程度，可以解決功率因數和諧波的問題。

當單相供電的硅棒串聯對數較多時，或者硅棒高度較長時，工藝電壓曲線最高電壓值比較大。為解決可控硅耐壓問題，通常采用先獨立后串聯供電方案，如圖十一所示。例如：18對棒還原爐單相供電6對棒，首先K1電子開關導通，K2電子開關斷路，調壓器T2為上3對棒供電，調壓器T1為下3對棒供電。隨直徑長粗，供電電壓下降，再進入串聯狀態，K2電子開關導通，K1電子開關斷路，調壓器T2、T3、T4為6對棒供電。

還原調壓器的調節器是自適應調節器，調節器參數隨負載電阻變化而自動改變。具備全套的保護功能。并且有硅棒碰壁、裂棒檢測及主回路突然斷電再上電的處理功能。

四． 實際應用效果

北京三義電力電子公司提供的多晶硅還原爐電氣系統由我公司提供設計參數、其它廠家生產的外圍設備（變壓器、高壓開關柜）和我公司設計并生產的核心設備組成。核心設備包括預熱調壓器、計算機操作管理系統、綜合信號柜和還原調壓器四部分。前三部分一套生產線僅需要1套，還原調壓器數量與爐子數量相對應。北京三義電力電子公司自2005年第一套多晶硅還原爐電氣系統在洛陽中硅公司投入運行以來，已經制造了13套生產線的多晶硅還原爐電氣系統。其中4套已經投入生產。實際運行情況驗證了系統的性能和可靠性。

一． 綜述

多晶硅還原爐電氣系統的主要設備是大功率調壓器。調壓器所帶負載是多晶硅棒串聯而成的純電阻負載。調壓器的作用實際上是對負載電阻進行電加熱，并且保持硅棒表面溫度恒定（一般1080℃）。硅棒串聯而成的電阻是一個變化的電阻：第一，硅棒溫度從常溫上升到1000℃，Φ8直徑硅芯電阻從幾百kΩ下降到幾十Ω；第二，保持硅棒表面溫度1080℃，硅棒直徑從Φ8增加到Φ150，硅棒電阻從幾十Ω下降到幾十mΩ。可見硅棒電阻大范圍變動引起調壓器輸出電壓和電流的調節范圍大是這種調壓器的設計特點。按照實際工作的性質，調壓器分為硅棒溫度從常溫加熱到1000℃的預熱調壓器和硅棒直徑從Φ8增加到最終直徑并且始終保持硅棒表面溫度1080℃的還原調壓器。

預熱調壓器工作過程中硅棒溫度從常溫加熱到1000℃，其主要困難是硅棒初始電阻R太大，加熱功率正比于V2/R，電阻大必然要求供電電壓高（甚至需十幾kV），一般應盡可能降低電阻R。常用方法有提高爐壁冷卻液的溫度，加粗硅芯直徑，對硅芯參雜，爐內注入高溫等離子體或放置鹵鎢燈等等。預熱調壓器工作時間十幾分鐘，功率30－200kVA。

還原調壓器輸出功率用于加熱硅棒，硅棒再通過輻射、傳導和對流方式將功率傳遞給還原爐內的反應氣體和爐壁的冷卻液。隨硅棒直徑增長，反應氣體流量加大，爐內的反應氣體和爐壁的冷卻液帶走的熱量增加，調壓器輸出功率越來越大。工藝對還原爐提出的技術要求如圖一所示。還原調壓器設計必須滿足工藝上隨直徑Φ變化，電壓V、電流I和功率P的供電要求。同時，重點考慮高電壓的電氣結構問題、大電流的電氣結構問題、負載電阻變化引起的調節器參數設計問題、調壓范圍大引起的功率因數低和諧波問題、結構上的環流問題、硅棒碰壁、裂棒檢測及斷電再上電等輔助功能問題。

多晶硅還原爐電氣系統除了調壓器以外還有一套計算機管理、操作系統。它的主要功能是：

1． 對管轄的所有還原爐電氣設備（調壓器、變壓器、開關柜）進行數字通信。

2． 對管轄的所有還原爐電氣設備的電氣數據進行畫面顯示和曲線記錄，并且對所有還原爐電氣設備的故障進行畫面提示和記錄。

3． 對管轄的所有還原爐電氣設備進行畫面操作。

該系統采用雙冗余計算機和光纖通信，可靠性高、抗干擾能力強。

目前，國際上對中國實行還原爐電氣系統的技術封鎖，同類進口產品只是國際九十年代初的水平。要想設計出適應我國還原爐內硅棒不斷增多、直徑不斷長粗、氣體壓力不斷增高的還原爐電氣系統，仍然需要依靠中國電氣同行的共同努力。

二． 預熱調壓器的設計

目前比較流行的預熱方式是直接采用高壓調壓電源進行預熱，而不是用高溫等離子體或放置鹵鎢燈等方式。因為在掌握了電極絕緣技術的情況下，高壓調壓電源進行預熱，工藝優勢比較大。

預熱調壓器方案1，380V交流電壓經過交流調壓器調壓后連接到升壓變壓器原邊。變壓器副邊1檔額定輸出V1（例如12kV）、2檔額定輸出V2（例如6kV）、3檔額定輸出V3（例如3kV）。K1真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V1－V2；K2真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V2－V3；K3真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓。方案1的缺點是真空接觸器體積較大，維護多、切換時間較長。優點是不考慮環流問題。

預熱調壓器方案2，380V交流電壓經過交流調壓器Q1調壓后連接到升壓變壓器原邊1檔，變壓器副邊額定輸出電壓V1（例如12kV），調壓輸出范圍V1－V2。380V交流電壓經過交流調壓器Q2調壓后連接到升壓變壓器原邊2檔，變壓器副邊額定輸出電壓V2（例如6kV），調壓輸出范圍V2－V3。380V交流電壓經過交流調壓器Q3調壓后連接到升壓變壓器原邊3檔，變壓器副邊額定輸出電壓V3（例如3kV），調壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓。方案2不是真空接觸器換檔而是可控硅換檔，無換檔時間。但是圖三中存在不同檔的兩個可控硅開通形成變壓器原邊兩個抽頭短路的環流可能性。因此，方案2的核心技術是確保任何一檔可控硅工作時，其他檔可控硅處于脈沖封鎖狀態，絕不會產生環流。實際上環流是兩個原因造成的：一是應該關斷的可控硅在干擾情況下誤觸發導通；二是應該關斷的可控硅承受很大的dv/dt而導通。因此，主回路應該通過阻容吸收電路抑制可控硅兩端的電壓尖峰和dv/dt，控制回路應該采取抗干擾措施。

根據經驗，預熱調壓器最高輸出電壓：硅棒長度×700V/米（爐壁冷卻液溫度240℃）；硅棒長度×1500V/米（爐壁冷卻液溫度130℃）。當預熱調壓器最高輸出電壓超過爐底電極絕緣電壓時，可以采用短對方案，也可以采用多電源方案。

第二篇：石墨材料在鑄錠多晶硅制造中的應用

太陽能單硅晶片的制取：二氧化硅－工業硅－多晶硅－單晶硅。單晶硅是用多晶硅經過單晶爐拉制而成。也就是多晶硅是生產單晶硅的直接原料。

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用 4.1.1鑄錠多晶硅

2007年在全球半導體產業低速增長的情況下，中國的半導體產業持續發展，比2006年增長了20.8%，隨著各國對可再生能源的重視，以及太陽能電池轉換效率不斷提高，產品成本不斷下降，太陽能電池產量快速增長。自2000年以來光伏市場的發展超過了工業歷史上的任何一次飛躍。2007年全球太陽能電池產量達到4000MW，較2006年增長了56%，中國2007年太陽能電池產量達到1088MW，同比增長148%，市場占有率由2006年的17%提升到27%。光伏發電的前景已經被越來越多的國家和金融界認識，多晶硅材料不僅用于半導體集成電路單晶硅的生產，同時還大量用于光伏太陽能電池產業，特別是用多晶硅生產的單晶硅制造的太陽能電池片其轉化效率高﹙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、供應的。一類是通過直拉單晶硅，生產出單晶硅棒，經切割等制成晶圓。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，多晶硅鑄錠是整個光伏產業鏈中的一個非常重要的基礎工序。利用鑄造技術制備硅多晶體，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、位錯和雜質，但由于省去了高費用的晶體拉制過程，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用。

與直拉單晶硅相比，鑄造多晶硅的主要優勢是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，其缺點是含有晶界、高密度的位錯、微缺陷和相對較高的雜質濃度，其晶體的質量明顯低于單晶硅，從而降低了太陽能電池的光電轉換效率。

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鑄造過程，在這個過程中，熔化的硅被傾倒到一個模子里并且被定型，然后它被切成薄片。因為多晶片是通過模鑄被制作出來的，由于鑄造過程的晶體結構上的不完整，鑄造多晶硅太陽能電池的效率低于單晶硅電池，但是由于生產工藝簡單，所以他們能夠更加便宜的被生產，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，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公司的結晶法、美國晶體系統公司的熱交換法、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，鑄造多晶硅產品走入人們的視線。

