发明内容
本发明是针对上述情况而进行的,其目的在于:提供碳纤维补强碳复合材料坩埚,其是在制造半导体材料等的单晶或太阳电池材料等的多晶的装置中用于支撑、保持收纳溶融材料的坩埚而使用的碳纤维补强碳复合材料坩埚,在其底部弯曲部去除了褶皱或搭接的段差部分,耐久性提高。
为了解决上述课题而设的、本发明的碳纤维补强碳复合材料坩埚,其特征在于:是一种具有在周边部具弯曲部的底部和从上述底部弯曲部延伸至上方的直腹部(直胴部)的碳纤维补强碳复合材料坩埚,其中,上述底部和直腹部通过贴合多块交替编织碳纤维的经纱(縦糸)和纬纱(横糸)得到的碳纤维织布而形成,同时至少位于上述底部弯曲部的碳纤维织布的经纱和纬纱的轴线相对于坩埚圆周方向呈倾斜方向形成。
这样,在底部弯曲部中,在碳纤维织布的经纱、纬纱相对于坩埚圆周方向呈倾斜的部分,碳纤维织布向坩埚圆周方向和垂直于上述圆周方向的方向伸长,所以没有形成搭接缝或褶皱等大的凹凸,可以在没有纤维断缝的状态下成型。
因此,使用该碳纤维补强碳复合材料坩埚时,在坩埚的底部弯曲部的内侧、外侧不会滞留SiO气体,可以抑制化学反应(氧化)所引起的脆弱化。
这里,优选在上述底部和上述底部弯曲部中使用无断缝的一体型的第1碳纤维织布、在上述底部弯曲部和上述直腹部中使用使碳纤维的经纱和纬纱相对于坩埚圆周方向呈倾斜的方式形成的第2碳纤维织布。
进一步优选在上述直腹部中使用使碳纤维的纬纱和经纱相对于坩埚圆周方向呈平行方向和垂直方向的方式形成的第3碳纤维织布,在上述直腹部中优选上述第2碳纤维织布和上述第3碳纤维织布交替层合。
当碳纤维织布的经纱、纬纱中的任一者与坩埚圆周方向平行时,可以最大程度地提高坩埚圆周方向的强度,但在受到超过其强度的力时纤维断裂。而当碳纤维织布的经纱、纬纱相对于坩埚圆周方向呈倾斜时,与平行时相比,纤维相对于圆周方向有变形的空间,即使在受到圆周方向的力的情况下,也可以期待纤维不断裂。因此,期待着碳纤维补强碳复合材料坩埚可以防止例如形成两半(真つ二つ)这样的严重不良情形。
这样,使第3碳纤维织布的碳纤维的纬纱和经纱相对于坩埚圆周方向呈平行方向和垂直方向的方式形成时,与层合(積層)的第2碳纤维织布的碳纤维的方向不同,所以可以提高强度。即,通过交替层合经纱与纬纱的轴线方向不同的碳纤维织布,可以提高坩埚的刚性。
尚需说明的是,第3碳纤维织布可以使其碳纤维的经纱和纬纱相对于坩埚圆周方向呈倾斜的方式形成。使第3碳纤维织布的碳纤维的经纱和纬纱相对于坩埚圆周方向呈倾斜的方式形成时,与层合的第2碳纤维织布的碳纤维的方向相同,可以进一步提高向坩埚圆周方向断裂的耐性。
优选上述直腹部中层合的各碳纤维织布在坩埚圆周方向上的不连续部分以在层合方向上不重叠的方式层合上述各碳纤维织布。这样,在搭接的碳纤维织布彼此之间,碳纤维织布在坩埚圆周方向上的不连续部分之间在层合方向上不重叠,由此层合方向(厚度方向)的间隙变少,可以使直腹部中的层合方向的碳纤维量更均匀。
尚需说明的是,优选上述第2碳纤维织布或上述第3碳纤维织布分别作为无断缝的一体型的碳纤维织布绕上述直腹部1周以上。即使在上述第2碳纤维织布或第3碳纤维织布的尺寸不足上述直腹部的外周长的情况下,也优选使上述第2碳纤维织布的接头(碳纤维织布在坩埚圆周方向上的不连续部分)和上述第3碳纤维织布的接头(碳纤维织布在坩埚圆周方向上的不连续部分)在不同位置重叠。
优选在上述直腹部和上述底部中的至少任一个部分中,上述直腹部中层合的各碳纤维织布的经纱和纬纱的交叉部分以在层合方向上不重叠的方式层合上述各碳纤维织布。
