CN101580339A - 一种制作复合多级熔融石英粉陶瓷坩埚的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无机非金属材料领域，涉及到熔融石英陶瓷坩埚制备技术的改进。本发明方法的步骤是：配料-制浆-加催化剂和引发剂-凝胶-干燥-烧结。本发明采用多级熔融石英粉末作为原料，通过凝胶注模成型工艺，制备的石英陶瓷坩埚，能够实现多尺度原料的均匀混合，制备的坩埚组织结构均匀，孔隙率可控，具有优异的抗热震能力和耐高温能力，能够满足多晶硅工艺与生产的要求，而且该工艺整个过程简单，无环境污染，适用于工业化生产。

Description

一种制作复合多级熔融石英粉陶瓷坩埚的方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及到多晶硅铸造用熔融石英陶瓷坩埚制备技术的改进。

背景技术

众所周知，当今世界电力供应渐趋紧张，光伏技术的运用可以有效地缓解这一局面。光伏发电主要有单晶、多晶电池片技术，与单晶相比，多晶光伏具有能耗小、效率高等优点；同样的时间内，耗用同样的能源，多晶产出将是单晶的6～7倍，因而多晶近些年得到广泛运用。己有采用电弧法生产石英坩埚用于单晶硅拉制，化学工业出版社出版的《石英玻璃》ISBN 978-7-025-9751-1，其第五章公开了电弧法生产石英坩埚技术，18英寸石英坩埚每次只可以拉制60Kg单晶硅铸锭，其消耗电能为2000KW，用于单晶硅结晶的石英坩埚正处于应用初期阶段。目前，对于多晶硅熔融结晶所使用的坩埚，业内都采用高纯石墨材料制作，自身制造成本较大；而且石墨坩埚结晶出的多晶硅铸锭，其含杂量较高，硅锭的有效收得率非常低，使用效果不理想，尚不能大规模生产应用。因此，研究开发一种新型的用于多晶硅结晶的坩埚，具有十分重要的实际意义。石英坩埚由于具有良好的耐高温性能、抗热震性、而且不引入杂质等特点，所以成为多晶硅铸造法生产的首选坩埚材料，成为人们关注和开发的热点材料。

目前传统的不透明石英陶瓷的制备方法主要是注浆法，蒋艳红在专利(2008 10124615.X)中就采用注浆法制备了用于多晶硅的不透明石英陶瓷坩埚。该方法主要靠吸水沉淀法来实现颗粒的堆积成型，所以制备的陶瓷坩埚通常存在壁厚和高度方向上颗粒粗细、成分上的不均匀、工艺周期较长、要求多套石膏模具等问题。本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于多晶硅结晶的大尺寸不透明石英坩埚凝胶注模成型方法，借助于多级粒径石英粉末的配合实现了石英陶瓷坩埚良好的耐高温和抗炸裂性能。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出一种用于多晶硅铸造法生产的熔融石英陶瓷坩埚制备技术。本发明采用多级熔融石英粉末作为原料，通过凝胶注模成型工艺，制备的石英陶瓷坩埚，能够实现多尺度原料的均匀混合，制备的坩埚组织结构均匀，孔隙率可控，具有优异的抗热震能力和耐高温能力，能够满足多晶硅工艺与生产的要求，而且该工艺整个过程简单，无环境污染，适用于工业化生产。该工艺具体为：

一种采用凝胶注模成型工艺制作复合多级熔融石英粉陶瓷坩埚的方法：首先，根据待制备坩埚性能，将石英粉按其直径分为三级：第一级：粒径为0.1μm～1.0μm，第二级：粒径为1.0μm～10μm，第三级：粒径为10μm～50μm，装入混料机种进行干法混合，混合时间为1～50h；