自從鑄造多晶硅發明以后，技術不斷改進，質量不斷提高，應用也不斷廣泛。在材料制備方面，平面固液界面技術和氮化硅涂層技術等技術的應用、材料尺寸的不斷加大；在電池方面，SiN減反射層技術、氫鈍化技術、吸雜技術的開發和應用，使得鑄造多晶硅材料的電學性能有了明顯改善，其太陽能電池的光電轉換效率也得到了迅速提高，實驗室中的效率從1976年的12.5%提高到21世紀初的19.8%。近年來更達到20.3%。而在實際生產中的鑄造多晶硅太陽能電池效率也已達到15%-16%左右。

由于鑄造多晶硅的優勢，包括中國在內的世界各主要太陽能生產國都在努力發展其工業規模。自20世紀90年代以來，國際上新建的太陽能電池和材料的生產線大部分是鑄造多晶硅生產線，并且隨著產業規模和技術的提升，更多的鑄造多晶硅材料和電池生產線投入應用。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：中國電子材料行業協會整理﹙2008.10﹚ 多晶硅片的典型生產工藝如下：

（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，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氣體，爐內壓力大致保持在4×104-6×104Pa左右；

（2）加熱：利用均布于四周的石墨加熱器按設定的速率緩慢加熱，去除爐內設施及硅料表面吸附的濕氣等；（3）熔化：增大加熱功率，使爐內溫度達到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料熔化結束后，適當減小加熱功率，工作區溫度降至1430℃左右的硅的熔點，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，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，這時的多晶硅錠會存在一定的熱應力，容易在后道剖錠、切片和電池制造過程中碎裂，因此，長晶后應保溫在硅熔點附近一段時間以使整個晶錠的溫度逐漸均勻，減少或消除熱應力；

（6）冷卻：退火后，加熱器停止加熱，并通入大流量氬氣，使爐內溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升，直至達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：利用剖錠機將多晶硅錠上易吸收雜質的上下表面及周邊切除，按所需硅片尺寸﹙如125mm×125mm規格或156mm×156mm規格﹚切割成均勻的方形硅柱；

（9）切片：用多線切割機將方形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，工藝結束。4.1.2多晶硅鑄錠爐的結構組成

根據多晶硅片的生產工藝可以得知其核心設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晶，使其形成晶向一致的硅錠，從而達到太陽能電池生產對硅片品質的要求。多晶硅鑄錠爐是多晶硅制造的關鍵設備之一，其工藝流程的穩定性、設備控制的穩定性和先進性直接關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構、送氣及水冷系統、控制系統和安全保護系統組成。多晶硅片質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。

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

抽真空系統是保持硅錠在真空下進行一系列處理，要求在不同的狀態下，保持爐內真空壓力控制在一定范圍內。這就要求真空系統既有抽真空設備，同時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。抽真空系統由機械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統組成。（2）加熱系統

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

測溫系統是檢測爐內硅錠在長晶過程中溫度的變化，給硅錠長晶狀況實時分析判斷系統提供數據，以便使

長晶狀況實時分析判斷系統隨時調整長晶參數，使這一過程處于良好狀態。（4）保溫層升降系統

保溫層升降系統機構是保證硅錠在長晶過程中，保持良好的長晶速度，它是通過精密機械升降系統，并配備精確的位置、速度控制系統來實現。保證硅錠晶核形成的優良性，保證光電轉化的高效性。（5）壓力控制系統

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

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后放在定向凝固塊上，關閉爐膛后抽真空，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晶時釋放的熱量輻射到下爐腔內壁上，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，進行柱狀結晶生長。硅料凝固后，硅錠經過退火、冷卻后出爐即完成整個鑄錠過程。4.1.3石墨材料在多晶硅鑄錠爐中的應用

多晶硅鑄錠爐中，多個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-高純碳氈隔熱材料，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

在多晶硅鑄錠爐設計上，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，感應加熱和輻射加熱均可以達到所需的溫度。一般多采用輻射加熱方式。它可以對結晶過程的熱量傳遞進行精確控制，易于在坩堝內部形成垂直的溫度梯度。

加熱器的加熱能力必須超過1650℃，同時其材料不能與硅料反應，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、且基本性能穩定等特點。﹙2﹚ 加熱器中使用的隔熱材料-高純碳氈隔熱材料

對于鑄錠工藝而言，為了提高生產效率，要求設備的升溫速度盡可能快；由于采用真空工藝，要求爐內材料的放氣量應盡可能少，縮短真空排氣的時間；同時硅料中溫度梯度的形成還需要隔熱層的精確提升實現，隔熱層的質量要盡可能輕，以減少升降時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、導熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數小，在眾多的耐火保溫材料中，以高純碳氈最為理想。

已投稿到： 職場頻道

【復制標題和鏈接，發送給好友】 中國石墨圈的相關文章 >>更多 · 碳石墨材料的特性及其在多晶硅工?

· 石墨的用途

· 石墨制品及制品在半導體工業、光?

· 關于炭和石墨制品的主要用途

· 石墨換熱器用途

中國石墨圈的相關標簽 石墨制品及制品在半導

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

（引用地址：未提供）

目錄： 行業動態

瀏覽字體：大 中 小

1.概述

1.1兩大類別的石墨

本報告，是在圍繞半導體、光伏產業用（即電子工程用）石墨制品的品種、生產制造過程、產品性能、生產廠家、具體應用領域情況、市場規模及發展趨勢等方面做的行業調研的基礎上編寫的。

石墨（graphite）材料的來源分為天然石墨和人造石墨兩類。盡管天然石墨優異的理化性能使之在各個科技工程領域受到重視和廣泛的應用，但是天然石墨的粉體形態使其應用受到了很大限制，因此發展出人造石墨，成為一項具有廣闊市場前景的重要任務。本報告所涉及、調研的半導體、光伏產業用石墨制品，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巖中，是有機碳物質變質形成的，煤層經熱變質也可形成石墨。有些火成巖中也可出現少量石墨。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。這些雜質常以石英、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現。此外，還有水、瀝青、CO2、H2、CH4、N2等氣體部分。

天然石墨的結晶形態不同的石墨礦物，具有不同的工業價值和用途。可將工業應用的天然石墨根據結晶形態不同分為三類，即致密結晶狀石墨、鱗片石墨、隱晶質石墨。

我國具有豐富的天然石墨資源，特別是晶質的鱗片石墨，儲量、產量以及國際貿易量均居世界首位，堪稱石墨大國。世界已探明的晶質石墨儲量2.3億t，我國占有1.7億t，世界遠景儲量7億t,我國為4億t。

目前產業界內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使其應用受到很大限制，因此發展出人造石墨制品及相關產業成為今后重要方面。

1.2石墨在工業領域的廣泛應用

石墨有廣闊的應用市場，它在許多工業領域中得到應用。

碳-石墨的應用領域例：鋼鐵工業、有色金屬工業、高溫技術、汽車工業、賽車/賽艇用品、體育裝備、工業織物、航天航空、衛星技術、防御技術、海事技術、能源工業、太陽能技術、發電技術、核技術、化學工業、環境保護、制藥技術、化肥工業、機械工程、工藝設備、密封技術、工具制造、塑料、玻璃陶瓷、造紙、建筑技術、家用電器、電子工業、半導體技術、電工技術、醫用工業、測量和試驗工業。

碳-石墨的應用產品例：石墨電極、陰極塊、爐襯、碳電極、電子半導體用碳石墨、工業用碳石墨、高溫用碳石墨、汽車機械用碳石墨、電工用石墨、防腐工藝技術、碳纖維、剎車片、工業復合材料、航空航天復合材料、燃

料電池組件、天然膨脹石墨。

高科技產業發展為高附加值的優質高純石墨產品帶來了市場發展的機遇。石墨材料在高速、耐磨、防腐、節能、超小型等高科技應用領域中又有了新的應用。有關統計資料預測，目前我國每年還大量的進口氟化石墨、高分子石墨復合材料、高分子石墨復合材料中添加劑石墨微粉（如著色劑、強化劑、導電劑）、導電用石墨、潤滑脂等。特別是半導體材料的發展、新能源（如太陽電池）的發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。這些市場的需求，導致石墨近年來進口大幅的增加。這無疑是石墨工業經濟發展的良機，也是石墨企業開拓新市場的重大機遇。

目前在電子產品應用市場中，需求呼聲最高的一類石墨制品是具有高強度、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，生產出的產品為各向同性石墨。例如，應用于半導體生產的直拉單晶硅爐熱場中的特種石墨，就是絕大多數多采用高純細顆粒的等靜壓各向同性石墨制成的。

1.3石墨在半導體、光伏產業領域的應用 1.3.1應用市場發展擴大的過程

半導體的發展與石墨材料在半導體工業中的應用是分不開的。在半導體工業中，直拉單晶爐的加熱系統大量采用高純石墨材料。還在半導體硅片加工（包括區熔、外延、外形加工等）中作為輔助工具、部件；在半導體硅片用多晶硅材料的生產中為輔助工具、部件。電子工程用石墨制品，首先是實現在半導體工業中得到應用。進入21世紀，光伏產業得到了迅速的發展，太陽能電池用多晶硅錠材料在產量與市場上都出現了突飛猛進的增大，這也給石墨制品在光伏產業領域提供了一個發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，在其生產裝置鑄錠爐中開始大量的采用高純、優質的石墨材料。