这样,在搭接的碳纤维织布彼此之间,经纱和纬纱的交叉部分在层合方向上不重叠,从而使经纱和纬纱交叉的部分的凹凸咬合,可以强化搭接的碳纤维织布彼此之间的粘合力。
为了解决上述课题而设的、本发明的碳纤维补强碳复合材料坩埚,其特征在于:是一种具备构成坩埚底部的架台部和放置或嵌插在上述架台部上的筒状体的碳纤维补强碳复合材料坩埚,上述架台部由石墨材料制成,上述筒状体由层合有碳纤维织布的碳纤维补强碳复合材料制成,并且在上述筒状体的底部内周边配置有环状间隔物(スペ一サ,spacer)。
这样,由于碳纤维补强碳复合材料坩埚在由石墨材料制成的架台部放置或嵌插有由碳纤维补强碳复合材料制成的筒状体、并且在筒状体的底部内周边配置有环状间隔物,所以在底部弯曲部没有形成碳纤维织布的搭接缝或褶皱等大的弯曲或凹凸,使用该碳纤维补强碳复合材料坩埚时,在坩埚的底部弯曲部的内侧、外侧不会滞留SiO气体,可以抑制化学反应(氧化)所引起的脆弱化。
优选从上述筒状体的一端部到另一端部设有不连续部分,在上述不连续部分中,在垂直于上述筒状体的轴线的方向的至少一部分中存在碳纤维补强复合材料,且在上述筒状体的圆周方向上具有发挥束缚力(拘束力)的结构。
当为上述碳纤维补强碳复合材料坩埚时,在不连续部分中,在垂直于筒状体的轴线的方向的至少一部分中存在碳纤维补强复合材料,并在筒状体的圆周方向上具有发挥束缚力的结构,从而使来自加热器的辐射热不会直接辐射到石英玻璃坩埚上,所以可以均匀加热石英玻璃坩埚,支撑因硅溶融液的热而发生软化的石英玻璃坩埚,可以防止变形。
另外,即使在提拉单晶硅后,冷却后石英玻璃坩埚与筒状体密合的情况下,通过使筒状体变形,也可以容易地卸下石英玻璃坩埚,可以得到碳坩埚。
尚需说明的是,优选上述筒状体由层合有碳纤维织布的碳纤维补强碳复合材料制成,所述碳纤维织布是使碳纤维的经纱和纬纱中的任一者呈平行于筒状体圆周方向的方式形成的。这样,通过在筒状体中使碳纤维织布的经纱、纬纱中的任一者平行于坩埚圆周方向,可以最大程度地提高碳纤维补强碳复合材料在坩埚圆周方向的强度,更有效地防止因热膨胀率的不同而引起的破损。
优选在上述筒状体中,在搭接的碳纤维织布彼此之间,碳纤维织布在筒状体圆周方向上的对接部分以在层合方向上不重叠的方式层合。
优选在上述筒状体中,在搭接的碳纤维织布彼此之间,碳纤维织布中的经纱和纬纱的交叉部分以在层合方向上不重叠的方式层合。
在如此搭接的碳纤维织布彼此之间,碳纤维织布在筒状体圆周方向上的对接部分之间在层合方向上不重叠,从而使层合方向(厚度方向)的间隙变少,可以使筒状体中的层合方向的碳纤维量更均匀。此外,在搭接的碳纤维织布彼此之间,经纱和纬纱的交叉部分在层合方向上不重叠,从而使经纱和纬纱交叉的部分的凹凸咬合,可以强化搭接的碳纤维织布彼此之间的粘合力。
因此,使用该碳坩埚时,可以抑制由筒状体与SiO气体的化学反应(氧化)引起的脆弱化。
在上述筒状体中,层合的碳纤维织布可以以碳纤维的纬纱与经纱的方向不同的方式进行层合。由于层合的碳纤维织布的碳纤维的方向不同,所以搭接的碳纤维织布彼此之间的粘合力得到强化,可以提高筒状体的强度,可以进一步防止收纳、支撑的石英玻璃坩埚的变形。
碳纤维织布的单位面积重量优选为80g/m2以上至1000g/m2以下。若单位面积重量少于80g/m2,则沿经纱、纬纱的倾斜方向拉伸碳纤维织布时,在纤维束间有时会出现不存在纤维的间隙(孔)。若单位面积重量多于1000g/m2,则碳纤维织布的纤维密度过高,纤维可移动的空间变少,筒状体圆周方向的柔软性变小,有时无法卸下收纳、支撑的石英玻璃坩埚。