然后，按已知技术进行后续制备工作。

进一步，所述后续制备工作具体包括如下步骤：

第一步：配置复合多级熔融石英粉；

第二步：配置预混液；

第三步：制备熔融石英陶瓷水基料浆；

第四步：加入催化剂和引发剂；

第五步：浇注熔融石英陶瓷坩埚；

第六步：熔融石英陶瓷料浆的固化成型；

第七步：坯体干燥；

第八步：高温烧结。

进一步，优选的三个级别石英粉配比为：第一级石英粉含量为5～25％，第二级石英粉含量为30～70％，余量为第三级石英粉。

进一步，所述第二步具体为：

(1)将单体和交联剂溶解于去离子水中，其中单体为：丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺的一种或两种组合；交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，单体的浓度为1～10wt％；单体与交联剂的比例为：5∶1～30∶1；

(2)在预混液中加入0.2～1.0wt％的分散剂，分散剂为：聚丙烯酸、聚甲基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、柠檬酸氨中一种或多种组合；

(3)在上述液体中加入乳酸或醋酸，将液体的PH值调整到2～6，以保证料浆的分散效果。

进一步，所述第三步具体为：

(1)将第二步配制的预混液放入球磨机中，球料比选择0.5∶1-10∶1，其中陶瓷原料的固相体积分数为：40vol％-75vol％。称取60wt％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，加入球磨机中，以50～100r/min的转速进行球磨，5-10h后加入20wt％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；5～15h后再加入10wt％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；5～20h后加入剩余10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，继续进行球磨5～20h后获得熔融石英陶瓷料浆；

(2)除泡：将上述磨好的熔融石英陶瓷料浆放入容器中进行除泡，除泡方式可以是加入消泡剂，或在真空状态下除泡，或两种消泡方式的组合。

进一步，所述第四步还包括加入催化剂，具体为：

(1)向进行真空除泡后的料浆中加入催化剂，并搅拌均匀，催化剂组成成分为：四甲基乙二铵、三乙醇铵、亚硫酸铵中的一种或几种组合，将催化剂配成水溶液，浓度为：1～100wt％，加入量为陶瓷粉料体积的0～1％；

(2)向上述料浆中加入引发剂，并搅拌均匀，引发剂是下列物质其中之一：过硫酸铵和过硫酸钾中的一种或几种，引发剂的浓度为：1～20wt％加入量为陶瓷粉料体积的0.01～1％。

进一步，所述第五步具体为：

将加过催化剂和引发剂的料浆注入预先准备好的模具中，料浆的注入可以采用压差注入，或常压灌浆注入。

进一步，所述第六步具体为：

(1)采用了催化凝固(即加入了催化剂)，那么料浆的固化可以在常温下进行；

(2)料浆中没有加入催化剂，那么需要将模具置于40～100℃下(可以在恒温箱或水浴内)，保温5min～5h，此时料浆中的单体分子会发生聚合反应形成凝胶网络，从而使石英陶瓷料浆固化转变成为陶瓷坯体。

进一步，所述第七步具体为：

将凝胶坯体首先进行自然风干5～20h，然后放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水，烘箱温度为40～100℃，直到干透。

进一步，所述第八步具体为：

将干燥后的陶瓷坯体放于煅烧炉中以0.5～3℃/min的升温速率加热到规定的合成温度(1150℃～1200℃)，保温一定的时间(0.5～30h)，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。