1.3.2石墨制品的半導體應用市場概況

直拉單晶爐內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顆粒結構石墨；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構的石墨。

1.3.3石墨制品的太陽電池應用市場概況

在生產鑄錠多晶硅設備上，多個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---高純碳氈隔熱材料，都是目前鑄錠多晶硅設備重要的、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、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、且基本性能穩定等特點。正因為如此，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格的要求。它必須是耐高溫、密度低、導熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數小的材料。因此在眾多的耐火保溫材料中以高純碳氈最為理想。

上述所舉例的兩類在半導體、光伏產業領域應用的石墨制品，幾年前還是主要是由國外全部進口（或者是由我國內地的外資企業提供）。但由于我國石墨行業、半導體材料行業、電子工業設備行業的共同努力，我國自行生

產的這兩類石墨配套無論在制造技術上，還是在應用技術上都取得了巨大的進步，市場的格局也得到了很大的改變。這也給我國石墨行業在此方面開拓新市場提供了新機遇。但同時也需要看到，在我國大規格、高純各向同性石墨的市場在迅速增大的同時，我國在此方面的制造技術仍有不適應的方面，技術仍與國外先進國家有很大的差距。石墨制品作為微電子、光伏產業的重要基礎裝備材料，需要我國國內不斷在技術獲得進步，與半導體行業、光伏電池用硅材料制造行業加強合作，進一步投資發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-碳纖維復合材料在半導體、光伏產業領域的應用

石墨制品在半導體、光伏產業領域應用就使用碳石墨類材料的類型來講，有關業界專家認為，可以將它所用類型分為三類，或說是三個發展的階段。第一類型為模壓（或擠壓、或振動）成型工藝法的石墨制品。這類石墨制品在半導體、光伏產業領域應用的碳石墨材料產品群中，現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。在目前的半導體、光伏產業領域中它得到最廣泛的應用。它占世界整個半導體、光伏產業領域應用的石墨制品量的約有80%以上。第三類型為碳-碳纖維復合材料。這是一類在半導體、光伏產業領域應用中替代石墨材料的更新型的材料及制品。

采用碳-碳纖維復合材料可以看作在半導體、光伏產業領域中作為加熱器、隔熱材料等上應用的第三階段，也是一個更高的技術發展階段。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-碳纖維復合材料所替代。有關業界專家認為，今后在半導體、光伏產業領域中應用的兩類材料及制品誰也不能替代誰。預測在一、二十年以后，會發展成“各占半壁江山”的市場格局。

碳-碳復合材料是炭纖維增強炭基體復合材料。它具有質量輕、耐燒蝕性好、抗熱沖擊性好、損傷容限高、高溫強度高、可設計性強等突出特點，因此，它在航天、航空、原子能等許多領域有較廣泛的應用。且復合材料可以通過選擇纖維的種類、結構、數量和基體前驅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，因此其應用范圍越來越廣泛，也越來越受到人們的重視。碳-碳復合材料強度遠遠大于石墨的，其尺寸穩定性好、耐沖擊、抗熱震性能好，其綜合機械性能優于石墨。該材料可以通過純化處理，使金屬雜質含量可控制在5ppm以下。

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

根據中國電子材料行業協會的調研，盡管世界及我國在碳-碳復合材料替代在半導體、光伏產業用石墨制品上取得不小的進展，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-碳纖維復合材料在制造中生產周期長，實現大批量生產速度低下。﹙3﹚就國內的碳-碳纖維復合材料產品制造講，國內的碳纖維材料仍基本不能生產，需靠國外進口。﹙4﹚由于制造半導體、光伏產業用碳-碳纖維復合材料研發、生產的歷史還很短，在工藝上的成熟程度不夠，因此某些項性能上仍有待提高。

本調研報告，未包括半導體、光伏產業用碳-碳復合材料部分，又因它的發展，對今后的半導體、光伏產業用石墨制品今后市場走勢是有一定影響的，為此在報告本節內，加入此方面的內容闡述。

2.半導體、光伏產業用石墨制品概述 2.1石墨的結構特性

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

碳元素的三種異構體，其原子的空間排列各不相同。石墨屬六方晶系，各層面由六角形環構成，層面與層面平行，呈有序的重疊晶體結構；金剛石屬立方晶系的四面體結構；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﹚是碳質元素結晶礦物，它的結晶格架為六邊形層狀結構。每一網層間的距離為0.3354nm。石墨晶體呈一種層狀點陣，由許多碳原子，碳原子為sp2雜化態，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。晶體結構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﹙真空下﹚ 比表面積

主要物理特性

色澤黑灰色，質軟，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℃時才開始軟化的趨向溶融狀態 集中在1-20m2/g范圍

石墨質軟，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的全自動F-Sorb2400比表面積儀BET方法測試﹚。在隔絕氧氣條件下，其熔點在3000℃以上，是最耐溫的礦物之一。

石墨具有良好的導電、導熱、抗腐蝕、耐輻射、耐高低溫等特性，具有良好的潤滑性，性脆，強度較低。2.3半導體、光伏產業用石墨制品的主要原料來源

半導體工業用石墨制品絕大多數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。煤瀝青制出的石墨制品，在機械強度上較高。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一步去除雜質、降低水分、揮發份的目的。

半導體工業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。

隨著國產原油逐漸重質化、重質燃料油市場的縮小以及環保對汽油、柴油質量要求的提高，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。全球石油焦的消費量隨著原油生產和消費的增長而逐年增長。

2001年～2005年世界石油焦的產量年均增速為2%，世界石油焦供應增速減緩。美國是石油焦主要生產大國，其產量占世界總產量的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地為巴西、阿根廷、委內瑞拉等國家，產品以電極焦為主，大部分供應美國市場；歐洲的石油焦基本自給自足；亞洲﹙不包括中國大陸﹚石油焦產量占世界總量6%，主要產地是科威特、印尼、中國臺灣和日本等國家和地區。我國石油焦生產自20世紀90年代以來得到飛速發展，目前產量占世界總產量的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，國內石油焦生產企業共有30多家，多數是中國石油、中國石化兩大集團的下屬企業，少數為地方小焦化企業。長期以來，除個別煉油廠外，我國加工的原油硫含量普遍偏低，所以國內市場上石油焦產品以中、低含硫石油焦為主。隨著我國煉油行業加工進口中東等地區高含硫原油數量的增加，國內高含硫石油焦產量增加較快，目前約占石油焦總產量的20%。

目前，世界石油焦消費市場的結構為：煉鋼、電解鋁占46%，燃料占31%，電石占14%，原料占9%。根據石油焦結構和外觀，石油焦產品可分為針狀焦、海綿焦、彈丸焦和粉焦 四種：

（1）針狀焦，具有明顯的針狀結構和纖維紋理，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、揮發分和真密度等方面有嚴格質量指標要求，所以對針狀焦的生產工藝和原料都有特殊的要求。

（2）海綿焦，化學反應性高，雜質含量低，主要用于煉鋁工業及碳素行業。

（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、高瀝青質渣油生產，只能用作發電、水泥等工業燃料。

（4）粉焦：經流態化焦化工藝生產，其顆粒細﹙直徑0.1-0.4mm﹚，揮發分高，熱脹系數高，不能直接用于電極制備和碳素行業。

根據硫含量的不同，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﹚。高品質的低硫焦的硫含量小于0.5%。

半導體工業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半導體、光伏產業用石墨制品的主要特性 半導體、光伏產業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2.1g/cm3，純石墨的密度值是其質量除以體積 ﹙含所有的氣孔﹚所得的商。

（2）機械強度

人造石墨不同于其它大部分的材料，它的抗張、抗折和抗壓強度會隨著溫度的升高而增大，當達到2200K之后，其強度會下降。在2200K時，石墨的強度值較室溫時高一倍。

一般用于半導體、光伏工業的石墨材料的抗壓強度達到90-150Mpa；抗折強度為40-65Mpa。（3）導電性

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

（4）熱膨脹性

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

（5）比熱

石墨的比熱在500K-1500K溫度范圍內變化較大，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

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

﹙7﹚可加工性

石墨容易加工，其邊緣強度和耐磨性好。結構復雜、公差嚴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，它不會被熔化的玻璃或大部分金屬浸潤。

3.半導體、光伏產業用石墨制品的生產技術情況

3.1石墨制品的等靜壓成型生產技術 3.1.1等靜壓成型的主要設備

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

等靜壓成型設備主要由彈性模具、高壓容器、框架和液壓系統組成。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，模具設計是液等靜壓成型的關鍵技術問題，彈性模具與制品的尺寸和均質有密切關系。高壓容器多數是用高強度合金鋼直接鑄造后經機床加工而成的厚辟金屬筒體，其強度足以抵抗強大的液體壓力，筒體結構也有多數形式，如雙層組合筒體、預應力鋼絲繞加固筒體等。液壓系統由低壓泵、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，達到一定壓力后由高壓泵供油，并由增壓器進一步增加高壓容器內的液體壓力。