为了解决上述课题而设的、本发明的碳纤维补强碳复合材料坩埚的制造方法,其特征在于:使用热固化性树脂与碳粉的混合粘合剂贴合上述碳纤维织布,之后施行热固化处理、碳化处理、石墨化处理和高纯度化处理而形成。
根据本发明,去除了底部弯曲部中的褶皱或搭接的段差部分,可以得到耐久性优异的碳纤维补强碳复合材料坩埚。根据本发明,还可以得到可适于制造碳纤维补强碳复合材料坩埚的制造方法。
具体实施方式
以下,根据附图对本发明的碳纤维补强碳复合材料坩埚的第1实施方案进行说明。
首先,根据图1对该碳纤维补强碳复合材料坩埚中使用的碳纤维布进行说明。
该碳纤维织布10,是以1000根~36000根直径为3μm~15μm的碳纤维作为经纱10a、以1000根~36000根直径为3μm~15μm的碳纤维作为纬纱10b,交替编织而成的碳纤维织布,其单位面积重量为80g/m2~1000g/m2、厚度为0.1mm~0.8mm。
如上所述,由于是交替编织经纱10a和纬纱10b,所以该碳纤维织布10具备向图1所示的P方向(与经纱10a、纬纱10b的轴线成45度的方向)伸长的性质。尚需说明的是,对于经纱10a、纬纱10b的方向,只不过是允许碳纤维自身的延伸。
接下来,根据图2对本发明的碳纤维补强碳复合材料坩埚1(以下称作碳坩埚1)的第1实施方案进行说明。尚需说明的是,概念性地表示图2中的碳纤维补强碳复合材料。
该碳坩埚1例如是在提拉半导体材料等的单晶的单晶提拉装置(未图示)中用于支撑、保持收纳硅溶融液的石英坩埚而使用的坩埚。
该碳坩埚1具有直腹部2和底部3,底部3弯曲而形成,具有在其周边部以规定的曲率弯曲的小弯曲部R1(底部弯曲部)和形成于底部中央的大弯曲部R2。上述直腹部2从上述底部3的小弯曲部R1向上方延设成筒状。
该碳坩埚1担载热固化性树脂与碳粉(例如石墨粉)的混合粘合剂(未图示)以贴合多块上述碳纤维布10,之后施行热固化、碳化、石墨化和高纯度化处理而形成。即,该碳坩埚1由碳纤维补强碳复合材料(以下称作C/C材料)形成。
具体而言,贴合多层图3~图5所示的薄片状碳纤维织布11、12、13,再施行热固化、碳化、石墨化和高纯度化处理而形成。
这里,图3所示的碳纤维织布11是剪裁碳纤维布10使碳纤维的轴线在纵横方向(垂直、水平方向)上、且形成横长的方形状的碳纤维织布而得到的碳纤维织布(第3碳纤维织布)。该碳纤维织布11的宽度尺寸w1形成至少可以覆盖碳坩埚1的直腹部2的外周的长度,而高度尺寸h1形成与直腹部2的高度尺寸相同的尺寸。
该碳纤维织布11可以向图3所示的P方向(与经纱10a、纬纱10b的轴线成45度的方向)伸长。
图4所示的碳纤维织布12是剪裁碳纤维织布10使形成正圆形状的碳纤维织布而得到的碳纤维织布(第1碳纤维织布)。该碳纤维织布12的直径尺寸d形成可以覆盖碳坩埚1的底部3的大小。
该碳纤维织布12可以向图4所示的P方向(与经纱10a、纬纱10b的轴线成45度的方向)伸长。
并且,图5所示的碳纤维织布13是剪裁碳纤维织布10使碳纤维的轴线(经纱、纬纱的轴线)在倾斜45度的方向上、且形成横长的方形状的碳纤维织布而得到的碳纤维织布(第2碳纤维织布)。该碳纤维织布13的宽度尺寸w2与上述碳纤维织布11相同,形成可以覆盖碳坩埚1的直腹部2的外周的长度,而高度尺寸h2较直腹部的高度尺寸长,具体而言,形成除可覆盖直腹部2以外、还可覆盖底部3的小弯曲部R1的长度。
该碳纤维织布13可以向图5所示的P方向(与经纱10a、纬纱10b的轴线成45度的方向)伸长。