与以往的注浆法成型工艺相比，本工艺有许多的优点。首先，因为，坩埚的孔隙率和孔隙大小的绝对值对其热震稳定性(即抗急冷急热性能，抗裂性能)有很大影响，孔隙率大和孔隙直径大均有助于提高上述的热震稳定性，所以要在保证坩埚能够正常工作的情况下增加孔隙率和增大孔隙直径的绝对值。本发明中所使用的三级石英砂配比方法，可以实现可控的调整孔隙率以及孔隙大小，并通过凝胶注模工艺借助于高分子自由基固化原理，实现多级尺度陶瓷粉末水基料浆的原位固化成型，保证了多尺度颗粒之间的相互填充与配合，获得了各项同性而且均匀的陶瓷坯体；其次，本方法中所使用的所有有机原料均为水溶性原料，所以最终能够均匀包覆在颗粒表面，这样高温煅烧后材料随着有机物的分解排出，在陶瓷坯体里面可以获得细小、均匀的孔隙，这样可以降低材料的热膨胀系数，赋予了材料良好的抗热震特性。第三，本发明中所使用的分散剂：聚丙烯酸、聚甲基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、柠檬酸氨中一种或多种组合，改变了以往只采用一种分散剂的做法，多种分散剂同时使用，可相互抵消各种分散剂自身所存在的缺点，使用多种组合分散剂可增强物料中所形成的网状结构性能，提高材料的分散性；第四，本发明采用凝胶注模成型工艺，大大提高了生产效率，具有成本低、操作简便、无环境污染、所得坩埚质量高等优点，适于工业化生产。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。本发明一种采用凝胶注模成型工艺制作复合多级熔融石英粉陶瓷坩埚的方法，其特征在于，该方法的操作步骤如下：

第一步：配置复合多级熔融石英粉

按照坩埚重量称取粒径为0.1μm～1.0μm的第一级熔融石英粉，粒径为1.0μm～10μm的第二级熔融石英粉，粒径为10μm～50μm的第三级熔融石英粉，装入混料机种进行干法混合，混合时间为1～50h；

第二步：配置预混液

(1)将单体(丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺的一种或两种组合)、交联剂(N，N-亚甲基双丙烯酰胺)溶解于去离子水中，其中单体的浓度为1～10wt％；单体与交联剂的比例为：5∶1～30∶1；

(2)在预混液中加入0.2～1.0wt％的分散剂(聚丙烯酸、聚甲基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、柠檬酸氨等一种或多种组合)；

(3)在上述液体中加入乳酸或醋酸，将液体的PH值调整到(2～6)，以便取得更好的分散效果。

第三步：制备熔融石英陶瓷水基料浆

(1)将第二步配制的预混液放入球磨机中，球料比选择0.5∶1～10∶1，其中陶瓷原料的固相体积分数为：40vol％-75vol％。称取60wt％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，加入球磨机中，以50～100r/min的转速进行球磨，5～10h后加入20wt％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；5～15h后再加入10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；5～20h后加入剩余10wt％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，继续进行球磨5～20h后获得熔融石英陶瓷料浆；

(2)除泡：将上述磨好的熔融石英陶瓷料浆放入容器中进行除泡，除泡方式可以是加入消泡剂，也可以在真空状态下除泡，其中两种的组合也可以实现除泡。

第四步：加入催化剂和引发剂

首先向进行真空除泡后的料浆中加入催化剂，并搅拌均匀，催化剂是下列物质其中之一：四甲基乙二铵、三乙醇铵、亚硫酸铵中的一种或几种组合，催化剂配成水溶液，浓度为：1～100wt％，加入量为陶瓷粉料体积的0～1％；

再向上述料浆中加入引发剂，并搅拌均匀，引发剂是下列物质其中之一：过硫酸铵和过硫酸钾中的一种或几种，引发剂的浓度为：1～20wt％加入量为陶瓷粉料体积的0.01～1％。

第五步：浇注熔融石英陶瓷坩埚

将加过催化剂和引发剂的料浆注入预先准备好的模具中，料浆的注入可以采用压差注入，也可以常压灌浆注入。

第六步：熔融石英陶瓷料浆的固化成型

如果采用了催化凝固(即加入了催化剂)，那么料浆的固化可以在常温下进行；如果料浆中没有加入催化剂，那么需要将模具置于40～100℃下(可以在恒温箱或水浴内)，保温5min～5h，此时料浆中的单体分子会发生聚合反应形成凝胶网络，从而使石英陶瓷料浆固化转变成为陶瓷坯体。