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

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

此法將模具懸掛在高壓容器內，根據產品尺寸大小可裝入若干個模具，適用于批量小、尺寸不大、外形較復雜的產品生產碳素制品主要用濕袋法冷等靜壓機。

﹙2﹚干袋法冷等靜壓機

此法適用于尺寸較大、生產量大的制品，此時冷等靜壓機設備也與濕袋法所用冷等靜壓機有區別。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，用限位器定位，因此又稱為固定模法，生產時用壓力沖頭將料粉裝入模具內并封閉上口加壓時，液體介質注入容器內的彈性模具外圍，對模具加壓脫模時不必取出模具，用頂料機構頂出成型后的生坯，批量生產特種耐火材料多用這種等靜壓設備。

等靜壓設備的關鍵部件是缸體，通常承受壓力為200MPa，據悉，已能制造最高可達1050MPa的缸體。缸體最早是整體澆鑄，目前多數采用鋼絲預應力纏繞而成。隨著產品規格的大型化，缸體直徑不斷向大型化發展。目前，日本東洋碳素株式會社已能批量生產φ1500×2000mm的等靜壓石墨。據悉擬開發直徑φ2000mm的產品。

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

等靜壓機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，放在熱等靜壓機內，采用氣體介質，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。這是因為不僅瀝青能進入制品的全部氣孔，而且沒有通常設備中，減壓后瀝青外溢和焙燒時瀝青外滲現象。

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）模具準備模具應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只能使用1-2次，因此以變壓器油為壓力介質時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械性能裝料時應同時振動，使粉狀原料在模具內初步密實裝完料后用手工對模具適當整形，然后將模具另一端塞上橡膠塞或塑料塞，并用鐵絲扎緊，防止液體介質侵入模具，為了使粉料中的氣體能在受壓時充分排出，預先在粉料中插入排氣管，并外接真空泵抽氣生產某些球形產品時，則應先將粉料用模壓法預壓成球體，再置入相應尺寸的等靜壓成型模具內；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行加壓。

（3）升壓及降壓啟動高壓泵，將液體介質注入高壓容器，并密切注意升壓及排氣情況加壓一般采取分階段逐步進行，例如，先將壓力升至5MPa,保持一段時間，使模具內氣體部分排出，此時，粉料受壓體積收縮，因此高壓容器內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，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，加熱后壓力自動升高，但這種壓力自動升高有一定的限度。

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，粉末顆粒發生位移和變形，顆粒間的接觸表面因塑性變形而增大，發生機械的咬合和交織，使物料被壓實。物料中的炭質顆粒，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，這些炭質顆粒將作有序排列。這便造成最終產品性能上的差異，如電氣、機械、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。從而使最終產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”。當然，為了進一步縮小性能上的差異，除關鍵的等靜壓機成型外，尚需在炭質顆粒結構和工藝上進一步調整。

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、機械強度等與普通石墨相比，其性能要高一個檔次，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

為制造細結構，質地致密，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，無論是單面壓制或雙面壓制，受摩擦力（炭質顆粒間和制品

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，帶來單個產品的性能差異，是十分有害的。

采用等靜壓機成型時，產品各方位受力均勻，體積密度比較均一，且不受產品高度的限制。3.2.3可以制造大規格制品

由于信息產業的飛速發展，單晶硅的直徑不斷向大直徑方向延伸，已由原來的75-100mm，發展到150-200mm，而且正向250mm、300mm發展。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、核反應堆用石墨亦需大規格制品，如當今商品市場上已出現?1500×2000mm的石墨制品。而采用模壓方法是無法完成的。這是因為它受到下列制約：

（1）壓機噸位的限制

以產品直徑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，設計的噸位將更高。雖然當今制造這樣高噸位的壓機，并不困難，但是假如制品長度加大，則此壓機將是一個龐然大物。造價亦十分可觀。

（2）產品高度的限制

目前采用雙面壓制模壓產品的高度，也只能在300-400mm之間，假如制品高度為2，000mm，在通常情況下，上滑塊與壓機床面高度與制品高度比是4：1，那么壓機的空間距離將達到8000mm。雖然對壓機和模具進行結構改變，有望降低一些高度，但壓機的設計與制造上將遇到很大的困難。更何況如此高的產品，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。

（3）焙燒的限制

統計數據表明，炭石墨制品的生產廢品，70%以上是焙燒工序造成的，廢品的主要形式是產品的內、外部裂紋。造成焙燒產品開裂的原因很多，諸如配方的合理性、粘結劑的加入量多少、單位壓力的大小、焙燒曲線的快慢、產品受熱的均勻程度、焙燒低溫過程的“浸氧”、填充料的性質等等，但不可否認，制品體積密度的不均勻，是產品內部結構缺欠所造成焙燒開裂的主要元兇之一。這是因為體積密度的不同，膨脹系數便有差異，在焙燒過程中，將產生不均衡的內應力。當這種內應力超過制品本身強度時，便因內應力釋放而開裂。這種開裂不僅在焙燒過程中產生，在冷卻過程也易于產生。

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

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 對比項目 各向異性比

平均焦炭顆粒直徑/?m 體積密度/（g/cm3）抗折強度/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

不同

毛坯尺寸精度

毛坯內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體工業、光伏產業中的應用情況 4.1石墨材料在鑄錠多晶硅制造中的應用 4.1.1鑄錠多晶硅

2007年在全球半導體產業低速增長的情況下，中國的半導體產業持續發展，比2006年增長了20.8%，隨著各國對可再生能源的重視，以及太陽能電池轉換效率不斷提高，產品成本不斷下降，太陽能電池產量快速增長。自2000年以來光伏市場的發展超過了工業歷史上的任何一次飛躍。2007年全球太陽能電池產量達到4000MW，較2006年增長了56%，中國2007年太陽能電池產量達到1088MW，同比增長148%，市場占有率由2006年的17%提升到27%。光伏發電的前景已經被越來越多的國家和金融界認識，多晶硅材料不僅用于半導體集成電路單晶硅的生產，同時還大量用于光伏太陽能電池產業，特別是用多晶硅生產的單晶硅制造的太陽能電池片其轉化效率高﹙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、供應的。一類是通過直拉單晶硅，生產出單晶硅棒，經切割等制成晶圓。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，多晶硅鑄錠是整個光伏產業鏈中的一個非常重要的基礎工序。利用鑄造技術制備硅多晶體，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、位錯和雜質，但由于省去了高費用的晶體拉制過程，所以相對成本較低，而且能耗也較

精度不好

與毛坯內部位置無關，特性離散小，0.03以內

±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 根據毛坯形狀、尺寸大小特性

低，在國際上得到了廣泛應用。

與直拉單晶硅相比，鑄造多晶硅的主要優勢是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，其缺點是含有晶界、高密度的位錯、微缺陷和相對較高的雜質濃度，其晶體的質量明顯低于單晶硅，從而降低了太陽能電池的光電轉換效率。

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鑄造過程，在這個過程中，熔化的硅被傾倒到一個模子里并且被定型，然后它被切成薄片。因為多晶片是通過模鑄被制作出來的，由于鑄造過程的晶體結構上的不完整，鑄造多晶硅太陽能電池的效率低于單晶硅電池，但是由于生產工藝簡單，所以他們能夠更加便宜的被生產，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，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公司的結晶法、美國晶體系統公司的熱交換法、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，鑄造多晶硅產品走入人們的視線。

自從鑄造多晶硅發明以后，技術不斷改進，質量不斷提高，應用也不斷廣泛。在材料制備方面，平面固液界面技術和氮化硅涂層技術等技術的應用、材料尺寸的不斷加大；在電池方面，SiN減反射層技術、氫鈍化技術、吸雜技術的開發和應用，使得鑄造多晶硅材料的電學性能有了明顯改善，其太陽能電池的光電轉換效率也得到了迅速提高，實驗室中的效率從1976年的12.5%提高到21世紀初的19.8%。近年來更達到20.3%。而在實際生產中的鑄造多晶硅太陽能電池效率也已達到15%-16%左右。

由于鑄造多晶硅的優勢，包括中國在內的世界各主要太陽能生產國都在努力發展其工業規模。自20世紀90年代以來，國際上新建的太陽能電池和材料的生產線大部分是鑄造多晶硅生產線，并且隨著產業規模和技術的提升，更多的鑄造多晶硅材料和電池生產線投入應用。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，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氣體，爐內壓力大致保持在4×104-6×104Pa左右；

（2）加熱：利用均布于四周的石墨加熱器按設定的速率緩慢加熱，去除爐內設施及硅料表面吸附的濕氣等；（3）熔化：增大加熱功率，使爐內溫度達到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料熔化結束后，適當減小加熱功率，工作區溫度降至1430℃左右的硅的熔點，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，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，這時的多晶硅錠會存在一定的熱應力，容易在后道剖錠、切片和電池制造過程中碎裂，因此，長晶后應保溫在硅熔點附近一段時間以使整個晶錠的溫度逐漸均勻，減少或消除熱應力；