接下来,根据图6,利用图7~图10对碳坩埚1的制造步骤进行说明。
首先,如图7所示准备坩埚成型用模具5,在其直腹部6中担载热固化性树脂与碳粉(例如石墨粉)的混合粘合剂(未图示),并缠绕碳纤维织布11(图6的步骤S1)。
这里,碳纤维织布11的碳纤维的轴线方向(经纱、纬纱的轴线方向)相对于坩埚圆周方向T呈平行方向和垂直方向(坩埚的轴线方向)。
此时,虽然碳纤维织布11在与图7中箭头所示的坩埚圆周方向T平行的方向上没有伸长、而且在与坩埚圆周方向T垂直的方向(坩埚的轴线方向)上也没有伸长,但由于该直腹部6的直径未变,所以可以在直腹部6上无褶皱地贴附碳纤维织布11。
尚需说明的是,如图10所示,碳纤维织布11的下端部11a以突出坩埚成型模5的下方的状态被贴附。
接下来,如图7、8所示,在坩埚成型模5的底部7上担载上述混合粘合剂,之后贴附圆形的碳纤维织布12以覆盖底部7,形成底部3(图5的步骤S2)。
这里,该碳纤维织布12不是以往的带有叶状断缝的碳纤维织布(参照图21),而是无断缝的一体型的碳纤维织布。另外,形成碳坩埚1的直腹部2的碳纤维织布11和形成底部3的碳纤维织布12的界限部分以不重叠、且不产生间隙的方式进行贴附。
贴附该圆形碳纤维织布12时,是利用碳纤维织布12的周边部来覆盖小弯曲部R1,但碳纤维织布12是一边沿着相对于碳纤维的轴线(经纱、纬纱的轴线)倾斜45度的方向伸长一边进行贴附。
更具体而言,最初将碳纤维织布12的中央部分贴在坩埚成型模5的底部7中央,之后一边拉伸碳纤维织布12的周边部一边进行贴附使覆盖小弯曲部R1。
此时,虽然坩埚成型模5的半径从底部中央起逐渐变大,但由于碳纤维织布12相对于碳纤维的轴线(经纱、纬纱的轴线)呈略倾斜45度的方向伸长,所以可以一边拉伸碳纤维织布12一边进行贴附。由此,在小弯曲部R1中无褶皱地贴附碳纤维织布12。
然后,从贴附的碳纤维织布11、12之上开始,担载上述混合粘合剂,并如图9所示贴附碳纤维织布13,使覆盖由碳纤维织布11形成的直腹部2(成型模5的直腹部6)和由碳纤维织布12形成的小弯曲部R1(图6的步骤S3)。
贴附该碳纤维织布13时,虽然在小弯曲部R1中半径朝着坩埚成型模5的外周部逐渐变大,但如图所示,由于碳纤维的轴线(经纱、纬纱的轴线)相对于坩埚圆周方向T呈倾斜45度的方向形成,因此通过一边拉伸碳纤维织布13一边贴附,可以无褶皱地进行贴附。
在直腹部2中,由于碳纤维的轴线方向不同于担载有混合粘合剂的基底的碳纤维织布11,所以粘合力得到强化,刚性提高。
如此地在碳纤维织布11之上层合碳纤维织布13时,优选使坩埚圆周方向上的碳纤维织布11、13的不连续部分(圆周方向的端部)彼此之间以在层合方向(径方向)上不重叠,在坩埚圆周方向上的位置错开的形式进行层合。
此时,优选使经纱10a和纬纱10b的交叉部分以在层合方向上不重叠的方式进行贴附。
通过如此层合,层合方向(厚度方向)的间隙变少,可以使直腹部2中层合方向的碳纤维量更均匀。
由于经纱10a和纬纱10b的交叉部分在层合方向上不重叠,因此经纱10a和纬纱10b交叉的部分的凹凸咬合,可以强化搭接的碳纤维织布11、13彼此之间的粘合力。
如图10的截面图所示,多次重复进行上述碳纤维织布11、12、13的贴附步骤(图10中进行3次),层合至规定的厚度(图6的步骤S4)。
碳纤维织布11、12、13的贴附(层合)全部结束时,沿图10所示的箭头方向折弯最内层的碳纤维织布11的下端部11a(坩埚使用时为上端部)并贴附,使覆盖坩埚端部,之后进行端部成形处理(图6的步骤S5)。
