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我國對碳/碳復合材料的研究開發(fā)工作開始于20世紀70年代末，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了豐碩的成果，先進性直追發(fā)達國家。

本文主要介紹碳/碳復合材料在光伏領(lǐng)域應用的發(fā)展史、相比于石墨產(chǎn)品的優(yōu)勢、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、主要的技術(shù)難點以及未來的發(fā)展趨勢。
太陽能電池板

關(guān)于碳/碳復合材料

碳/碳復合材料是以碳纖維為增強相的碳基復合材料，是目前極少數(shù)可以在2000 ℃以上保持較高力學性能的材料，它具有低比重、高比強、高比模、低熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊以及耐燒蝕等優(yōu)異性能，是新材料領(lǐng)域重點研究和開發(fā)的一類戰(zhàn)略性高技術(shù)材料。

碳/碳復合材料在光伏領(lǐng)域應用的發(fā)展史

碳/碳復合材料在光伏領(lǐng)域應用和發(fā)展主要分三個階段：

（1）第一階段：技術(shù)探索與產(chǎn)品驗證

2005年至2010年，碳/碳復合材料在晶硅制造熱場系統(tǒng)領(lǐng)域的應用進入探索期，以金博股份和西安超碼為代表的國內(nèi)少數(shù)碳/碳復合材料廠商嘗試用碳/碳復合材料產(chǎn)品對等靜壓石墨產(chǎn)品進行替代，產(chǎn)品開始得到驗證。
光伏領(lǐng)域碳/碳復合材料產(chǎn)品


（2）第二階段：技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化

2011年至2015年，歐美雙反政策對中國光伏產(chǎn)業(yè)造成極大的沖擊，光伏行業(yè)降低成本的緊迫需求使得國內(nèi)企業(yè)率先思變，開始大膽嘗試新材料、新工藝。在這個階段，碳/碳復合材料為光伏行業(yè)客戶單晶拉制爐增大投料量、提高拉速、降低能耗等工藝提供了新型熱場設(shè)計與材料保障，推動了光伏行業(yè)的降本增效、技術(shù)進步與復蘇發(fā)展。

（3）第三階段：批量替代及市場主導

2016年至今，隨著下游晶硅制造行業(yè)向大尺寸、高拉速和高品質(zhì)方向的發(fā)展，碳/碳復合材料的高安全性、高純度和可設(shè)計等方面的技術(shù)優(yōu)勢越來越明顯，碳/碳復合材料已經(jīng)成為市場需求主導。目前，碳/碳復合材料的發(fā)展正處于第三階段。

相比于石墨產(chǎn)品的優(yōu)勢

碳/碳復合材料具有質(zhì)量輕、損傷容限高、強度高等突出優(yōu)點，用作熱場產(chǎn)品與石墨產(chǎn)品比較，具有以下突出優(yōu)點：

1、碳/碳復合材料用作單(多)晶爐熱場產(chǎn)品，大幅度延長產(chǎn)品的使用壽命。碳/碳熱場產(chǎn)品經(jīng)測試可使用90爐次以上，而石墨熱場則只有10-30爐次，使用碳/碳熱場減少了更換部件的次數(shù)，從而提高設(shè)備的利用率，減少了維修成本。

2、用做拉單晶硅的坩堝時，由于石英坩堝對石墨坩堝產(chǎn)生較大的膨脹應力作用，石墨坩堝需要做成三瓣，或在坩堝上開熱膨脹槽；而使用碳/碳復合材料的加熱爐內(nèi)產(chǎn)品由于不用開熱膨脹槽，可以做成一個整體，并且在石英坩堝內(nèi)可以獲得更均勻的熱場，提高了成品率，而且可以避免漏硅事故造成的損失。據(jù)統(tǒng)計，一次漏硅事故造成的設(shè)備材料方面的損失超過10萬元。

3、碳/碳復合材料用作單晶硅爐熱場產(chǎn)品時，現(xiàn)有設(shè)備具有固定的工作容積，而由于碳/碳復合材料具有優(yōu)異的性能，與石墨產(chǎn)品相比，可以做的更薄，從而可以利用現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)尺寸更長、直徑更大的產(chǎn)品，可節(jié)約大量新設(shè)備投資的費用。

4、在拉制大直徑的產(chǎn)品時，石墨熱場產(chǎn)品成型困難，如果要制造超大直徑的石墨熱場零件，其制造成本、加工成本都很高，而由于碳/碳復合材料具有優(yōu)異的性能，目前在拉制大直徑的產(chǎn)品時，較多地采用了碳/碳復合材料熱場產(chǎn)品。