（6）冷卻：退火后，加熱器停止加熱，并通入大流量氬氣，使爐內溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升，直至達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：利用剖錠機將多晶硅錠上易吸收雜質的上下表面及周邊切除，按所需硅片尺寸﹙如125mm×125mm規格或156mm×156mm規格﹚切割成均勻的方形硅柱；

（9）切片：用多線切割機將方形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，工藝結束。

4.1.2多晶硅鑄錠爐的結構組成

根據多晶硅片的生產工藝可以得知其核心設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晶，使其形成晶向一致的硅錠，從而達到太陽能電池生產對硅片品質的要求。多晶硅鑄錠爐是多晶硅制造的關鍵設備之一，其工藝流程的穩定性、設備控制的穩定性和先進性直接關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構、送氣及水冷系統、控制系統和安全保護系統組成。多晶硅片質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。

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

（1）抽真空系統

抽真空系統是保持硅錠在真空下進行一系列處理，要求在不同的狀態下，保持爐內真空壓力控制在一定范圍內。這就要求真空系統既有抽真空設備，同時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。抽真空系統由機械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統組成。

（2）加熱系統

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

（3）測溫系統

測溫系統是檢測爐內硅錠在長晶過程中溫度的變化，給硅錠長晶狀況實時分析判斷系統提供數據，以便使長晶狀況實時分析判斷系統隨時調整長晶參數，使這一過程處于良好狀態。

（4）保溫層升降系統

保溫層升降系統機構是保證硅錠在長晶過程中，保持良好的長晶速度，它是通過精密機械升降系統，并配備精確的位置、速度控制系統來實現。保證硅錠晶核形成的優良性，保證光電轉化的高效性。

（5）壓力控制系統

壓力控制系統主要保證爐內硅錠在生長過程中，在一特定時間段內，壓力根據工藝要求保持在一壓力下。它由長晶狀況實時分析判斷系統來控制。

（6）其他輔助系統

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后放在定向凝固塊上，關閉爐膛后抽真空，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晶時釋放的熱量輻射到下爐腔內壁上，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，進行柱狀結晶生長。硅料凝固后，硅錠經過退火、冷卻后出爐即完成整個鑄錠過程。

4.1.3石墨材料在多晶硅鑄錠爐中的應用

多晶硅鑄錠爐中，多個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-高純碳氈隔熱材料，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

在多晶硅鑄錠爐設計上，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，感應加熱和輻射加熱均可以達到所需的溫度。一般多采用輻射加熱方式。它可以對結晶過程的熱量傳遞進行精確控制，易于在坩堝內部形成垂直的溫度梯度。

加熱器的加熱能力必須超過1650℃，同時其材料不能與硅料反應，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、且基本性能穩定等特點。

﹙2﹚ 加熱器中使用的隔熱材料-高純碳氈隔熱材料

對于鑄錠工藝而言，為了提高生產效率，要求設備的升溫速度盡可能快；由于采用真空工藝，要求爐內材料的放氣量應盡可能少，縮短真空排氣的時間；同時硅料中溫度梯度的形成還需要隔熱層的精確提升實現，隔熱層的質量要盡可能輕，以減少升降時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、導熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數小，在眾多的耐火保溫材料中，以高純碳氈最為理想。

由于石墨具有許多優良的性能，因而在冶金、機械、電氣、化工、紡織、國防等工業部 門獲得廣泛應用。作耐火材料

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

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

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

坩堝及有關制品用石墨制造的成型和耐火的坩堝及其有關制品，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亦穩定，高溫下良好的熱震穩定性和優良的傳導性，所以石墨坩堝及其有關制品被廣泛用于直接熔融金屬的工藝中。傳統的石墨粘土坩堝用含碳量大于的鱗片石墨制造，通常石墨鱗片應大于目（-篩），而目前國外在坩堝生產技術中的重要改進是，所用石墨的類型、鱗片大小和質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的粘土石墨坩堝，這是隨著煉鋼工業中恒壓技術的引進而產生的。采用恒壓技術還可以使小鱗片石墨得到應用,在粘土石墨坩堝中，含碳量達的大鱗片石墨約占/，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

石墨和其他雜質材料用于煉鋼工業時可作為增碳劑。滲碳使用的碳質材料的范圍 第一篇石墨生產新工藝新技術

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

石墨在電氣工業中廣泛用來作電極、電刷、碳棒、碳管、水銀整流器的正極、石墨墊

圈、電話零件、電視機顯像管的涂層等等。其中以石墨電極應用最廣，在冶煉各種合金鋼、鐵合金時，使用石墨電極，這時強大的電流通過電極導入電爐的熔煉區，產生電弧，使電能轉化為熱能，溫度升高到左右，從而達到熔煉或反應的目的。此外，在電解金

屬鎂、鋁、鈉時，電解槽的陽極也用石墨電極。生產剛砂的電阻爐也用石墨電極作爐頭導電材料。電氣工業中所使用的石墨，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，品位以上，有害雜質（主要是金屬鐵）要求在以下。電視機顯像管所用的石墨，粒度要求在以下。作耐磨和潤滑材料石墨在機械工業中常作潤滑劑。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速度下（/）不用潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質的設備，廣泛采用石墨材料制成活塞環、密封圈和軸承，它們運轉時，勿需加入潤滑油，石墨乳也是許多金屬加工

（拔絲、拉管）時的良好的潤滑劑。作耐腐蝕材料

石墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導熱性好、滲透率低等特點，而廣泛用于制作熱交換器、反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵等設備。這些設備用于石油化工、濕法冶金、酸堿生產、合成纖維、造紙等工業

部門，可節省大量的金屬材料。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，不經加工或稍作加工就可使用，因而節省了大量金屬。生產硬質合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料制成壓耐燒結用的舟皿。單晶硅的晶體生長坩堝、區域精煉容器、支架、夾具、感應加熱器等，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用于原子能工業和國防工業 第一章石墨生產新工藝新技術概述

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堆中，鈾—石墨反應堆是目前應用較多的一種原子反應堆。作為動力用的原子能反應堆中的減速材料應當具有高熔點、穩定、耐腐蝕的性能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高，雜質含量不應超過幾十個（為百萬分之一），特別是其中硼的含量應小于。在國防工業中還用石墨制造固體燃料火箭的噴嘴，導彈的鼻錐，宇宙航行設備的零件，隔熱材料和防射線材料 作防垢防銹材料

石墨能防止鍋爐結垢，有關單位試驗表明，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

隨著科學技術的不斷發展，人們對石墨也開發了許多新用途。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。這種產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、原子能等工業領域。國際市場需求 量逐年增長。1.石墨在冶金行業的應用

利用石墨材料的導熱性、熱震穩定性、抗浸性、潤滑性等特性，制作如下產品：

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--炭質滑板等。這些材料具有蝕損速率較小，熱震穩定性、耐侵蝕性、熱態強度等高溫性能優良的特點，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，對雜質元素的控制十分有效。

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

石墨提溫劑：煉鋼轉爐加類石墨進行熱補償的技術。類石墨提溫機理是：類石墨加入轉爐內受高溫逸出揮發分；類石墨中的固定碳向碳下飽和的半鋼中熔解；揮發分氧化燃燒；4）殘碳的燃燒；熔解碳在煉鋼氣氛下氧化。

石墨潤滑劑：石墨潤滑劑在鈦合金熔煉中應用。石墨在溫度低于800℃時能有效地作為潤滑劑使用。2.石墨在電器、電子行業的應用

彩管低阻內導電石墨涂料：石墨涂料具有良好的導電性、低廉的價格及操作工藝簡單的特點，用于彩管玻殼內外涂敷。

銀/石墨電觸頭材料：電觸頭是電器開關、儀器儀表中的接觸元件，主要承擔電路接通、斷開及通過負載電流的作用。銀/石墨觸頭材料由于其具有高的抗熔焊性、低的溫升特性和穩定的低電阻等特點而成功地應用在電路斷路器等開關儀器儀表中。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/丙烯酸導電涂料：導電涂料用于抗靜電、電磁屏蔽外，防電磁波干擾。也可作電熱涂料。

石墨導電硅橡膠：導電硅橡膠在現代工業中得到廣闊的應用，如計算器及個人計算機中的像膠接頭，高壓電纜的半導層等。填充炭黑/石墨的導電硅橡膠材料體積電阻率介于101~105Ω·cm，具有優良的機械加工性能，并可根據需要開發出各種產品。

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穩定性，在高溫下機械強度高，雜質含量少，抗振性能好。是熱和電的良好導體。廣泛用于煉鋼電弧爐、精煉爐、生產鐵合金、工業硅、黃磷、剛玉等礦熱爐及其他利用電弧產生高溫的熔煉爐中。）3.石墨在機械設備中的應用

利用石墨的自潤滑性和良好的耐磨性，可制作如下產品：

人造金剛石合成片：廣泛用于磨削加工工具。

石墨型硬質合金耐磨焊條：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：石墨材料具有獨特的自潤滑性和良好的耐磨性而在機械工業領域中的應用更趨廣泛，在機械密封領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、高密、耐磨、自潤滑性能好等優良性能。