如此操作,得到坩埚模的预型件(プリフォ一ム,preform)时,以贴在坩埚成型模5的周围的状态下配置在真空炉内,在100℃~300℃的温度下进行热固化(图6的步骤S6)。
然后,卸下坩埚成型模5(图6的步骤S7),将得到的成型体在N2气等惰性气体中或惰性气氛中、在约1000℃的温度下进行碳化处理(图6的步骤S8)。
碳化处理后,用例如酚醛树脂、焦油沥青等浸透成型体,之后在1500℃以上的温度下加热,进行烧结处理(图6的步骤S9)。
尚需说明的是,碳化后或烧结后使成型体浸透酚醛树脂、焦油沥青等,再反复进行碳化或烧结,还可以使其致密化。
然后,通常将通过烧结得到的坩埚加热至1500℃~2500℃的温度,以施行高纯度化处理,得到由C/C材料制成的碳坩埚1(图6的步骤S10)。
如上操作得到的碳坩埚1,在其底部的弯曲部没有形成搭接部分的段差或褶皱等凹凸,并且,如图10所示,从直腹部2到小弯曲部R1连续形成多层。
因此,由于在该碳坩埚1的底部弯曲部的内侧和外侧没有形成凹凸,所以炉内产生的SiO气体不会滞留,可以抑制化学反应(氧化)所引起的损耗、消耗,可以提高耐久性。另外,通过贴合多块碳纤维织布,可以制作具有规定的厚度的碳坩埚,可以提高耐久性。
尚需说明的是,在上述实施方案中,在直腹部2的形成中,交替重叠碳纤维的轴线相对于坩埚圆周方向呈纵横方向(直腹部轴线方向、垂直于直腹部轴线的接线方向)的碳纤维织布11和碳纤维的轴线相对于坩埚圆周方向呈倾斜45度方向(相对于直腹部轴线以45度的角度交叉的接线方向)的碳纤维织布13。
但是,本发明并不限于该方案,还可以通过只层合多块碳纤维的轴线相对于坩埚圆周方向呈倾斜45度方向的碳纤维织布13来形成直腹部2。或者,可以通过层合多块碳纤维的轴线相对于坩埚圆周方向呈纵横方向(直腹部轴线方向、垂直于直腹部轴线的接线方向)的碳纤维织布11来形成直腹部2。
通过如此地构成直腹部2,可以进一步提高向坩埚圆周方向拉伸应力的强度。
尚需说明的是,在石英坩埚升温时,由于坩埚软化而沿着碳坩埚内径发生变形。因此,冷却时由于石英坩埚与碳纤维织布的热膨胀系数不同,产生坩埚圆周方向的拉伸应力。考虑到这样的坩埚圆周方向的拉伸应力,优选通过只层合多块上述碳纤维织布13来形成直腹部2。
这种情况下,优选在搭接的碳纤维织布13之间进行层合,使经纱10a和纬纱10b的交叉部分在层合方向上不重叠。具体而言,如图11(a)中模式性显示的那样,在位于下层的碳纤维织布13A(虚线)之上贴附碳纤维织布13B(实线)时,如图11(b)所示的方式进行层合。
即,如图11(b)所示,在以虚线表示的碳纤维织布13A的经纱10a和纬纱10b的交叉部分10c中形成有以实线表示的碳纤维织布13B的经纱10a和纬纱10b的交叉部分10d,使其在层合方向上不重叠。
更优选如图11(b)所示的方式进行层合,使上层的碳纤维织布13B中的交叉部分10d位于在位于下层的碳纤维织布13A中连接与坩埚圆周方向相邻的交叉部分10c间的线分d1的中央。或者,如下述方式进行层合,使上层的碳纤维织布13B中的交叉部分10d位于连接相对于坩埚圆周方向呈垂直方向的相邻的交叉部分10c间的线分d2的中央。
由此,层合方向(厚度方向)的间隙变少,可以使直腹部2中层合方向的碳纤维量更均匀。另外,由于经纱与纬纱交叉的部分的凹凸咬合,所以可以强化搭接的碳纤维织布13彼此之间的粘合力。
接下来,根据图12~图14,对本发明的碳纤维补强碳复合材料坩埚的第2实施方案进行说明。尚需说明的是,对于与本发明的第1实施方案中显示的部材同一或相当的部材附上相同的符号。
