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《从隆基的发展看光伏行业对等静压石墨的需求》一文,提到单晶厂商对等静压石墨设备的要求,具体如下:

等静压石墨哪种性能指标是单晶光伏重点关注的?

光伏拉晶热场

对于上述表格中性能参数的规定,我们将结合基本材料知识以及光伏拉晶热场知识,科普性的说明单晶厂商为何很关注“抗折强度”这个指标。

众所周知,等静压石墨是一种脆性材料。脆性材料在外力作用下仅产生很小的变形即破坏断裂,抗动荷载或冲击能力较差。等静压石墨材料还有很多其他的特性参数,比如电阻率、热膨胀系数、热导率等,也是设计石墨热场需考虑的重要参数。但因装在石墨场中的各部位用途不尽相同,在此先不讨论这些性能指标。

在讨论等静压石墨之前,需要先了解一下脆性材料的受力情况。在外力作用下,材料抵抗变形和断裂的能力成为强度。常见的作用力有拉、压、弯(折)与扭四种。对于脆性材料,在拉力作用下,将出现截面断裂;在压力的作用下,最终将脆裂;在曲(折)作用下,如下图所示:

等静压石墨哪种性能指标是单晶光伏重点关注的?

▲图1 试样折弯示意图

在上图中,作用在试样上面的力为压应力,作用在下部的力为拉应力,因脆性材料的抗压强度远大于抗拉强度,试样下部将出现裂纹直至断裂。如上提到的,等静压石墨的机械强度也有抗压、抗折和抗拉3种指标,但主要测定抗折强度。抗折强度,是反映使用时与折断有关的性能指标,数值越大则强度高,实际中更加结实耐用。

另外,我们还需要考虑石墨件的工作环境和状态。

从安装在单晶热场中的石墨件,其工作温度并不均匀,并且内场存在近真空状态、保护气体快速流动、快速升温与降温等情况。另外,单晶硅在熔融期间,会挥发出一些杂志气体、硅蒸汽、二氧化硅蒸汽;其中的部分氧化性物质在高温下,不断的与腐蚀石墨件的外部。

等静压石墨哪种性能指标是单晶光伏重点关注的?

▲图2 单晶热场分布图

等静压石墨哪种性能指标是单晶光伏重点关注的?

▲图3 热场内气体流动路径示意图

在单晶热场中,这些石墨件会受到不均匀应力的作用,比如热应力、气体的动态冲击力等。这会使得不均匀应力在微裂纹的端部集中,随着时间的推移,材料定会出现裂纹等老化现象。另外,石墨器件在高温环境中,还会受到挥发性气体的腐蚀,比如挥发的硅、二氧化硅等气体。如果在腐蚀环境会使裂纹逐渐增大,直至出现贯穿性的裂纹。

另外,石墨器件在使用过程中,还可能受到人为操作不当的影响,出现裂纹、打火等现象:

  • 发生过磕碰;
  • 电极由于打火起弧,瞬间高温、高压引起裂纹;
  • 升温、降温时热应力引起裂纹;
  • 炉内出现的异常现象。

据材料学的观点,等静压石墨的抗折强度主要取决于化学键强度和原材料结构。更细、更均匀的微粒堆积而成的密度更大石墨产品其抗折性能更强,也会降低堆积结构中存在的存在缺陷和表面裂纹降低。换句话来说,为降低使用中折断的概率、降低生产成本,单晶光伏厂家必然会对抗压强度做出高的指标要求。