5、石墨熱場產(chǎn)品在反復高溫條件下易產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的存在改變了其熱傳導性能，在加熱時石墨加熱器的功率與硅溶體的溫度場發(fā)生變化，將影響拉晶的效率和拉出的品質(zhì)，而使用碳/碳復合材料熱場產(chǎn)品則可以克服這個缺點。

6、碳/碳復合材料用作單(多)晶爐熱場產(chǎn)品時，導熱系數(shù)比石墨熱場產(chǎn)品低很多，用做隔熱保溫材料隔熱保溫效果好，可以節(jié)約大量的電能，節(jié)省大量的電費開支，有效的降低單晶硅生產(chǎn)成本，隨著全球能源供應的緊張，單晶硅生產(chǎn)作為高耗能行業(yè)，能源消耗的降低具有較大的經(jīng)濟和社會意義。

碳/碳復合材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

（1）下游行業(yè)規(guī)模快速增長，對碳/碳復合材料的需求旺盛

根據(jù)“碳達峰”的目標，《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》（2020年版）預計“十四五”期間我國光伏年均新增光伏裝機量將在70-90GW之間。隨著光伏行業(yè)的迅速發(fā)展，碳/碳復合材料正快速形成在晶硅制造熱場系統(tǒng)中對石墨材料部件的進口替代與升級換代。

（2）政策推動行業(yè)持續(xù)、快速發(fā)展

碳/碳復合材料行業(yè)是國家重點扶持、優(yōu)先發(fā)展的行業(yè)之一。政府主管部門先后出臺了一系列政策對行業(yè)的發(fā)展予以支持，要求積極開發(fā)新型超大規(guī)格、特殊結(jié)構(gòu)材料的一體化制備工藝，推進高性能復合材料生產(chǎn)制備低成本化、產(chǎn)品品種多樣化和裝備設(shè)計自主化。

主要技術(shù)難點

碳/碳復合材料產(chǎn)品生產(chǎn)工藝都相對復雜，技術(shù)難度高，行業(yè)的門檻較高，特別是在熱場系統(tǒng)，大直徑、形狀復雜部件的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計與高性能、低成本的碳/碳復合材料產(chǎn)品制造整體技術(shù)具有較高的技術(shù)門檻。未來，隨著光伏、半導體行業(yè)的快速發(fā)展，帶動單晶硅生長爐熱場系統(tǒng)的技術(shù)快速升級，將對熱場部件的大直徑、高純度、長壽命等關(guān)鍵性能提出更高的要求，需要高性能、低成本，綜合性能更加優(yōu)異的碳/碳復合材料熱場產(chǎn)品。

行業(yè)未來發(fā)展趨勢

（1）碳/碳復合材料產(chǎn)品向高純度、大尺寸方向發(fā)展

在光伏行業(yè)及半導體行業(yè)，由于技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品的快速迭代，硅片向高純度、大尺寸發(fā)展是其基本的趨勢，因此，高溫熱場系統(tǒng)應用中，碳/碳復合材料產(chǎn)品向高純度、大尺寸的方向發(fā)展也是必然的趨勢。

（2）光伏行業(yè)周期性減弱，政策驅(qū)動逐步轉(zhuǎn)向經(jīng)濟性驅(qū)動

面對著“2030年碳達峰”和“2060年碳中和”的能源發(fā)展目標，加速發(fā)展光伏等零碳能源，替代煤電等化石能源是碳中和的必由之路，光伏將在“十四五”期間迎來一個加速發(fā)展階段，“十四五”能源規(guī)劃中的光伏裝機目標必然較“十三五”大幅提升，未來五年新增總裝機量在350GW到450GW之間。

隨著平價上網(wǎng)的全面開展，光伏行業(yè)擺脫了政策補貼依賴，周期性減弱，由政策驅(qū)動逐步轉(zhuǎn)向經(jīng)濟性驅(qū)動。隨著光伏行業(yè)的需求逐步釋放，碳/碳復合材料產(chǎn)品面臨廣闊的市場空間。

內(nèi)容參考：金博股份2020年年度報告、九華碳素官網(wǎng)

為了更好的推動碳/碳復合材料行業(yè)發(fā)展，DT新材料聯(lián)合中南大學炭/炭復合材料研究所、西北工業(yè)大學碳/碳復合材料研究所、陜西省碳/碳復合材料工程技術(shù)研究中心，于11月18-20日在上海舉辦Carbontech碳/碳復合材料行業(yè)技術(shù)研討會。

來源：騰訊網(wǎng)