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的優良固體潤滑劑。

印染機械用新型復合石墨軸承：采用工程塑料填充石墨研制的新型復合石墨軸承，具有耐磨性好，摩擦系數小，使用壽命長等優點。

新型石墨換熱器：具有很強的耐酸堿、耐溫、耐壓性能，且使用壽命長。

石墨襯里防腐設備：化工生產中，氣體或液體介質對設備的腐蝕是十分常見的，它使設備的金屬結構遭到破壞，出現“跑、冒、滴、漏”現象，造成原料及能源的浪費，還嚴重污染環境，甚至釀成重大事故，可見化工設備的防腐極為重要。4.石墨在化工領域的應用

石墨催化劑：石墨催化有機反應條件溫和，選擇性高，在催化合成領域有廣闊的應用前景。石墨具有層狀結構、良好的熱穩定性和膨脹性質以及允許外來分子嵌入等，使它可作為不同類型的有機反應催化劑，可應用于取代、加成、重排、氧化和還原反應等。

酚醛石墨管：密實無孔，不需再進行浸漬或表面機加工，具有良好的化學穩定性、耐浸漬和較高的機械強度，可廣泛用于石油化工。

石墨制品在水泥回轉窯上的應用：石墨可以作為密封、潤滑材料，被普遍應用在眾多的水泥回轉窯上。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用領域十分寬廣，在核工程的發展中起著助產士的作用，石墨慢化的反應堆才有可能使天然鈾實現自持核裂變*。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*是可以實現。在未來核工程的發展中將展現出巨大的活力。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。

已投稿到： 職場頻道

4.1石墨材料在鑄錠多晶硅制造中的應用 4.1.1鑄錠多晶硅

2007年在全球半導體產業低速增長的情況下，中國的半導體產業持續發展，比2006年增長了20.8%，隨著各國對可再生能源的重視，以及太陽能電池轉換效率不斷提高，產品成本不斷下降，太陽能電池產量快速增長。自2000年以來光伏市場的發展超過了工業歷史上的任何一次飛躍。2007年全球太陽能電池產量達到4000MW，較2006年增長了56%，中國2007年太陽能電池產量達到1088MW，同比增長148%，市場占有率由2006年的17%提升到27%。光伏發電的前景已經被越來越多的國家和金融界認識，多晶硅材料不僅用于半導體集成電路單晶硅的生產，同時還大量用于光伏太陽能電池產業，特別是用多晶硅生產的單晶硅制造的太陽能電池片其轉化效率高﹙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、供應的。一類是通過直拉單晶硅，生產出單晶硅棒，經切割等制成晶圓。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，多晶硅鑄錠是整個光伏產業鏈中的一個非常重要的基礎工序。

利用鑄造技術制備硅多晶體，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、位錯和雜質，但由于省去了高費用的晶體拉制過程，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用。

與直拉單晶硅相比，鑄造多晶硅的主要優勢是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，其缺點是含有晶界、高密度的位錯、微缺陷和相對較高的雜質濃度，其晶體的質量明顯低于單晶硅，從而降低了太陽能電池的光電轉換效率。

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鑄造過程，在這個過程中，熔化的硅被傾倒到一個模子里并且被定型，然后它被切成薄片。因為多晶片是通過模鑄被制作出來的，由于鑄造過程的晶體結構上的不完整，鑄造多晶硅太陽能電池的效率低于單晶硅電池，但是由于生產工藝簡單，所以他們能夠更加便宜的被生產，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，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公司的結晶法、美國晶體系統公司的熱交換法、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，鑄造多晶硅產品走入人們的視線。

自從鑄造多晶硅發明以后，技術不斷改進，質量不斷提高，應用也不斷廣泛。在材料制備方面，平面固液界面技術和氮化硅涂層技術等技術的應用、材料尺寸的不斷加大；在電池方面，SiN減反射層技術、氫鈍化技術、吸雜技術的開發和應用，使得鑄造多晶硅材料的電學性能有了明顯改善，其太陽能電池的光電轉換效率也得到了迅速提高，實驗室中的效率從1976年的12.5%提高到21世紀初的19.8%。近年來更達到20.3%。而在實際生產中的鑄造多晶硅太陽能電池效率也已達到15%-16%左右。

由于鑄造多晶硅的優勢，包括中國在內的世界各主要太陽能生產國都在努力發展其工業規模。自20世紀90年代以來，國際上新建的太陽能電池和材料的生產線大部分是鑄造多晶硅生產線，并且隨著產業規模和技術的提升，更多的鑄造多晶硅材料和電池生產線投入應用。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：中國電子材料行業協會整理﹙2008.10﹚ 多晶硅片的典型生產工藝如下：

（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，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氣體，爐內壓力大致保持在4×104-6×104Pa左右；

（2）加熱：利用均布于四周的石墨加熱器按設定的速率緩慢加熱，去除爐內設施及硅料表面吸附的濕氣等；（3）熔化：增大加熱功率，使爐內溫度達到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料熔化結束后，適當減小加熱功率，工作區溫度降至1430℃左右的硅的熔點，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，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，這時的多晶硅錠會存在一定的

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

（6）冷卻：退火后，加熱器停止加熱，并通入大流量氬氣，使爐內溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升，直至達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：利用剖錠機將多晶硅錠上易吸收雜質的上下表面及周邊切除，按所需硅片尺寸﹙如125mm×125mm規格或156mm×156mm規格﹚切割成均勻的方形硅柱；

（9）切片：用多線切割機將方形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，工藝結束。4.1.2多晶硅鑄錠爐的結構組成

根據多晶硅片的生產工藝可以得知其核心設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晶，使其形成晶向一致的硅錠，從而達到太陽能電池生產對硅片品質的要求。多晶硅鑄錠爐是多晶硅制造的關鍵設備之一，其工藝流程的穩定性、設備控制的穩定性和先進性直接關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構、送氣及水冷系統、控制系統和安全保護系統組成。多晶硅片質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。

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

抽真空系統是保持硅錠在真空下進行一系列處理，要求在不同的狀態下，保持爐內真空壓力控制在一定范圍內。這就要求真空系統既有抽真空設備，同時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。抽真空系統由機械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統組成。（2）加熱系統

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

測溫系統是檢測爐內硅錠在長晶過程中溫度的變化，給硅錠長晶狀況實時分析判斷系統提供數據，以便使長晶狀況實時分析判斷系統隨時調整長晶參數，使這一過程處于良好狀態。（4）保溫層升降系統

保溫層升降系統機構是保證硅錠在長晶過程中，保持良好的長晶速度，它是通過精密機械升降系統，并配備精確的位置、速度控制系統來實現。保證硅錠晶核形成的優良性，保證光電轉化的高效性。（5）壓力控制系統

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

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后放在定向凝固塊上，關閉爐膛后抽真空，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晶時釋放的熱量輻射到下爐腔內壁上，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，進行柱狀結晶生長。硅料凝固后，硅錠經過退火、冷卻后出爐即完成整個鑄錠過程。4.1.3石墨材料在多晶硅鑄錠爐中的應用

多晶硅鑄錠爐中，多個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-高純碳氈隔熱材料，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

在多晶硅鑄錠爐設計上，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，感應加熱和輻射

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

加熱器的加熱能力必須超過1650℃，同時其材料不能與硅料反應，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、且基本性能穩定等特點。﹙2﹚ 加熱器中使用的隔熱材料-高純碳氈隔熱材料

對于鑄錠工藝而言，為了提高生產效率，要求設備的升溫速度盡可能快；由于采用真空工藝，要求爐內材料的放氣量應盡可能少，縮短真空排氣的時間；同時硅料中溫度梯度的形成還需要隔熱層的精確提升實現，隔熱層的質量要盡可能輕，以減少升降時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、導熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數小，在眾多的耐火保溫材料中，以高純碳氈最為理想。

