炭炭复合材料单晶生长热场系统.docx

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炭炭复合材料单晶生长热场系统

炭/炭复合材料单晶生长热场系统

产业化项目

可行性研究报告

长沙经济技术开发区xxx新材料有限公司

二OO四年六月

第一章总论……………………………………………………4

一、项目背景……………………………………………………4

二、项目概况……………………………………………………6

第二章市场预测……………………………………………………9

一、产品市场供应预测…………………………………………8

二、目标市场分析……………………………………………10

第三章建设规模与产品方案………………………………………13

一、建设规模…………………………………………………13

二、产品方案……………………………………………………13

第四章场址选择……………………………………………………16

一、场址所在位置现状…………………………………………16

二、场址建设条件………………………………………………16

第五章技术设备方案………………………………………………19

一、技术方案……………………………………………………19

二、设备方案……………………………………………………19

第六章主要原辅材料供应………………………………………21

一、主要原料供应………………………………………………21

二、主要辅料供应………………………………………………21

三、主要原料、辅料价格………………………………………21

第七章总图运输与公用辅助工程…………………………………22

一、总图布置…………………………………………………22

二、场内外运输………………………………………………22

三、公用辅助工程…………………………………………23

第八章节能节水措施…………………………………………26

一、概述…………………………………………………………26

二、节能节水措施………………………………………………26

第九章环境影响评价…………………………………………27

一、项目建设和生产对环境的影响……………………………27

二、环境保护措施………………………………………………27

三、环境保护评价………………………………………………28

第一十章劳动安全卫生与消防………………………………………29

一、劳动安全……………………………………………………29

二、生产事故及防范……………………………………………30

三、职业危害及防护……………………………………………30

四、消防设施……………………………………………………31

第十一章组织机构与人力资源配置……………………………33

一、组织机构……………………………………………………33

二、人力资源配置………………………………………………34

第十二章项目实施进度…………………………………………35

一、项目建设工期………………………………………………35

二、项目实施计划………………………………………………35

三、项目施工进度图……………………………………………35

第十三章投资估算…………………………………………………36

一、投资估算依据………………………………………………36

二、估算范围……………………………………………………36

三、项目建设投资………………………………………………37

四、资金筹措……………………………………………………38

第十四章财务评价………………………………………………39

一、评价依据、范围及指标……………………………………39

二、经济评价……………………………………………………40

三、财务评价……………………………………………………42

第十五章研究结论与建议…………………………………………43

第一章总论

一、项目背景

炭/炭复合材料单晶生长热场系统产业化项目，由长沙经济技术开发区xxx新材料有限公司负责实施。

项目建设规模为：

炭/炭复合材料20，000公斤/年，碳/石墨材料400吨/年。

项目建设选址国家级重点经济开发区——国家级长沙经济技术开发区。

本项目属于国家级长沙经济技术开发区鼓励大力发展的六大产业之一，项目性质是高科技新材料产业项目。

1．项目名称

炭/炭复合材料单晶生长热场系统产业化项目

2．承办单位慨况

长沙经济技术开发区xxx新材料有限公司属股份制企业，由湖南省星沙实业（集团）发展有限公司、蒋建纯教授共同出资成立。

其中，蒋建纯教授以其拥有的居国际先进水平的专利技术作技术出资。

生产基地位于长沙市经济技术开发区内，占地30亩，花园式工业区，是星沙实业集团下属单位。

主要从事新材料的开发及生产。

蒋建纯女士系中南大学粉末冶金学院教授、博士生导师，蒋建纯教授领导的科研队伍在该领域居于国际领先地位。

新材料公司以蒋建纯教授拥有的专利知识产权技术和雄厚的研发实力为依托，通过整合人才、技术与市场优势，构筑新材料基地。

新材料公司计划投资6000万元，建设年产20，000公斤C/C复合材料、C/石墨材料400吨的生产线，实现年工业产值1.9亿元以上。

并且新材料公司计划以此为产业基础，通过3年的时间，使公司的产品能够覆盖国内大部分或全部的硅单晶生长炉的热场系统，逐步进入国外硅单晶炉热场系统市场；努力开发新产品，扩大该新材料的应有领域，使其应有到其他的晶体生长设备及相关的高技术领域。

