CN102060553A - 石英陶瓷坩埚的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种无机非金属材料技术领域的石英陶瓷坩埚的制备方法，通过将含有固化剂的熔融石英陶瓷粉与预混液配制成浆料后，经浇注和干燥烧结后制成石英陶瓷坩埚。本发明采用颗粒级配的熔融石英粉作为原料，制备得到的坩埚化学成分均匀，具有优异的抗热震、耐高温性能以及化学稳定性，能够满足多晶硅生产的工艺要求。采用该方法制作石英陶瓷坩埚，陶瓷浆料可在室温下固化，坩埚素坯干燥速度较快，可达到石英陶瓷坩埚净近尺寸成型的目的，且工艺简单，制作周期短，成本低廉，适于产业化应用。

Description

石英陶瓷坩埚的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种无机非金属材料技术领域的方法，具体是一种用于多晶硅太阳能电池铸锭的石英陶瓷坩埚的制备方法。

背景技术

陶瓷坩埚是多晶硅铸锭用容器。太阳能多晶硅行业多采用熔融石英作为原料来制作陶瓷坩埚，主要是因为熔融石英具有较高的耐酸碱侵蚀性能和抗热震性能，特别是热膨胀系数比其它陶瓷材料低得多，所以石英陶瓷坩埚已成为多晶硅生产过程中不可替代的关键性消耗材料。

目前，制作石英陶瓷坩埚的主要方法为上世纪90年代初发展起来的凝胶注模法。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200910087303.0，公开了一种采用复合多级熔融石英粉为原料，凝胶注模法制作石英陶瓷坩埚的技术。该技术的特点是通过控制石英粉体的粒度级配，获得组织结构均匀，孔隙率可控，具有优良抗热震和耐高温性能的石英陶瓷坩埚。但是该方法存在一定的缺陷。首先，通过凝胶注模方法得到的陶瓷素坯，具有类似橡胶的弹性，而刚度较低，由于坩埚素坯的尺寸较大，所以在其彻底干燥之前的自重变形很难控制；其次，石英陶瓷浆料在抽真空除气的过程中，由于空气迅速排出，易导致浆料凝胶化提前进行，所以固化时间较难控制；第三，采用凝胶注模方法制作石英陶瓷坩埚，通常需要在高湿度和室温条件下长期干燥至坯体不再发生显著收缩，然后才能在更高温度下进行干燥，因此干燥周期很长。综上所述，探索制作石英陶瓷坩埚的新技术，依然是太阳能多晶硅铸锭领域的重要研究方向。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种石英陶瓷坩埚的制备方法，采用颗粒级配的熔融石英粉作为原料，制备得到的坩埚化学成分均匀，具有优异的抗热震、耐高温性能以及化学稳定性，能够满足多晶硅生产的工艺要求。采用该方法制作石英陶瓷坩埚，陶瓷浆料可在室温下固化，坩埚素坯干燥速度较快，可达到石英陶瓷坩埚净近尺寸成型的目的，且工艺简单，制作周期短，成本低廉，适于产业化应用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：通过将含有固化剂的熔融石英陶瓷粉与预混液配制成浆料后，经浇注和干燥烧结后制成石英陶瓷坩埚。

所述的含有固化剂的熔融石英陶瓷粉通过以下方式制备得到：按照总质量为100％来计算，称取质量百分比为5％-20％的200-325目熔融石英粉、30％-60％的50-100目熔融石英粉以及余量为20-50目熔融石英粉并一同置于V型混料机中进行干法混合2小时；然后加入混合粉体总质量的0.4％-1.2％的固化剂并进一步进行干法混合2小时，得到含有固化剂的熔融石英陶瓷粉。

所述的固化剂通过以下方式制备得到：将氯化铵与200-325目熔融石英粉按质量比1∶1进行球磨混合，其中球料比2∶1，球磨时间约为2小时，得到粉状固化剂。

所述的预混液的组分为：0.1-0.5重量份的表面活性剂、0.1-0.5重量份的消泡剂，余量为硅溶胶。

所述的浆料通过以下方式制备得到：按照浆料总质量为100％来计算，依次称取质量百分比为20％-50％的预混液和质量百分比为50％-80％的含有固化剂的熔融石英陶瓷粉，快速加入到配浆桶中进行搅拌混合2-5min。

所述的快速加入是指：将含有固化剂的熔融石英陶瓷粉加入到预混液中的时间不超过2min，并且边加粉边搅拌，使熔融石英陶瓷粉在较短时间内被预混液充分润湿。

所述的浇注是指：将石英浆料加入到坩埚模具中，然后在室温条件下静置10-60min，石英浆料固化，获得石英坩埚素坯。

所述的干燥烧结是指：首先在室温下自然干燥12-24h，再转入到烘箱中在100-300℃下干燥12-24h，即可在坩埚焙烧炉中进行焙烧，升温速率为0.5-5℃，最高焙烧温度为1150-1350℃，保温2-12h，冷却后获得多晶硅太阳能电池铸锭用石英陶瓷坩埚。