已投稿到： 職場頻道

關于炭和石墨制品的主要用途 1.導電材料 用電弧爐或礦熱電爐冶煉各種合金鋼、鐵合金或生產電石（碳化鈣）、黃磷時，強大的電流通過炭素電極（或連續自焙電極——即電極糊）或石墨化電極導入電爐的熔煉區產生電弧，使電能轉化成熱能，溫度升高到2000℃左右，從而達到冶煉或反應的要求。金屬鎂、鋁、鈉一般用熔鹽電解制取，這時電解槽的陽極導電材料都是采用石墨化電極或連續自焙電極（陽極糊、有時用預焙陽極）。熔鹽點解的溫度一般在1000℃以下。生產燒堿（氫氧化鈉）和氯氣的食鹽溶液電解槽的陽極導電材料，一般都用石墨化電極。生產金剛砂（碳化硅）使用的電阻爐的爐頭導電材料，也是使用石墨化電極。炭和石墨制品作為導電材料廣泛用于電極制造工業作為滑環和電刷，此外還用作干電池中的炭棒，探照燈或產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度及耐腐蝕性，所以很多冶金爐內襯可用炭塊砌筑，如煉鐵爐的爐底、爐缸和爐腹，鐵合金爐和電石爐的內襯，鋁電解槽的底部及側部。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，一般不應在氧化性氣氛中使用。因為，無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 經過用有機樹脂或無機樹脂浸漬過的石墨材料，具有耐腐蝕性好、導熱性好、滲透率低等特點，這種浸漬石墨又稱為不透性石墨。它大量應用于制作各種熱交換器、反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、過濾器、泵等設備，廣泛應用于石油煉制、石油化工、濕法冶金、酸堿生產、合成纖維、造紙等工業部門，可節省大量的不銹鋼等金屬材料。不透性石墨生產已稱為炭素工業的一個重要分支。4.耐磨和潤滑材料 炭和石墨材料除具有化學穩定性高的特性外，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中并在很高的滑動速度下（可達100米/秒）不用潤滑油而工作。因此，許多輸送腐蝕性介質的壓縮機和泵廣泛采用石墨材料制成的活塞環、密封圈和軸承。它們運轉時無需加入潤滑劑。這種耐磨材料是用普通的炭或石墨材料經過有機樹脂或液態金屬材料浸漬而成。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用結構材料 生產單晶硅用的晶體生長坩堝、區域精煉容器、支架、夾具、感應加熱器等，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，因而節省了大量金屬。生產硬質合金（如碳化鎢）等粉末冶金工藝，通常用石墨材料加工壓模、燒結用的舟皿。7.在原子能工業及軍事工業中使用 石墨因為具有良好的中子減速性能，最早用于原子反應堆中作為減速材料。鈾-石墨反應堆是目前較多的一種原子反應堆。原子反應堆用的石墨材料必須具有極高的純度，雜質含

量不應超過幾十個ppm，特別是其中硼元素的含量應在0.5ppm以下。為了降低石墨中的雜質含量，在石墨化過程中通入鹵素凈化氣體。一些經過特殊處理的石墨（如在石墨表面滲入耐高溫的材料）及再結晶石墨、熱解石墨，具有在極高溫度下較好的穩定性及較高的強度重量比。所以，它們可以用于制造固體燃料火箭的噴嘴、導彈的鼻錐、宇宙航行設備的零部件。石墨由于其特殊結構，而具有如下特殊性質： 1）耐高溫性：石墨的熔點為3850±50℃，沸點為4250℃，即使經超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹系數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時，石墨強度提高一倍。2）導電、導熱性：石墨的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導熱系數隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。石墨能夠導電是因為石墨中每個碳原子與其他碳原子只形成3個共價鍵,每個碳原子仍然保留1個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，摩擦系數越小，潤滑性能越好。4）化學穩定性：石墨在常溫下有良好的化學穩定性，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕。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能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產生裂紋。換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。

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

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

由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，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，長期以來在工業生產中成為一種典型的換熱器。

二十世紀20年代出現板式換熱器，并應用于食品工業。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好，因此陸續發展為多種形式。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，用于飛機發動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。

60年代左右，由于空間技術和尖端科學的迅速發展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發展和廣泛應用。此外，自60年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發展熱管的基礎上又創制出熱管式換熱器。

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分

離。

蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進行熱量交換的換熱器，如煉焦爐下方預熱空氣的蓄熱室。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，這類換熱器應用最廣。

間壁式換熱器根據傳熱面的結構不同可分為管式、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計的換熱器，如刮面式換熱器、轉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，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，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當兩種流體都無相變時，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小；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節省設備費，后者可節省操作費，故在設計或生產使用中應盡量采用逆流換熱。

當冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。

在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數是一個重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側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性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設計時應在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協調。為了降低污垢的熱阻，可設法延緩污垢的形成，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換熱器；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。

第三篇：ERP 數據備份和還原

ERP實驗室SBO2005 和SQL SERVER2005的使用

由于機器還原卡的存在，每次開機都要啟動服務，加載自己的數據庫文件。

一、啟動服務。

1． 控制面板——管理工具——服務——sql server(sqlexpress)的屬性

先停止服務，再進行更改——登錄——本地系統帳戶，允許服務與桌面交互。再啟動服務。

2． Sql server management studio express——將Server name的名字改為當前電腦的名稱及其服務器名，以windows authentication 登錄，點連接即可。

二、數據庫的還原

1.將自己上次備份的數據庫文件，拷貝到硬盤上。

2.點擊database右鍵，新建數據庫，名稱與上次備份的數據庫名稱相同，也可以取任意名稱，不與現有的數據庫重名即可。

點擊“OK”，創建數據庫aaaa.3． 還原自己的數據庫。

在彈出如圖所示的界面后，點擊 “Add”，添加自己的數據庫文件。

在option選項中，選中“覆蓋現有數據庫”。點擊“OK”，完成數據庫的恢復工作。

還原后，有可能會找不到許可服務。在license server里把port number重新set 一下即可。

三、打開SBO軟件，更改公司，并刷新數據庫。

1．打開SBO，更改公司。更改服務器，選擇“信任連接”。進入北京海誠電子有限公司，默認的用戶名和密碼皆為空。

2．新建公司時，注意系統日期、軟件日期和過賬日期的一致性。

四、關機前，將數據庫進行備份

1．找到要備份的數據庫，點擊“backup”。

2.點擊 Add,添加自己要備份的路徑和文件名稱。

3．將備份文件拷貝帶走。機器關機后將對C、D硬盤上的東西進行還原。

第四篇：氧化還原反應教學設計

氧化還原反應專題復習教學設計（學業水平考試復習）學習目標： 1.能判斷反應是否為氧化還原反應； 2.能指出氧化還原反應中的氧化劑和還原劑； 3.知道氧化還原反應的本質； 情景一

因為是復習課直接由學生通過做練習發現他們的問題并從本題目中找到氧化還原反應和四大反應類型的關系。【小組討論一】

1.下列反應屬于氧化還原反應的是____________________

A.CaO+H2O＝Ca(OH)2 B.2Na+Cl2＝2NaCl C.2H2O2＝ 2H2O D.CaCO3 ＝CaO+CO2↑ E.Fe+CuSO4＝FeSO4+Cu F.H2+CuO＝ Cu+H2O G.3C+2Fe2O3＝ 4Fe+3CO2↑ H..NaOH+HCl＝NaCl+H2O I..2NaOH+CuSO4==Cu(OH)2↓+Na2SO4

屬于化合反應________________ 屬于分解反應________________

屬于置換反應________________屬于復分解反應________________ 【學生板書結果】 【學生講解】

【學生總結】

【發現的問題】 ：

第一，學生講解時候對于復分解反應和置換反應的概念掌握不夠 第二，部分同學化合價還有問題

第三，用圖表示四大反應類型與氧化還原反應的關系欠缺。一.氧化還原反應的判斷

1氧化還原反應的特征：_________________________ 2.氧化還原反應的本質： _________________________ 3.四種基本反應類型與氧化還原反應的關系

__________________________________________________ 【趁熱打鐵】學業水平考試標準綜合練習二11題

情景二

仍然學習自己用雙線橋法分析并找出氧化劑和還原劑。雖然雙線橋法是個難點但是畢竟是復習課，通過學生思考回顧之后再來講解效果更不同。

【學生活動二】 黑板分析并講解

例1.在Cu+2H2SO4（濃）==CuSO4+SO2↑+2H2O反應中，_______是氧化劑；

_______是還原劑； ______元素被氧化；

_______元素被還原；

_______是氧化產物；

________是還原產物； 電子轉移總數為________。

例2.在2KClO3 ＝ 2KCl + 3O2↑反應中，_______是氧化劑；

_______是還原劑； ______元素被氧化；

_______元素被還原；

_______是氧化產物；

________是還原產物； 電子轉移總數為________。

【通過練習總結】

二.氧化還原反應的相關概念

氧化劑: ____電子,化合價_____,被_____,發生_____反應

還原劑: ____電子,化合價_____,被_____,發生_____反應 【強調】氧化劑和還原劑都只能是________ 【學生板書結果】 【學生講解】

【學生總結】

【發現的問題】第一：得失電子的數目太差了

第二，氧化劑發生的是還原反應還會混亂 第三，兩劑必須在反應物中還得強調 第四，我們做的練習還不夠

情景三

升華到具體到本質物質衛生么具有氧化性或者還原性，從本質上分析，這個較難要先對學生作引導，通過提問一步步得到結論

【引導思考】請標出下列物質中硫元素的化合價并與小組討論哪些物質可以作氧化劑哪些物質可以充當還原劑？ Na2S

S

SO2

H2SO4

【結論】元素處于最高價：該物質只具有________。

元素處于最低價：該物質只具有________。

元素處于中間價：該物質既具有________又具有_______ 【學生講解】

【學生總結】 【趁熱打鐵】

1.在下列反應中，HCl 作氧化劑的是()A．NaOH+HCl＝NaCl+H2O B．Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑ C．MnO2+4HCl(濃)