3．项目提出的理由与过程

当今世界新材料的发展日新月异，特别是电子、通讯等相关领域发展迅猛，对硅材料需求十分旺盛。

数十年以来，硅材料行业一直以“提高硅单晶的尺寸和质量”为主要目标，先后生产了4、5、6、8、12、16、18英寸硅片。

据最新的《国家半导体技术（ITRS）》介绍，直径18英寸硅单晶抛光片是12英寸的下一代产品，也是未来22nm线宽的64G集成电路的衬底材料。

集成电路产业是信息产业的核心，全世界以集成电路为核心的电子元器件，95%以上是硅材料制成的，其中直拉硅单晶的用量超过85%。

随着超大规模集成电路集成度的迅速提高，迫切要求采用大直径的直拉硅单晶抛光片。

超纯及完整晶体结构的硅晶体是一条长长的价值链的起点。

没有硅晶体就没有半导体、光电子、通讯技术及光电技术。

硅晶体棒用于制作晶圆，晶圆是半导体工业中制作芯片的基础材料。

硅材料的另一个大的需求来自太阳能。

从长远看，世界上一半以上的能源生产要采用可再生能源。

可再生资源主要有风、水、太阳能。

太阳能直接转换成电能（光电效应）靠太阳能电池完成。

电池的原材料是带特定晶体结构的硅。

专家预测：

在今后的十年，结晶硅将在太阳能电池的生产中成为在、最主要的材料。

硅片工业目前在生产与市场方面已经形成了垄断，日本、德国等国的资本控制的八大硅片公司的销量占硅片总销量的90%，当前IC用主流硅片是8英寸，并向12英寸过渡。

市场调研预测，到2006年，12英寸的硅片的比例将由目前的1.3%增加到21.1%。

在IC和太阳能发电等领域对硅单晶的巨大需求和消费，对其生产能力对生产技术提出了更高的要求。

其中生产高纯半导体材料的高温电热真空炉——硅单晶生长炉正在向大型化、自动化的方向发展。

硅单晶生长炉隔热保温筒、坩埚、发热体等热场系统元件采用高纯石墨、超高纯石墨材料制造，产品要求材料的金属杂质含量要求不超过5~30ppm。

同时硅单晶生长炉最主要的易损件的消耗量特别大。

根据权威部门统计，一台小型晶体生长炉（如12英寸）每年消耗的石墨坩埚、加热器、保温隔热材料的价值，达到20万元以上；一台大型晶体生长炉的热场系统备件损耗，可达50万元以上。

由于生产大型高纯石墨、超高纯石墨材料工艺控制难，需要大型的等静压设备等，其投资极大。

因此，高纯石墨尺寸受到限制，经常不能满足制造较大硅单晶生长炉的热场零件的要求；另外，石墨脆性大，机械强度不高，使用可靠性不强，使用寿命短。

本项目提出的炭/炭复合材料单晶生长热场系统零件的材料及热场解决方案，经过实践验证，对解决以上问题起到了很好的效果。

实施本案对发展大型硅单晶生长设备，制造大尺寸的晶体，提升我国微电子技术水平具有极为重大的意义。

4．可行性研究报告编制依据

（1）《投资项目可行性研究指南》（中国电力出版社）；

（2）项目建议书及批复文件（批准文号）；

（3）合资双方签定的合资意向书及有关会议纪要；

（4）业主提供的有关资料；

（5）国家、湖南省、长沙市国民经济和社会发展第十个五年计划；

（6）长沙经济技术开发区产业发展规划；

（7）国家计委、建设部颁布的《建设工程项目经济评价方法与参数》；

（8）其他文件、协议等。

二、项目概况

1.拟建地点

本项目拟建于国家级长沙经济技术开发区内。

国家级长沙经济技术开发区创建于1992年8月，2000年2月经国务院批准为国家级经济技术开发区。

建区9年多来，开发区坚持“以工业项目为主、吸引外资为主、出口为主和致力于发展高新技术”的方针，强调以产业发展为中心，走产业兴区之路，通过卓有成效的招商引资工作，目前入区工业企业106家，其中三资企业40家，内资企业66家，入区企业基本上实现了由单个到群体的转变，区内产业也正由零散向集成转变。