第七步：坯体干燥

将凝胶坯体首先进行自然风干5～20h，然后放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水，烘箱温度为40～100℃，直到干透为止。

第八步：高温烧结

将干燥后的陶瓷坯体放于煅烧炉中以1℃/min的升温速率加热到规定规定的合成温度(1150℃～1200℃)，保温一定的时间(0.5～30h)，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。

实施例1：

第一步：混合多级粉料

按照50Kg粉末来配料，称取粒径为0.1μm～1.0μm的第一级熔融石英粉5Kg，粒径为1.0μm～10μm的第二级熔融石英粉30Kg，粒径为10μm～50μm的第三级熔融石英粉15Kg，装入混料机种进行干法混合，混合时间为30h。

第二步：配置预混液

(1)将单体(丙烯酰胺)、交联剂(N，N-亚甲基双丙烯酰胺)溶解于去离子水中，其中单体的浓度为2.0wt％；单体与交联剂的比例为：10∶1；

(2)在预混液中加入0.5wt％的分散剂(聚丙烯酸、聚甲基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、柠檬酸氨等一种或多种组合)；

(3)在上述液体中加入乳酸或醋酸，将液体的PH值调整到3，以便取得更好的分散效果。

第三步：制备熔融石英陶瓷水基料浆

(1)将第二步配制的预混液放入球磨机中，球料比选择5∶1，其中陶瓷原料的固相体积分数为：72vol％。称取60％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，加入球磨机中，以60r/min的转速进行球磨，5h后加入20％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；10h后再加入10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；15h后加入剩余10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，继续进行球磨8h后获得熔融石英陶瓷料浆。

(2)除泡。将上述磨好的熔融石英陶瓷料浆放入容器中进行真空除泡。

第四步：加入催化剂和引发剂

首先向进行真空除泡后的料浆中加入催化剂(四甲基乙二铵)，并搅拌均匀，催化剂的水溶液浓度为：40wt％，加入量为陶瓷粉料体积的0.5％；

再向上述料浆中加入引发剂(过硫酸铵)，并搅拌均匀，引发剂的浓度为：6wt％，加入量为陶瓷粉料体积的0.5％；

第五步：浇注熔融石英陶瓷坩埚

将加过催化剂和引发剂的料浆注入预先准备好的模具中，料浆的注入可以采用压差注入，也可以常压灌浆注入。

第六步：熔融石英陶瓷料浆的固化成型

加入催化剂后，料浆的固化可以在常温下进行；0.5h后，料浆中的单体分子会发生聚合反应形成凝胶网络，从而使石英陶瓷料浆固化转变成为陶瓷坯体。

第七步：坯体干燥

将凝胶坯体首先进行自然风干8h后，然后放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水，烘箱温度为80℃，直到干透为止。

第八步：高温烧结

将干燥后的陶瓷坯体放于煅烧炉中以1℃/min的升温速率加热到规定的合成温度(1185℃)，保温一定的时间(5h)，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。

实施例2：

第一步：配置复合多级熔融石英粉

按照50Kg粉末来配料，称取粒径为0.1μm～1.0μm的第一级熔融石英粉7Kg，粒径为1.0μm～10μm的第二级熔融石英粉40Kg，粒径为10μm～50μm的第三级熔融石英粉3Kg，装入混料机种进行干法混合，混合时间为1～50h。

第二步：配置预混液

(1)将单体(甲基丙烯酰胺)、交联剂(N，N-亚甲基双丙烯酰胺)溶解于去离子水中，其中单体的浓度为5wt％；单体与交联剂的比例为：15∶1；

(2)在预混液中加入1.0wt％的分散剂(丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物)；

(3)在上述液体中加入乳酸或醋酸，将液体的PH值调整到3，以便取得更好的分散效果。

第三步：制备熔融石英陶瓷水基料浆

(1)将第二步配制的预混液放入球磨机中，球料比选择3∶1，其中陶瓷原料的固相体积分数为：65vol％。称取60％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，加入球磨机中，以70r/min的转速进行球磨，8h后加入20％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；10h后再加入10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；10h后加入剩余10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，继续进行球磨10h后获得熔融石英陶瓷料浆。