本发明具有以下优点：首先采用以硅溶胶为主的预混液，在高温烧成后，转变为与坩埚化学成分相同的二氧化硅，并且固化剂中的氯化铵在高温烧成时，分解为氯化氢和氨气，不会残留在坩埚中，因此烧成的坩埚无杂质，保证了坩埚的化学纯度；其次，通过控制固化剂的加入量，可以控制浆料固化所需的时间，即固化时间随着固化剂加入量的增加而缩短，固化时间的可控性保证了操作者能够预留出充分的时间来完成注浆过程，同时浆料固化可在常温下进行，简化了操作工艺；第三，素坯经固化后即具有一定的硬度，干燥过程中对湿度和温度无特殊要求，并且随着干燥的进行，其硬度因硅溶胶的进一步聚合而增加，所以坩埚在干燥过程中不会因重力而发生变形，保证了坩埚的尺寸精度。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

第一步，配制固化剂

将氯化铵与200-325目熔融石英粉按最优化的质量比1∶1进行球磨混合，球料比2∶1，球磨时间约为2小时，得到粉状固化剂，备用。

第二步，配制预混液

称取一定量的硅溶胶，加入相对于硅溶胶质量百分比为0.1％的表面活性剂和0.5％的消泡剂，搅拌均匀，获得预混液，备用。

第三步，配制原料粉体

按照总质量为100％来计算，称取质量百分比为5％的200-325目熔融石英粉，60％的50-100目熔融石英粉，以及35％的20-50目熔融石英粉，将这些粉料放入V型混料机中进行干法混合，混合时间约为2小时。然后外加质量分数为0.4％的在第一步中配制的粉状固化剂，继续在V型混料机中进行干法混合，混合时间约为2小时，得到含有固化剂的原料粉体。

第四步，配制石英浆料

按照浆料总质量为100％来计算，称取质量百分比为20％的在第二步中得到的预混液，质量百分比为80％的在第三步中得到的原料粉体，加入到配浆桶中，进行强力搅拌混合。要求将原料粉体加入到预混液中所需要的时间不超过2min，并且边加粉边搅拌，使熔融石英陶瓷粉在较短时间内被预混液充分润湿。原料粉体加入完毕后，继续搅拌5min，得到流动性能优良的石英浆料。

第五步，浆料注模及固化

将第四步得到的石英浆料加入到坩埚模具中，然后在室温条件下静置60min，石英浆料固化，获得石英坩埚素坯。

第六步，素坯脱模、干燥与烧结

将素坯脱模，并在室温下自然干燥12h，再转入到烘箱中在300℃下干燥12h，即可在坩埚焙烧炉中进行焙烧，升温速率为0.5℃，最高焙烧温度为1150℃，保温12h，冷却后获得多晶硅太阳能电池铸锭用石英陶瓷坩埚。

实施例2

第一步，配制固化剂

将氯化铵与200-325目熔融石英粉按最优化的质量比1∶1进行球磨混合，球料比2∶1，球磨时间约为2小时，得到粉状固化剂，备用。

第二步，配制预混液

称取一定量的硅溶胶，加入相对于硅溶胶质量百分比为0.25％的表面活性剂和0.25％的消泡剂，搅拌均匀，获得预混液，备用。

第三步，配制原料粉体

按照总质量为100％来计算，称取质量百分比为15％的200-325目熔融石英粉，45％的50-100目熔融石英粉，以及40％的20-50目熔融石英粉，将这些粉料放入V型混料机中进行干法混合，混合时间约为2小时。然后外加质量分数为0.8％的在第一步中配制的粉状固化剂，继续在V型混料机中进行干法混合，混合时间约为2小时，得到含有固化剂的原料粉体。

第四步，配制石英浆料

按照浆料总质量为100％来计算，称取质量百分比为35％的在第二步中得到的预混液，质量百分比为65％的在第三步中得到的原料粉体，加入到配浆桶中，进行强力搅拌混合。要求将原料粉体加入到预混液中所需要的时间不超过2min，并且边加粉边搅拌，使熔融石英陶瓷粉在较短时间内被预混液充分润湿。原料粉体加入完毕后，继续搅拌4min，得到流动性能优良的石英浆料。

第五步，浆料注模及固化

将第四步得到的石英浆料加入到坩埚模具中，然后在室温条件下静置30min，石英浆料固化，获得石英坩埚素坯。

第六步，素坯脱模、干燥与烧结

将素坯脱模，并在室温下自然干燥18h，再转入到烘箱中在200℃下干燥18h，即可在坩埚焙烧炉中进行焙烧，升温速率为2.5℃，最高焙烧温度为1250℃，保温6h，冷却后获得多晶硅太阳能电池铸锭用石英陶瓷坩埚。