到目前为止，区内共完成基本建设投资120亿元，移动土石方近亿立方米，完成13亿元人民币的基础设施投资任务，各项建设工作都取得了十分显著的成绩。

目前，区内主次干道已拉通28条，总长60公里；6座大型跨线桥已经竣工通车；已经完成12.84公里，架设铁塔33座的三回超高压线路的改道工程，2个110千伏的变电站已经投入使用，目前区内日供电能力已经达到240万千瓦时；2座日供水10万吨的自来水厂已经投入运行；日处理能力8万吨的污水净化中心已经正式营业；装机容量为10万门的程控大楼，现已开通20000门程控电话和高速宽带通讯网，实现了与156个国家和地区通信联网；投资1400多万元的电视发射塔已经正式投入使用。

目前，长沙经济技术开发区已经形成了以三一重工、光南摩托为主体的先进制造工业，以LG曙光、长海视听、中芯数码为主体的电子信息产业，以华天铝业、长沙力元、瑞翔为主体的新材料产业，以中粮、可口可乐、长沙娃哈哈、荷兰泰松、喜瑞来速冻系列为主体的食品饮料产业，以金沙利彩印、金和包装、星沙包装为主体的轻印产业等五大产业格局。

2003年年底，区内累计完成总产值250亿元。

长沙经济技术开发区位于长沙市星沙镇，地理位置优越，交通十分便利。

开发区以西5公里毗邻京广复线铁路大动脉，开发区南面5公里是上海至瑞丽的上瑞高速；北京至深圳107国道，成都至厦门319国道和京珠高速公路穿区而过，构成南北东西交通优势。

开发区距长沙市中心、长沙火车站、湘江长沙码头、黄花国际机场等场站枢纽均约8公里。

同时，开发区内已经建成具有一定规模的物流基础设施，即星沙物流中心，可为入区企业提供完善的物流服务。

2.建设规模与目标

本项目的产品以硅单晶生长炉的坩埚、保温筒和固化保温毡为主要产品，首先重点针对国内当前面大量广的16in.热场系统进行开发。

生产能力按年生产20，000公斤炭/炭复合材料和400吨碳/石墨材料的规模计算。

大规模化的生产炭/炭复合材料，使本项目在同行业中具备了强大的优势。

第二章市场预测

一、产品市场供应预测

1.国内供需现状

国内现有生产Si单晶的设备600余台，近年来，每年递增200台左右。

目前的设备主要拉制从3〞至6〞，少量为8〞的晶棒。

由于单炉投料量仅为几十公斤，因此，多采用高纯石墨制造坩埚，而这些高纯石墨多为进口冷等静压石墨。

16英寸的热系统的隔热保温套，则多为进口件。

相当一部分较大型的进口设备，其热系统完全依靠进口。

C/C复合材料热场系统研究组，为满足半导体工业的要求，与西安理工大学单硅晶基地、有研硅股等单位合作，对C/C复合材料热场系统进行试验和使用。

在西安用C/C复合材料制作的12＂坩埚（Φ306mm）及加热器,装在加有横向磁场的TDR-62上，使用情况很好。

2.国外的发展现状

1993年东芝陶瓷申请的美国专利介绍用二维C纤维织物绕制作成Si单晶生长炉坩埚坯体，浸渍树脂后碳化制成坩埚。

随后，在1997年美国Walsh等用三维C/C复合材料制造了Si单晶生长炉用坩埚埚帮、埚托、发热体、隔热屏及支撑块等；Metter等人制备的高纯C/C复合材料，制造的硅单晶生长炉的热场零部件，通过一系列的高温处理，金属杂质含量控制到很低的程度。