(2)除泡：将上述磨好的熔融石英陶瓷料浆放入容器中进行真空除泡。

第四步：加入催化剂和引发剂

首先向进行真空除泡后的料浆中加入催化剂(三乙醇铵)催化剂配成水溶液，浓度为：15wt％，加入量为陶瓷粉料体积的0.2％；

再向上述料浆中加入引发剂(过硫酸钾)，引发剂的浓度为：10wt％加入量为陶瓷粉料体积的0.1％。

第五步：浇注熔融石英陶瓷坩埚

将加过催化剂和引发剂的料浆注入预先准备好的模具中，料浆的注入可以采用压差注入，也可以常压灌浆注入。

第六步：熔融石英陶瓷料浆的固化成型

加入催化剂后，料浆的固化可以在常温下进行，1h后，此时料浆中的单体分子会发生聚合反应形成凝胶网络，从而使石英陶瓷料浆固化转变成为陶瓷坯体。

第七步：坯体干燥

将凝胶坯体进行自然风干15h后，放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水，烘箱温度为100℃，直到干透为止。

第八步：高温烧结

将干燥后的陶瓷坯体放于煅烧炉中以0.5℃/min的速率加热到1185℃，保温一定的时间10h，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。

实施例3：

第一步：混合多级粉料

按照50Kg粉末来配料，称取粒径为0.1μm～1.0μm的第一级熔融石英粉5Kg，粒径为1.0μm～10μm的第二级熔融石英粉30Kg，粒径为10μm～50μm的第三级熔融石英粉15Kg，装入混料机种进行干法混合，混合时间为30h。

第二步：配置预混液

(1)将单体(丙烯酰胺)、交联剂(N，N-亚甲基双丙烯酰胺)溶解于去离子水中，其中单体的浓度为2.0wt％；单体与交联剂的比例为：10∶1；

(2)在预混液中加入0.5wt％的分散剂(聚丙烯酸、聚甲基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、柠檬酸氨等一种或多种组合)；

(3)在上述液体中加入乳酸或醋酸，将液体的PH值调整到3，以便取得更好的分散效果。

第三步：制备熔融石英陶瓷水基料浆

(1)将第二步配制的预混液放入球磨机中，球料比选择5∶1，其中陶瓷原料的固相体积分数为：72vol％。称取60％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，加入球磨机中，以60r/min的转速进行球磨，5h后加入20％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；10h后再加入10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；15h后加入剩余10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，继续进行球磨8h后获得熔融石英陶瓷料浆。

(2)除泡：将上述磨好的熔融石英陶瓷料浆放入容器中进行真空除泡。

第四步：加入引发剂

向上述料浆中加入引发剂(过硫酸铵)，并搅拌均匀，引发剂的浓度为：6wt％加入量为陶瓷粉料体积的0.5％。

第五步：浇注熔融石英陶瓷坩埚

将加过引发剂的料浆注入预先准备好的模具中，料浆的注入可以采用压差注入，也可以常压灌浆注入。

第六步：熔融石英陶瓷料浆的固化成型

将浇注完料浆的模具置于40℃下(可以在恒温箱或水浴内)，保温1h，此时料浆中的单体分子会发生聚合反应形成凝胶网络，从而使石英陶瓷料浆固化转变成为陶瓷坯体。

第七步：坯体干燥

将凝胶坯体首先进行自然风干8h后，然后放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水，烘箱温度为80℃，直到干透为止。

第八步：高温烧结

将干燥后的陶瓷坯体放于煅烧炉中以1℃/min的升温速率加热到规定的合成温度(1185℃)，保温一定的时间(5h)，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。