实施例3

第一步，配制固化剂

将氯化铵与200-325目熔融石英粉按最优化的质量比1∶1进行球磨混合，球料比2∶1，球磨时间约为2小时，得到粉状固化剂，备用。

第二步，配制预混液

称取一定量的硅溶胶，加入相对于硅溶胶质量百分比为0.5％的表面活性剂和0.1％的消泡剂，搅拌均匀，获得预混液，备用。

第三步，配制原料粉体

按照总质量为100％来计算，称取质量百分比为20％的200-325目熔融石英粉，30％的50-100目熔融石英粉，以及50％的20-50目熔融石英粉，将这些粉料放入V型混料机中进行干法混合，混合时间约为2小时。然后外加质量分数为1.2％的在第一步中配制的粉状固化剂，继续在V型混料机中进行干法混合，混合时间约为2小时，得到含有固化剂的原料粉体。

第四步，配制石英浆料

按照浆料总质量为100％来计算，称取质量百分比为50％的在第二步中得到的预混液，质量百分比为50％的在第三步中得到的原料粉体，加入到配浆桶中，进行强力搅拌混合。要求将原料粉体加入到预混液中所需要的时间不超过2min，并且边加粉边搅拌，使熔融石英陶瓷粉在较短时间内被预混液充分润湿。原料粉体加入完毕后，继续搅拌2min，得到流动性能优良的石英浆料。

第五步，浆料注模及固化

将第四步得到的石英浆料加入到坩埚模具中，然后在室温条件下静置10min，石英浆料固化，获得石英坩埚素坯。

第六步，素坯脱模、干燥与烧结

将素坯脱模，并在室温下自然干燥24h，再转入到烘箱中在100℃下干燥24h，即可在坩埚焙烧炉中进行焙烧，升温速率为5℃，最高焙烧温度为1350℃，保温2h，冷却后获得多晶硅太阳能电池铸锭用石英陶瓷坩埚。

Claims (8)

1.一种石英陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于，通过将含有固化剂的熔融石英陶瓷粉与预混液配制成浆料后，经浇注和干燥烧结后制成石英陶瓷坩埚。

2.根据权利要求1所述的石英陶瓷坩埚的制备方法，其特征是，所述的含有固化剂的熔融石英陶瓷粉通过以下方式制备得到：按照总质量为100％来计算，称取质量百分比为5％-20％的200-325目熔融石英粉、30％-60％的50-100目熔融石英粉以及余量为20-50目熔融石英粉并一同置于V型混料机中进行干法混合2小时；然后加入混合粉体总质量的0.4％-1.2％的固化剂并进一步进行干法混合2小时，得到含有固化剂的熔融石英陶瓷粉。

3.根据权利要求1或2所述的石英陶瓷坩埚的制备方法，其特征是，所述的固化剂通过以下方式制备得到：将氯化铵与200-325目熔融石英粉按质量比1∶1进行球磨混合，其中球料比2∶1，球磨时间约为2小时，得到粉状固化剂。

4.根据权利要求1所述的石英陶瓷坩埚的制备方法，其特征是，所述的预混液的组分为：0.1-0.5重量份的表面活性剂、0.1-0.5重量份的消泡剂，余量为硅溶胶。

5.根据权利要求1所述的石英陶瓷坩埚的制备方法，其特征是，所述的浆料通过以下方式制备得到：按照浆料总质量为100％来计算，依次称取质量百分比为20％-50％的预混液和质量百分比为50％-80％的含有固化剂的熔融石英陶瓷粉，快速加入到配浆桶中进行搅拌混合2-5min。

6.根据权利要求1所述的石英陶瓷坩埚的制备方法，其特征是，所述的快速加入是指：将含有固化剂的熔融石英陶瓷粉加入到预混液中的时间不超过2min，并且边加粉边搅拌，使熔融石英陶瓷粉在较短时间内被预混液充分润湿。

7.根据权利要求1所述的石英陶瓷坩埚的制备方法，其特征是，所述的浇注是指：将石英浆料加入到坩埚模具中，然后在室温条件下静置10-60min，石英浆料固化，获得石英坩埚素坯。

8.根据权利要求1所述的石英陶瓷坩埚的制备方法，其特征是，所述的干燥烧结是指：首先在室温下自然干燥12-24h，再转入到烘箱中在100-300℃下干燥12-24h，即可在坩埚焙烧炉中进行焙烧，升温速率为0.5-5℃，最高焙烧温度为1150-1350℃，保温2-12h，冷却后获得多晶硅太阳能电池铸锭用石英陶瓷坩埚。