1999年，Kawashima等采用C/C复合材料在硅单晶生长炉的底部设置一个容积等于坩埚的容积的环槽，在硅单晶生长炉出现意外漏硅时，可以防止其他热场零件受到损伤。

东洋炭素、SGLCarbonComposites，Inc.等国外厂商在其产品介绍中,也提到C/C复合材料制造单硅晶生长炉的坩埚、发热体等产品。

其中提到的个别产品已经投入使用，大多数则仍处于研究阶段。

二、产品目标市场分析

1.目标市场确定

超高纯及晶体结构完整的硅晶圆是半导体工业中制作芯片的基础材料。

集成电路的出现及发展，使人类步入了微电子时代。

随着微电子元件尺寸小型化、管芯面积大型化与LSI集成度的日益提高，硅单晶生长技术装备面临新的挑战。

为改变我国集成电路用关键基础材料技术水平低、品种不配套、产业化规模小、关键基础材料依赖进口的局面，国家科技部设立了微电子配套材料专项，选择12英寸硅单晶抛光制备技术研究作为首次研究任务，并要求12英寸硅单晶抛光片形成小批量生产能力，达到0.13~0.10μm集成电路技术要求。

实施该项目第一个要解决的是12英寸硅单晶生长技术与装备的问题，大尺寸的热场系统的关键元件的设计制造技术，也迫切需要解决。

本项目产品的销售市场主要集中在长江三角洲、珠江三角洲、环渤海地区等电子产业发达地区，上述地区的客户对本案提出的方案有浓厚的兴趣。

2.主要竞争对手情况

硅单晶炉热场的市场目前主要由两部分组成：

炭/炭复合材料制件市场由日本的东洋炭素、东海、吴羽化工等3家占领；而高纯石墨件这部分，则是主要由国内的一些厂家进口日本东洋炭素公司的石墨加工而成。

国内现在有几家在上大尺寸高纯石墨项目；同时，从近一年的复合材料热场零件的试用过程中，许多原来制造石墨件的厂家也准备生产与炭/炭复合材料相似的产品。

国内还没有生产当今世界上的主流产品12英寸硅单晶的设备，国内的设备只用来生产8英寸的硅棒。

而且该设备使用的坩埚、保温隔热件等整个热场系统依靠进口。

国外大型硅单晶生长设备的热场系统均由国外厂家的产品配套。

吴羽的产品市场占有率最高。

中国、欧美市场几乎全部为他所垄断。

但是，在硅行业迅猛发展的今天，其生产能力有限，市场空缺较大。

迅速实现硅单晶生长炉的热场国产化，对发展我国的IT产业的意义极大。

3.项目的市场优势

由于国外公司在控制了该类产品的市场，产品价格奇高。

所以，与国外对手相比较，本项目的产品有较大的价格优势。

同时，由于长沙经济技术开发区xxx新材料有限公司拥有自主知识产权，通过前期的产品研究开发，掌握了对生产的主要设备的技术要求及各项具体措施，摸索出了材料制备的主要工艺过程及相关技术参数，已先一步于国内竟争对手生产出了满足工业应用要求的产品。