实施例4：。

第一步：配置复合多级熔融石英粉

按照50Kg粉末来配料，称取粒径为0.1μm～1.0μm的第一级熔融石英粉7Kg，粒径为1.0μm～10μm的第二级熔融石英粉40Kg，粒径为10μm～50μm的第三级熔融石英粉3Kg，装入混料机种进行干法混合，混合时间为1～50h。

第二步：配置预混液

(1)将单体(甲基丙烯酰胺)、交联剂(N，N-亚甲基双丙烯酰胺)溶解于去离子水中，其中单体的浓度为5wt％；单体与交联剂的比例为：15∶1；

(2)在预混液中加入1.0wt％的分散剂(丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物)；

(3)在上述液体中加入乳酸或醋酸，将液体的PH值调整到3，以便取得更好的分散效果。

第三步：制备熔融石英陶瓷水基料浆

(1)将第二步配制的预混液放入球磨机中，球料比选择3∶1，其中陶瓷原料的固相体积分数为：65vol％。称取60％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，加入球磨机中，以70r/min的转速进行球磨，8h后加入20％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；10h后再加入10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；10h后加入剩余10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，继续进行球磨10h后获得熔融石英陶瓷料浆。

(2)除泡。将上述磨好的熔融石英陶瓷料浆放入容器中进行真空除泡。

第四步：加入催化剂和引发剂

首先向进行真空除泡后的料浆中加入催化剂(三乙醇铵)催化剂配成水溶液，浓度为：15wt％，加入量为陶瓷粉料体积的0.2％；

再向上述料浆中加入引发剂(过硫酸钾)，引发剂的浓度为：10wt％加入量为陶瓷粉料体积的0.1％。

第五步：浇注熔融石英陶瓷坩埚

将加过催化剂和引发剂的料浆注入预先准备好的模具中，料浆的注入可以采用压差注入，也可以常压灌浆注入。

第六步：熔融石英陶瓷料浆的固化成型

将浇注完料浆的模具置于80℃下(可以在恒温箱或水浴内)，保温30min，此时料浆中的单体分子会发生聚合反应形成凝胶网络，从而使石英陶瓷料浆固化转变成为陶瓷坯体。

第七步：坯体干燥

将凝胶坯体进行自然风干15h后，放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水，烘箱温度为100℃，直到干透为止。

第八步：高温烧结

将干燥后的陶瓷坯体放于煅烧炉中以0.5℃/min的速率加热到1185℃，保温一定的时间10h，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。

实施例5

第一步：混合多级粉料

按照50Kg粉末来配料，称取粒径为0.1μm～1.0μm的第一级熔融石英粉9Kg，粒径为1.0μm～10μm的第二级熔融石英粉15Kg，粒径为10μm～50μm的第三级熔融石英粉26Kg，装入混料机种进行干法混合，混合时间为30h。

第二步：配置预混液

(1)将单体(丙烯酰胺)、交联剂(N，N-亚甲基双丙烯酰胺)溶解于去离子水中，其中单体的浓度为8.0wt％；单体与交联剂的比例为：20∶1。

(2)在预混液中加入1wt％的分散剂(聚丙烯酸、聚甲基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、柠檬酸氨等一种或多种组合)。

(3)在上述液体中加入乳酸或醋酸，将液体的PH值调整到2，以便取得更好的分散效果。

第三步：制备熔融石英陶瓷水基料浆

(1)将第二步配制的预混液放入球磨机中，球料比选择10∶1，其中陶瓷原料的固相体积分数为：40vol％。称取60％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，加入球磨机中，以60r/min的转速进行球磨，5h后加入20％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；10h后再加入10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；15h后加入剩余10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，继续进行球磨8h后获得熔融石英陶瓷料浆。

