为什么碳/碳复材替代石墨作为热场材料是大势所趋？

热场是用在硅片拉晶过程中的耗材，主要包括位于单晶炉内的坩埚、导流筒、保温筒、加热器等部件。其中坩埚的作用是承载内层的石英坩埚，石英坩埚中放臵熔融硅料；导流筒的作用是引导气流，并阻止外部热量传导至内部，使硅棒生长的速率提升；保温筒的作用是阻止内部热量向外传导，构建热场空间；加热器的作用是提供硅料熔化的热源。

早期单晶炉热场系统材料主要使用高纯、高强等静压石墨材料，但石墨材料已不能适应热场系统向安全、高效、大型化发展的趋势。我国晶硅制造热场材料行业起步较晚，光伏行业发展前期，单晶拉制炉、多晶铸锭炉热场系统部件材料主要采用国外进口的高纯、高强等静压石墨。静压石墨材料存在非常明显的缺点：

1）石墨在反复高温热震下易产生裂纹，容易导致部件破损，造成安全事故；

2）从石墨件中挥发出来的杂质或石墨降解形成的颗粒会污染硅熔体，影响晶体品质；

3）在制备大直径的产品时，传统石墨热场材料成型困难，而且纯度要求高，制备成本高昂，生产环节较多，制备周期长，交货周期也长。

碳/碳复材性价比高、安全性强，适应大尺寸单晶热场制备，替代石墨作为热场材料已成趋势。碳/碳复合材料是由碳纤维及其织物增强碳基体所形成的高性能复合材料，与传统石墨产品比较具有以下突出优点：

1）性价比高，产品使用寿命长，减少更换部件的次数，从而提高设备的利用率，减少维护成本；

2）可以做得更薄，从而可以利用现有设备生产直径更大的单晶产品，节约新设备投资费用；

3）安全性高，在反复高温热震下不易产生裂纹；

4）可设计性强，大型石墨材料成型困难，而先进碳基复合材料可以实现近净成型，在大直径单晶炉热场系统领域具有明显的优势。

碳基复材在晶硅热场应用渗透率不断提升。回顾碳基复材对传统石墨原料制造晶硅热场系统的技术路线替代过程，

2005年之前，晶硅制造热场系统（单晶拉制炉、多晶铸锭炉）部件主要是以等静压石墨等特种石墨为主，生产企业主要是西格里和东洋碳素等碳素巨头；

2005至2010年，碳基复材在晶硅制造热场系统的应用进入探索期，金博股份和西安超码等少数碳基复合材料厂商开始对等静压石墨产品进行进口替代。

2011年，受日本福岛大地震影响，进口特种石墨供应紧张，碳碳热场得到批量应用机会窗口；

2012至2015年，欧美双反政策冲击使得国内企业开始尝试新材料、新工艺以降低生产成本，碳碳热场产品因使用寿命长、可减少部件跟换次数，且具备热导系数低、有利节能增效的特点，顺应行业降本趋势得以快速应用；

2016年后，国内光伏行业快速发展，碳碳热场迎来广阔发展空间，渗透率不断提升。

热场系统大型化以及N型硅片渗透率提升，继续推动碳基复材对石墨材料的替代。由于等静压石墨坩埚强度不足以保证产品安全，结构和性能不可调，因此热场系统大型化趋势下，碳碳复材对石墨材料的替代愈加明显。

从金博股份主要单晶硅制造热场系统尺寸来看，已由2016年初的26英寸以下发展到目前30-36英寸，且金博股份在40、42英寸产品已实现小批量试制、生产和交付，为未来更大尺寸硅片的应用需求做好了技术和产品储备。热场制备过程中需要碳化硅涂层，石墨材料与碳化硅的热膨胀系数不一样，导致其涂层容易脱落，而碳碳复合材料与碳化硅的热膨胀系数接近，因此灰分更低。N型硅片对热场纯度要求更高，P型电池纯度等级为Ⅰ级＜200ppm，N型电池纯度等级为Ⅱ级＜100ppm。随着N型电池渗透率提升，有望继续推动碳基复材对石墨材料的替代。

预制体制备和致密化过程是碳碳复材生产的关键步骤。目前，碳/碳复合材料制备方法因致密化工艺的不同可主要分为化学气相沉积法、液相浸渍法及两种方法的综合使用。化学气相沉积法中，基体碳与纤维结合紧密、结构可调，该法成为制备高性能碳/碳复合材料的首选方法。

碳碳复材生产流程主要包括预制体的制备、化学气相增密、石墨化和机加工。预制体的制备主要将碳纤维通过织布、成网、复合、烘干等工艺制备成预制体。化学气相沉积则是在CVD炉中进行化学气相沉积，在氮气的保护下，通入天然气，加热温度为300~500℃，气体热解并在碳纤维上沉积碳，填充多孔预制体的空隙，从而得到高密度的先进碳基复合材料。石墨化处理需使用高温热处理对原子重排及结构转变提供能量，使得产品性能达到使用要求。机加工处理则是把半成品加工成符合尺寸要求的产品。

来源：中泰证券；全球光伏整理