在技术上领先于国内对手；对于国际上的竞争对手，通过努力控制生产成本，在价格上也应当具有优势。

通过大量的、多方位的工业性试验，了解了市场需求及使用要求，减少了盲目性，降低了风险；通过试验和使用与使用方有较多的沟通，与客户建立了良好的关系。

4.总体营销思路

根据产品的目标市场定位、产品定位及竞争力的研究结论，在市场营销战略上，应注意两个方面：

一是建立完善的销售及售后服务网络，由销售工程师针对客户的使用和信息进行调研，以满足向高附加值产品发展的要求。

二是在产品质量无较大差距的情况下，价格就成为高度敏感的因素，为提高产品竞争力，要发挥低成本策略的作用，充分利用自身优势，发展稳定而灵活的销售机制。

本项目的产品价格的制定，原则上以国外同等质量的相同产品的价格为基础，较之低5~20%。

第三章建设规模与产品方案

一、建设规模

确定项目建设规模遵循的基本原则：

●合理经济规模；

●市场容量；

●企业本身的资金、资源、原材料以及外部协作条件等

通过对项目规模建设影响的因素进行了综合考虑，确定了项目的建设规模。

本项目建设占地30亩。

项目用地位于长沙经济技术开发区内。

该地域建设条件较好，基础设施完善。

项目建设分列如下：

序号

项目名称

结构

面积（平方米）

1

车间

钢结构

10000

2

仓库

钢结构

6000

3

办公楼

砖混结构

900

4

其他辅助设施

砖混结构

300

二、产品方案

1.产品方案构成

项目建成以后，公司以生产、加工热场系统的保温隔热材料及坩埚为主，生产部分的大型发热体。

针对这些产品的高纯度要求，对进入生产线的原材料的纯度、生产线的洁净度，进行严格控制，保证产品的纯度和质量；材料的生产制造工艺、产品的机械加工、产品的转运、包装等过程要进行严格控制，在材料及产品的成型过程中，合理安排提纯工艺处理，保证产品的高质量，提高产品的纯度。

根据产品的品种、规格多的特点，产品开发需要一项一项进行，争取在3年内，公司的产品能够覆盖大部分或全部的硅单晶生长炉的热场系统，同时逐步扩大到其他的晶体生长设备，进而扩大到其他的高技术领域。

2.产品方案的目标

公司成立以后，主要是以硅单晶生长炉的坩埚、保温筒和固化保温毡为主要产品，重点针对国内当前面大量广的16in热场系统。

等到该产品市场较为巩固以后，再开发其他系统的热场零件。

公司热诚与科研院所、企业合作，研究硅单晶生长炉对热场零部件的使用要求，研究C/C复合材料制造的热场零件的特性，掌握C/C复合材料在单晶生长炉上的特殊性和规律性，满足硅单晶生长炉具的其他性能要求。

自主开发，突破关键技术，实现C/C复合材料制造硅单晶生长炉热场零部件的国产化。

配合863计划专项计划：

a）及早研制出完全能满足IC级单晶Si生长炉拉制Ф300mm晶棒的坩埚（坩埚直径在600mm左右）；

b）研制出拉制Ф300mm硅晶棒的单晶棒的单晶生长炉用发热体（发热体的直径在Ф800mm左右）;

c）通过物理机械性能检测,材料的抗拉强度达到普通高强石墨的3倍以上;金属杂质含量控制在100PPm以内；

d）实现C/C复合材料单晶硅生长炉热场的工业化生产;密切与用户合作,调整制造热场材料的设计和拉晶的工艺参数,将产品做到令用户十分满意。

第四章场址选择

一、场址所在位置现状

1.地点与地理位置

本项目的选址充分考虑项目的市场需求、物流成本等因素。

同时，项目选址将充分考虑项目物流量主要通过公路和航空等物流通道向全国辐射的发展目标。

经征询专家意见，本项目拟选址在长沙经济技术开发区内、运输条件较好、周围产业基础雄厚并且离城区不远、可依托长沙经济技术开发区有关福利等基础设施。

该厂址位于长沙经济技术开发区，开发区紧邻107高速公路，距星沙物流中心2公里，生产用原料及辅助材料以及生产的深加工系列产品，可通过公路、航空等方式运输，交通运输条件十分便利。