(2)除泡：将上述磨好的熔融石英陶瓷料浆放入容器中进行真空除泡。

第四步：加入引发剂

向上述料浆中加入引发剂(过硫酸铵)，并搅拌均匀，引发剂的浓度为：20wt％加入量为陶瓷粉料体积的0.1％。

第五步：浇注熔融石英陶瓷坩埚

将加过引发剂的料浆注入预先准备好的模具中，料浆的注入可以采用压差注入，也可以常压灌浆注入。

第六步：熔融石英陶瓷料浆的固化成型

将浇注完料浆的模具置于40℃下(可以在恒温箱或水浴内)，保温1h，此时料浆中的单体分子会发生聚合反应形成凝胶网络，从而使石英陶瓷料浆固化转变成为陶瓷坯体。

第七步：坯体干燥

将凝胶坯体首先进行自然风干8h后，然后放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水，烘箱温度为80℃，直到干透为止。

第八步：高温烧结

将干燥后的陶瓷坯体放于煅烧炉中以1℃/min的升温速率加热到规定的合成温度(1185℃)，保温一定的时间(5h)，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。

实施例6：

第一步：配置复合多级熔融石英粉

按照50Kg粉末来配料，称取粒径为0.1μm～1.0μm的第一级熔融石英粉2.5Kg，粒径为1.0μm～10μm的第二级熔融石英粉35Kg，粒径为10μm～50μm的第三级熔融石英粉12.5Kg，装入混料机种进行干法混合，混合时间为1～50h。

第二步：配置预混液

(1)将单体(甲基丙烯酰胺)、交联剂(N，N-亚甲基双丙烯酰胺)溶解于去离子水中，其中单体的浓度为10wt％；单体与交联剂的比例为：30∶1；

(2)在预混液中加入1.0wt％的分散剂(丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物)；

(3)在上述液体中加入乳酸或醋酸，将液体的PH值调整到4，以便取得更好的分散效果。

第三步：制备熔融石英陶瓷水基料浆

(1)将第二步配制的预混液放入球磨机中，球料比选择3∶1，其中陶瓷原料的固相体积分数为：65vol％。称取60％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，加入球磨机中，以70r/min的转速进行球磨，8h后加入20％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；10h后再加入10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；10h后加入剩余10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，继续进行球磨10h后获得熔融石英陶瓷料浆。

(2)除泡。将上述磨好的熔融石英陶瓷料浆放入容器中进行真空除泡。

第四步：加入催化剂和引发剂

首先向进行真空除泡后的料浆中加入催化剂(三乙醇铵)催化剂配成水溶液，浓度为：100wt％，加入量为陶瓷粉料体积的0.02％；

再向上述料浆中加入引发剂(过硫酸钾)，引发剂的浓度为：15wt％加入量为陶瓷粉料体积的0.2％。

第五步：浇注熔融石英陶瓷坩埚

将加过催化剂和引发剂的料浆注入预先准备好的模具中，料浆的注入可以采用压差注入，也可以常压灌浆注入。

第六步：熔融石英陶瓷料浆的固化成型

加入催化剂后，料浆的固化可以在常温下进行，1h后，此时料浆中的单体分子会发生聚合反应形成凝胶网络，从而使石英陶瓷料浆固化转变成为陶瓷坯体。

第七步：坯体干燥

将凝胶坯体进行自然风干15h后，放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水，烘箱温度为100℃，直到干透为止。

第八步：高温烧结

将干燥后的陶瓷坯体放于煅烧炉中以0.5℃/min的速率加热到1185℃，保温一定的时间10h，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。

Claims (10)

1、一种采用凝胶注模成型工艺制作复合多级熔融石英粉陶瓷坩埚的方法：

首先，根据待制备坩埚性能，将石英粉按其直径分为三级：第一级：粒径为0.1μm～1.0μm，第二级：粒径为1.0μm～10μm，第三级：粒径为10μm～50μm，装入混料机种进行干法混合，混合时间为1～50h；