MnCl2+2H2O+Cl2↑ D．CuO+2HCl=CuCl2+H2O 2.下列反應需要加入氧化劑才能實現的是（）必須加入還原劑才能實現的是（）

A.Cl2→Cl-

B.S2-→H2S

C.Cl-→Cl2

D．MnO4-→MnO42-

情景四【變式題】

【請與同學交流】

Cu+2H2SO4（濃）==CuSO4+SO2↑+2H2O Zn+2H2SO4==ZnSO4 + 2H2↑

比較這個反應中氧化劑的氧化性？由同一種元素體現的嗎？

【結論】__________________________________________________

情景五 當堂檢測(2014年水平測試)16.在下列反應中，硫元素表現出還原性的是

A．稀硫酸與鋅粒反應

B．二氧化硫＝與氧氣反應 C． 濃硫酸與銅反應

D．三氧化硫與水反應

（學業水平考試標準綜合練習一）16.下列反應氯元素被氧化的是（）

A.KClO3＝2KCl+3O2 B.MnO2+4HCl＝MnCl2+2H2O+Cl2

C.2HCl+(CaOH)2＝CaCl2+2H2O D.5Cl2+I2+6H20＝10HCl+2HIO3

下列反應中水分別起什么作用？

A.2Na+2H2O=2NaOH+H2

B.2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑

C.Na2O+H2O=2NaOH

D.3NO2+H2O=2HNO3+NO E.NaH+H2O=NaOH+H2↑

F.2F2+2H2O=4HF+O2

G.Cl2+H2O=HCl+HClO

H.SO2+H2O=H2SO3

【學生小結】 請學生小結本節內容并反思自己學習目標是否達到

【作業布置】 學業水平考試標準上有關本節的題目全部做

第五篇：氧化還原反應教學設計

氧化還原反應教學設計

【教材分析】

氧化還原還原反應是進一步學習化學的基礎，因此是高中化學的重點內容。通過這部分的學習，學生可以根據實驗事實了解氧化還原反應的本質是電子的轉移，能夠舉例說明生產、生活中常見的氧化還原反應。而且刪除了舊教材從化合價變化多少、電子轉移多少去分析和表示氧化還原反應的過細、過繁、過難的內容，大大降低了難度，減輕了學生負擔。學生可以在初中化學的基礎上，進一步去了解氧化還原反應的本質，達到優化知識結構的效果。對氧化還原反應在生活中應用的介紹，起到了培養學科感情的目的，同時，教材還辨證地介紹了氧化還原反應會給人類帶來危害，以引導學生形成辨證看問題的科學思維方式。知識重難點：氧化還原反應的本質

【教學目標】了解氧化還原反應、元素化合價的變化、原子之間的電子轉移三者之間的關系，從本質上認識氧化還原反應；理解、掌握用化合價升降的觀點和電子轉移的觀點分析氧化還原反應；通過對氧化還原反應的學習與研究，感知事物的現象與本質的關系，對立統一的觀點。

【教學重點】用化合價升降和電子轉移的觀點理解氧化還原反應； 【教學難點】用化合價升降和電子轉移的觀點分析氧化還原反應.學生掌握氧化還原反應的概念及其中的對立統一的關系（1）重、難點的解決方法

①復習化合價概念，抓住化合價的變化跟電子得失的關系，通過分析氫氣跟氧化銅的反應，鈉在氯氣中燃燒等例子，從得氧失氧、化合價的升降、電子轉移一環扣一環地由表及里地揭示反應的實質，從而形成氧化還原反應的概念。

②正確理解概念間的相互關系，例如講氧化劑和還原劑時，應著重說明在氧化還原反應中，氧化劑奪得電子而發生還原反應，還原后的生成物叫做還原產物；還原劑失去電子而發生氧化反應，氧化后的生成物叫氧化產物。讓學生認識到氧化劑和還原劑既相互對立，又相互依存，二者缺一不可。

③課堂上要有計劃地留出充分的時間給學生進行練習鞏固，并在此過程中注意培養學生運用概念分析問題和解決問題的能力。

【教學對象分析】授課的班級是普通班，學生對于反應的的綜合應用能力及相關的發散思維能力和邏輯思維能力較為薄弱，應多做練習予以掌握。

【教學方法及媒體設計】根據本節教材的安排特點，引導學生在原有知識基礎上提出問題，深入討論氧化還原反應的概念。通過對氯、溴、碘元素間置換反應的深入分析進一步探討氧化還原反應的微觀本質、宏觀判斷特征，能根據特征判別氧化劑和還原劑。在討論的基礎上對原有知識進行深化和拓寬，重新建構學生完整的知識網絡。運用多媒體進行教學。

【教學過程】

一、創設情境，導入新課

【課件投影】大家所熟悉的物質鐵在工農業生產和日常生活中應用。教師引導：對于下列與鐵有關的問題你知道多少？

1、工業生產中是利用怎樣的反應來煉鐵的？

2、窗戶上的鐵欄桿常刷上油漆，這樣做的目的是什么？

3、一些容易變質食品常采用真空包裝或往包裝袋中裝入一小包鐵粉，這樣做的目的是為什么?

（設計意圖： 從生活中的常見問題出發，創設情景，激發學生學習興趣。）

（簡要實錄： 根據初中學習的金屬有關知識進行回答，對所要學習的知識產生濃厚的興趣。）

二、合作交流 探究本質

（一）整體感知新課

【課件投影】氧化還原反應

[提問]請寫出用一氧化碳還原氧化鐵制取鐵的化學反應式。（設計意圖： 從已知的舊知識引入，減少對新知識的陌生感，為教學創設好的心理基礎。）

（簡要實錄： 學生回顧，在本子上寫出： Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2）【課件投影】正確標出黑板所寫的化學方程式（包括鐵的冶煉）中各物質組成元素的化合價？（巡視并指導學生標出元素的化合價）[提問]針對你們所標的化合價，你們有沒有發現什么問題？

（設計意圖：教師為引導，設置誘思點，引導學生發現新的分類標準。為認識氧化還原特征打下基礎。）（簡要實錄： 學生動腦思，自主發現問題，激起探究興趣。標出各元素化合價。并發現問題：反應中有的元素化合價發生了變化，有的沒有變化。）

（二）問題探究，突破重點、難點

【針對學生回答點評，并指出】化學反應可以分成兩種類型：一種是有元素變價，另一種是沒有元素變價的。對所有化學反應可以從元素的化合價在反應前后是否有改變來進行分類。有元素變價的反應叫做氧化還原反應，而沒有元素變價的反應叫非氧化還原反應。[討論]請同學們嘗試對氧化還原反應和非氧化還原反應下個定義。（設計意圖：課堂還給學生，讓學生積極思考，分小組討論，培養學生自我總結規律。讓學生對氧化還原反應的實質有更深入的認識。）（簡要實錄：學生小組討論，回答問題積極踴躍）

甲：有元素變價的反應叫做氧化還原反應 乙：沒有元素變價的反應叫非氧化還原反應。

（三）總結規律 感悟升華

【課件投影】

1、氧化還原反應是指有元素化合價變化（升降）的化學反應；非氧化還原反應是指有元素化合價變化（升降）的化學反應； [討論]如何判斷一個反應是否屬于氧化還原反應呢？

（設計意圖： 對學生發現的規律進行總結性描述有利于學生形成完整準確的認識。培養學生既要動腦思，又要動口說，還要有合作精神。）

4（簡要實錄： 理解并與自己發現的規律做對比，小組討論，總結出定義，找出判斷標準。判斷一個反應是否為氧化還原反應的依據反應前后是否有元素化合價的改變。）

【課件投影】問題五：通過今天的學習和探究，你收獲到了什么？（設計意圖：充分發揮學生的主體作用，自主聯想，主動歸納。提高學生理論歸納的能力。梳理知識點，指出重點，強調難點，更利于完整知識體系的形成）

（簡要實錄：本題為開放性題目，學生回答的角度不同，但十分精彩。形成了一個學習高潮。

甲：氧化還原反應是指有元素化合價變化（升降）的化學反應。乙：判斷依據：反應前后是否有元素化合價的改變。）

三、遷移應用 拓展深化

【課件投影】請同學們在對本節知識的理解上，完成下列題目。(總設計意圖：“體驗為紅線，思維為主攻”。精選習題，學生“跳一跳就能摘到桃子”聯系舊知識，以誘達思，開拓思維。及時準確的反饋教學情況對下一步教學有指導意義。)

1.下列反應中，屬于氧化還原反應，但不屬于置換反應的是（）A.Fe3O4+4CO==3Fe+4CO2 B.Na2CO3+Ca(OH)2==CaCO3↓+2NaOH C.CaCO3====CaO+CO2↑ D.C+O2====CO2

2.根據下列物質變化中化合價的情況，判斷屬于還原反應的是（）A.CuO → Cu B.NaCl → HCl C.C → CO2 D.FeCl2 → FeCl3 3.下列基本反應類型中，一定是氧化還原反應的是（）A、化合反應 B、分解反應 C、置換反應 D、復分解反應 4．某元素在化學反應中由化合態（化合物）變為游離態（單質），則該元素（）

A．一定被氧化

B．一定被還原 C．可能被氧化，也可能被還原 D．以上都不是

（簡要實錄：學生動手寫過程中，教師可以發現學生的知識基礎的差異，在教學中因材施教。）

【課后反思】本次教學精心設置了誘思點，使學生充分的投入到對知識的分析與探究中，較好的體現了教學以學生為主體，教師為引導的新思想。但是由于學生的觀察分析能力還不是很強，對一些問題的思考不夠深入，在以后的教學中應加強此方面的訓練。