耐高温碳毡用于热处理炉与单晶硅冶炼炉

2025-09-08

碳毡是一种由无序交织的碳纤维构成的柔软、多孔、毡状的纯碳质材料。它是通过纤维堆叠和针刺工艺制成，并经过高温热解处理，使其主要元素由碳构成。它本质上是碳纤维的集合体，而非一整块碳，这赋予了它独特的综合性能：既具备碳材料的高温耐受性和化学稳定性，又具备纤维材料的柔韧性和多孔材料的优异隔热性。

在工业领域，碳毡常与石墨毡 (Graphite Felt) 进行区分。二者的主要区别在于热处理温度：

碳毡：通常在1000°C ~ 1500°C的温度下进行碳化处理，其碳原子呈乱层结构，微观上属于非石墨化碳。

石墨毡：是在碳毡的基础上，于2200°C ~ 3000°C的高温下进行石墨化处理得到的。该过程使乱层结构转变为有序的三维石墨晶体结构。

因此，石墨毡具有更高的石墨化度、更好的导热/导电性、更高的纯度和更强的刚性，但成本也更高。碳毡则更侧重于优异的隔热性和经济性。

碳毡的特性

1.耐高温性

惰性气氛下：在真空或惰性气体保护下（如氩气），碳毡可承受高达3000°C的温度而不会熔化（碳的升华点约3600°C），是已知最耐高温的材料之一。

抗氧化性差：在空气中，当温度超过400°C时，碳会开始氧化燃烧。因此，在实际高温应用中，必须配合真空或惰性气氛使用，或在其表面涂覆抗氧化涂层。

2.优异的热绝缘性（低热导率）

碳毡由大量杂乱无章的碳纤维构成，纤维之间存在大量孔隙。这些孔隙有效地阻断了热量的传导和对流，使其成为性能极佳的高温隔热材料。它的隔热性能远优于传统的陶瓷纤维。

3.低热容量和热惯性

碳毡本身重量很轻，密度低（约0.1-0.2 g/cm³），因此热容量很小。这意味着它吸收和存储的热量很少，升温速度和降温速度都非常快，有利于节能和提高工业炉的控温效率。

4.良好的化学稳定性

除了在高温下会被强氧化剂（如氧气）侵蚀外，碳毡对大多数酸、碱、盐溶液和有机溶剂都具有出色的耐腐蚀性。它在高温下也不与大多数熔融金属发生反应。

5.柔韧性与可加工性

与传统坚硬的石墨硬毡或石墨板不同，碳毡质地柔软，易于切割、弯曲、包裹成各种复杂的形状，安装非常方便。

6.导电性

碳是良导体，因此碳毡也具有导电性。这一特性使其可以被直接用作发热体（通电后利用其电阻产生高温），这是许多真空炉设计的核心。

碳毡的应用

1.高温真空炉/气氛炉的核心材料

隔热屏/保温层：在真空烧结炉、钎焊炉、碳化炉、热处理炉中，用碳毡制作成隔热罩，将高温区与炉壁隔离，极大地减少热量损失，提高能效。

发热体：将碳毡加工成特定的形状（如简状、板状），直接通入低压大电流，其自身电阻会产生高温，作为炉子的加热源。

2.晶体生长领域

在单晶硅（光伏和半导体基础材料）和蓝宝石（LED衬底）的长晶工艺中，需要使用直拉单晶炉（CZ Furnace）。碳毡作为热场系统的关键组成部分（隔热笼、加热器、埚托等），为晶体生长提供均匀、稳定且纯净的高温环境。

3.航空航天领域

用于火箭发动机喷管和头锥的隔热层，抵御高温燃气流。

用于高超音速飞行器的热防护系统（TPS），作为防热大底的材料之一，抵御再入大气层时产生的极端气动加热。

4.新能源与储能领域

燃料电池：用作气体扩散层（GDL），起到传导电子、扩散反应气体、排出反应产物水并支撑催化剂层的作用。

液流电池：作为电极材料，利用其巨大的比表面积和优良的导电性进行电化学反应。

5.其他工业应用

铝工业：用于熔融铝液的过滤，去除杂质。

烧结托盘：用于粉末冶金行业，承托零件进行高温烧结，自身不与零件反应。

高纯石墨制备：碳毡本身是软毡，经过高温石墨化处理后，可以转变为结构更致密、性能更优的石墨硬毡。

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