然后，按已知技术进行后续制备工作。

2、根据权利要求1中所述方法，其特征为：所述后续制备工作具体包括如下步骤：

第一步：配置复合多级熔融石英粉；

第二步：配置预混液；

第三步：制备熔融石英陶瓷水基料浆；

第四步：加入催化剂和引发剂；

第五步：浇注熔融石英陶瓷坩埚；

第六步：熔融石英陶瓷料浆的固化成型；

第七步：坯体干燥；

第八步：高温烧结。

3、根据权利要求1中所述的坩埚生产方法，其特征为：优选的三个级别石英粉配比为：第一级石英粉含量为5～18％，第二级石英粉含量为30～80％余量为第三级石英粉。

4、根据权利要求2中所述的坩埚生产方法，其特征为：

所述第二步具体为：

(1)将单体和交联剂溶解于去离子水中，其中单体为：丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺的一种或两种组合；交联剂为N或N-亚甲基双丙烯酰胺，单体的浓度为1～10wt％；单体与交联剂的比例为：5∶1～30∶1；

(2)在预混液中加入0.2～1.0wt％的分散剂，分散剂为：聚丙烯酸、聚甲基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、柠檬酸氨中一种或多种组合；

(3)在上述液体中加入乳酸或醋酸，将液体的PH值调整到2～6，以保证分散效果。

5、根据权利要求2中所述的坩埚生产方法，其特征为：

所述第三步具体为：

(1)将第二步配制的预混液放入球磨机中，球料比选择0.5∶1-10∶1，其中陶瓷原料的固相体积分数为：40vol％-75vol％，称取60wt％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，加入球磨机中，以50-100r/min的转速进行球磨，5-10h后加入20wt％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；5-15h后再加入10％第一步配制的多级熔融石英混合粉料；5-20h后加入剩余10wt％第一步配制的多级熔融石英混合粉料，继续进行球磨5-20h后获得熔融石英陶瓷料浆。

(2)除泡：将上述磨好的熔融石英陶瓷料浆放入容器中进行除泡，除泡方式可以是加入消泡剂，或在真空状态下除泡，或两种销泡方式的组合。

6、根据权利要求2中所述的坩埚生产方法，其特征为：

所述第四步还包括加入催化剂，具体为：

(1)向进行真空除泡后的料浆中加入催化剂，并搅拌均匀，催化剂组成成分为：四甲基乙二铵、三乙醇铵、亚硫酸铵中的一种或几种组合，将催化剂配成水溶液，浓度为：1～100wt％，加入量为陶瓷粉料体积的0～1％；

(2)向上述料浆中加入引发剂，并搅拌均匀，引发剂是下列物质其中之一：过硫酸铵和过硫酸钾中的一种或几种，引发剂的浓度为：1～20wt％加入量为陶瓷粉料体积的0.01～1％。

7、根据权利要求2中所述的坩埚生产方法，其特征为：

所述第五步具体为：

将加过催化剂和引发剂的料浆注入预先准备好的模具中，料浆的注入可以采用压差注入，或常压灌浆注入。

8、根据权利要求2中所述的坩埚生产方法，其特征为：

所述第六步具体为：

(1)采用了催化凝固(即加入了催化剂)，那么料浆的固化可以在常温下进行；

(2)料浆中没有加入催化剂，那么需要将模具置于40～100℃下(可以在恒温箱或水浴内)，保温5min～5h，此时料浆中的单体分子会发生聚合反应形成凝胶网络，从而使石英陶瓷料浆固化转变成为陶瓷坯体。

9、根据权利要求2中所述的坩埚生产方法，其特征为：

所述第七步具体为：

将凝胶坯体首先进行自然风干5～20h，然后放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水，烘箱温度为40～100℃，直到干透。

10、根据权利要求2中所述的坩埚生产方法，其特征为：

所述第八步具体为：

将干燥后的陶瓷坯体放于煅烧炉中以0.5～3℃/min的升温速率加热到规定的合成温度(1150℃～1200℃)，保温一定的时间(0.5～30h)，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。