二、场址建设条件

1.地形、地貌、地震情况

长沙经济技术开发区的地理环境十分优越，浏阳河、捞刀河从南北两面并流汇入湘江，宛如二龙戏珠。

开发区内地势平坦，绿树成荫，亚热带季风湿润气候，地理环境条件良好。

项目区工程地质情况，根据《中国地质裂度区划图（1990）》勘察，长沙地区地震最高裂度为

度。

根据水质分析结果，按《岩土工程勘察规范（GB50021—94）》有关标准测定，整个开发区内地下水有关标准测定，对砼无腐蚀性。

2.气候条件

（1）气温

年平均气温：

17.2℃

最冷月平均气温：

4.7℃

最热月平均气温：

29.4℃

极端最低气温：

-11.3℃

极端最高气温：

43℃

（2）降水量

年平均总降水量：

1393mm

一日最大降水量：

192.5mm

（3）湿度

最冷月平均相对湿度：

81%

最热月平均相对湿度：

75%

（4）风

风速年平均：

2.7m/s

主导风向和风速：

夏季

NNW

2.6m/s

冬季

NNW

2.8m/s

30年一遇最大风速：

23m/s

（5）最大积雪深度20cm

（6）最大冻土深度5cm

（7）年雷暴日数49.5天

（8）全年日照时数1677.1小时

3.城镇规划及社会环境条件

长沙经济技术开发区位于湖南省会长沙市东郊星沙镇，是国家级经济技术开发区，规划控制面积38.6平方公里，随着开发区投资者的增长，规划控制面积将进一步扩大。

近年来，由于开发区得天独厚的区位优势、完善配套的基础设施建设和让利于投资者的各项优惠政策，吸引了众多国内外的投资者。

4.交通运输条件

长沙经济技术开发区以西5公里的京广线是它的铁路交通大动脉，在此相交的北京至深圳的107国道和成都至厦门的319国道及京珠高速公路是它沟通南北东西的汽运通道，距长沙市中心、长沙火车站、湘江长沙码头、黄花国际机场均约8公里，长沙经济技术开发区内宽阔、平坦的园内道路，为本项目提供了方便、快捷、高效、畅通无阻的交通运输条件，有效地保证了各种原材料的入厂和各种产品的外运。

第五章技术方案、设备方案

一、技术方案

1.生产方法（包括原料路线）

材料的制备主要采用化学气相沉积和化学气相渗（CVD和CVI），及液相渗（浸渍）增密的方法。

2.工艺流程

炭纤维

↓

增强坯体（1维，2维，3维，N维纤维坯体）

↓↓↓

热固树脂热塑性沥青碳氢气体

↓↓↓

固相热解炭1000~1500℃液相热解炭带压力/不带压力气相热解炭800~1200℃

↓↓↓

浸渍浸渍切削加工

↓

炭化1000~1500℃

↓

热处理1500~2200℃热处理2200~2750℃热处理2000~2500℃

↓↓↓

炭/炭复合材料

图1炭/炭复合材料的制造工艺流程

3.工艺技术来源（需引进国外技术的，应说明理由）

由于该材料是重要的战略材料，发达国家对气设备和工艺均实行严密封锁，项目的工艺技术主要靠自主研究与开发。

4.推荐方案的主要工艺（生产装置）流程图、物料平衡图，物料消耗定额表

推荐方案的主要工艺流程如图1。

每公斤复合材料消耗的各类材料（Kg）及电能如下：

炭纤维

碳源气体

惰性气体

水

石墨

电（度）

炭/炭复合材料（致密）

0.3

7

14

1000

1000

炭/炭复合材料（低密）

0.9

2

4

200

300

炭/石墨制品

2

4

100

0.96

20

二、主要设备方案

1.主要设备选型

该项目的设备有材料的生产设备和加工设备。

该复合材料的特点及产品的特定要求，迫使项目单位不得不自己开发主要得生产设备。

待制造得产品除了要求纯度高、金属杂质含量很低以外，有的结构尺寸很大，壁很薄；有的尺寸很大，要求材质密度很低；有得产品要求中间密度低，表层极为致密；有的要求强度高，耐蚀、耐热震性能好。

材料的生产设备有坯体制备设备，材料浸渍固化设备，炭化炉，石墨化炉，化学气相沉积炉等；考虑设备要适应、涵盖主要产品的制造要求，这些设备的恒温区尺寸直径达到1.3m，高度要求达到1m。

加工设备则有大型车床，