0 引言
单晶炉是一种在惰性气体环境下采用直拉法生产单晶的设备，在拉晶过程中，热场的稳定性是决定拉晶质量最重要的因素之一。而作为单晶炉的唯一热源，加热器是热场中最重要的部分。对于单晶炉发热体而言，重要的因素有5点。
（1）合适的高温电阻率。电阻率需要与电源参数相匹配。电阻率过大，电流、电压增加，功率不断增大，会超过额定电压。电阻率过小，发热会减小，影响炉内的温度。目前，主流的石墨高温电阻率一般为6～20μΩ·m。
（2）稳定的电阻温度系数。稳定的电阻温度系数可降低设计人员对电源和升温程序的设计难度，提高加热时的效率。
（3）高导热性系数。影响发热体寿命的原因之一是发热体内部温度释放不够及时，造成内外温差过大，进而产生热应力。
（4）优异的力学性能。发热体主要承受抗弯强度和抗压强度。
（5）抗腐蚀性好。单晶炉内腐蚀主要是硅元素腐蚀。
根据发热体的性能需求，本实验通过比较碳/碳材料与传统石墨发热体材料，研究碳/碳作为发热体时与石墨的优劣势。
1 实验方法
1.1原料制备
坯体采用碳布与网胎复合针刺，其中，碳纤维丝为T700聚丙烯氰碳纤维长丝，体积密度为0.45±0.02g/cm3。化学气相沉积的原料采用天然气和氮气，浸渍剂采用中间相沥青。化学气相沉积密度分为0.7g/cm3、1.0g/cm32组，通过沥青浸渍和碳化多轮、石墨化后最终成品密度分为1.6g/cm3、1.7g/cm3、1.8g/cm33组，石墨化温度为2400。C、2800。C2组。石墨采用1.8g/cm3细颗粒石墨。
1.2测量方式
（1）电阻率测量参照GB/T24525—2009（炭素材料电阻率测定方法）。
（2）导热数测量参照GB/T8722—2019（炭素材料导热系数测定方法）。
（3）石墨化度通过PANalytical衍射仪进行检测。
（4）抗压强度测量参照JB/T8133.8—1999（电炭制品物理化学性能试验方法抗压强度）。
（5）抗弯强度测量参照GB/T40398.2—2021（炭-炭复合炭素材料试验方法第2部分：弯曲性能试验）。
（6）腐蚀性能实验样块放置于单晶炉内硅蒸汽环境下，随炉6个月后在电镜下观测。
2 实验结果
按照实验因素，将样块共分为13块。其中，12块为碳/碳复合材料，1块为密度1.8g/cm3、细颗粒石墨发热体材料，检测数据如表1所列。
2.1电阻率和电阻温度系数
由表1可知，影响碳/碳的电阻率最重要的是成品密度。随着成品密度增加，电阻率减小，这是因为碳/碳密度越高，分子间结构越紧凑，电子在材料内部阻碍越小，传导能力越强。电阻温度系数主要受密度和石墨化温度的影响，密度越高，材料内部微孔越少，电子在运动过程中阻碍越小，产品热处理温度越高，产品内部结构越稳定。
图1为2800。C石墨化处理下3种密度的碳/碳和石墨电阻率随温度变化图。由图1可知：（1）在1500。C温度下，碳/碳电阻率随温度升高而逐渐降低，这是因为碳/碳在高温下，材料的电子动能增大，更容易形成自由电子，产生更多的电子-空穴对参与导电；（2）当碳/碳密度大于1.7g/cm3时，碳/碳电阻率曲线基本与常规石墨发热体相似。
2.2导热系数
由表1可知，导热系数的影响因素主要包括气相沉积密度、成品密度、石墨化温度。
密度1.7g/cm3样品石墨化度测量记录表如表2所列。由表2可知，气相沉积密度越高，石墨化度越低，这是因为沥青碳为软碳，比气相沉积碳更容易石墨化。石墨化程度越高，材料导热系数越高。高温下，碳/碳分子发生膨胀，分子间间距缩小、微晶尺寸增加，声子平均速度加快，造成自由电子数增大，导致材质导热系数变大。
对比石墨导热系数，碳/碳导热系数远小于石墨导热系数，这是因为碳/碳为以纤维为骨架，其增密过程中，依赖于材料内部通孔进行渗碳，因此，材料内部始终存在空洞、错位、夹杂等现象，热传递过程始终受阻。而石墨与之相比，具有更紧实的结构、更好的导热系数。
发热体发生破坏最主要的原因是因为硅气的腐蚀和热应力的破坏。因为碳/碳力学性能优于石墨，为更好地释放发热体内部的热应力，可适当减小壁厚，降低产品内部内外温度差，及时释放热应力。
2.3力学性能
由表1可知，碳/碳抗弯强度为石墨的3～5倍，抗压强度为石墨的1.4～2倍。在设计过程中，因为力学性能是决定发热体壁厚的重要尺寸之一，力学性能越好，壁厚可适当减薄，以降低产品内部热应力和减轻产品质量。
为实现碳/碳更稳定的电阻温度系数、更高的热导率、更低多灰分，需进行高温石墨化，但是高温石墨化会损坏碳纤维的强度，同时，高温下因为分子的膨胀，原本紧密贴合的碳原子会在热应力下产生松动，导致碳/碳力学性能降低。
2.4腐蚀性
在高密度下，碳/碳气孔率一般为12%～15%，石墨一般为20%～25%。与石墨相比，碳/碳气孔率更低，有利于抵抗硅蒸汽内部的腐蚀。同时，因为有纤维布阻挡，其垂直于纤维布方向的硅气扩散效率更低。由图2可知，石墨壁厚方向硅气腐蚀更大，且多为贯穿腐蚀。碳/碳壁厚方向硅气腐蚀较小，腐蚀深度更浅。
3 结语
（1）碳/碳电阻主要受密度影响，当密度大于1.7g/cm3时，其高温电阻率和电阻温度系数与传统石墨相似。
（2）产品密度越高，石墨化度越高，碳/碳电阻温度系数越高。
（3）碳/碳抗弯强度是石墨的3～5倍，抗压强度为石墨的1.4～2倍。碳/碳力学性能优于石墨。
（4）碳/碳耐腐硅气腐蚀优于石墨，有利于延长其寿命。
（5）与石墨相比，高密度碳/碳的高温电阻率、电阻温度系数相似，其优点主要在于力学性能上和耐腐蚀性上优于石墨，缺点在于导热系数差，部件内外温度相差大，容易破坏热应力。因此，对于碳/碳发热体能否在单晶硅炉上使用，最重要的是如何降低成本、提高导热系数。