该碳纤维补强碳复合材料坩埚20具有构成坩埚底部的架台部21和放置或嵌插在架台部21上的筒状体22。上述架台部21由石墨材料形成。上述筒状体22是通过担载热固化性树脂与碳粉(例如石墨粉)的混合粘合剂(未图示)以贴合多块碳纤维织布11,之后施行热固化、碳化、石墨化和高纯度化处理而形成的。即,该筒状体22由碳纤维补强碳复合材料(以下称作C/C材料)形成。
具体而言,该筒状体22贴合有多层图19所示的薄片状的碳纤维织布11,通过施行热固化、碳化、石墨化和高纯度化处理而形成。
图19所示的碳纤维织布11与图3所示的碳纤维织布11是相同的碳纤维织布,是剪裁碳纤维布10使碳纤维的轴线在纵横方向(垂直、水平方向)上、且形成横长的方形状的碳纤维织布而得到的碳纤维织布。该碳纤维织布11的宽度尺寸w1形成至少可以覆盖筒状体22的外周的长度,而高度尺寸h1形成与筒状体22的高度尺寸相同的尺寸。
该碳纤维织布11可以向图19所示的P方向(与经纱、纬纱的轴线成45度的方向)伸长。
如图12所示,在由石墨材料制成的架台部21上放置或嵌插上述筒状体22,并且在筒状体22的底部内周边配置环状间隔物23。
需要说明的是,环状间隔物23由碳纤维补强碳复合材料或石墨材料制成。这里,该环状间隔物23优选与碳纤维补强碳复合材料坩埚的热膨胀率接近的间隔物。
因此,在底部弯曲部没有形成碳纤维织布的搭接缝或褶皱等大的凹凸,使用该碳纤维补强碳复合材料坩埚时,在坩埚的底部弯曲部的内侧、外侧不会滞留SiO气体,可以抑制化学反应(氧化)所引起的脆弱化。
该筒状体22从一端部到另一端部设有不连续部F。在不连续部F中,在垂直于筒状体22的轴线的方向的至少一部分中存在碳纤维补强复合材料,并且在不连续部F中设有在筒状体22的圆周方向上发挥束缚力的结构30。更具体而言,该结构30在不连续部F的C/C材料的一个端部F1和不连续部F的C/C材料的另一个端部F2形成有嵌合部31、32。嵌合部31、32的端部由与筒状体22的轴线方向平行或垂直的平面或曲面形成。
通过形成这样的嵌合部31、32,在筒状体22的圆周方向发挥束缚力。另外,利用C/C材料的柔软性,使不连续部F的C/C材料的端部F2在与筒状体22的轴垂直的方向变形,从而隔开嵌合部31、32,可以解除筒状体22的圆周方向的束缚力。
图15是本发明的碳纤维补强碳复合材料坩埚的第2实施方案的第1变形例。概念性地表示图15中的碳纤维补强碳复合材料。
嵌合部31、32的端面的至少一部分由与筒状体22的轴线方向倾斜的平面或曲面形成。通过形成这样的嵌合部31、32,即使由于硅溶融液的热而软化的石英玻璃坩埚发生变形,不连续部F的C/C材料的一个端部F1与不连续部F的C/C材料的另一端部F2的间隔变宽,也可以在筒状体22的圆周方向发挥束缚力,并且在垂直于筒状体3的轴线的方向的至少一部分中存在C/C材料。另外,利用C/C材料的柔软性,使不连续部F的C/C材料的端部F2在与筒状体22的轴垂直的方向上变形时,由于变形方向与筒状体22的轴线方向倾斜,所以可以更容易地解除筒状体3的圆周方向的束缚力。
图16是本发明的碳纤维补强碳复合材料坩埚的第2实施方案的第2变形例。图17是图16的碳纤维补强碳复合材料坩埚1中的筒状体22的不连续部F的放大图。概念性地表示图16和图17中的碳纤维补强碳复合材料。图17(a)是收纳的石英玻璃坩埚在膨胀前的不连续部的放大图,图17(b)是收纳的石英玻璃坩埚在膨胀后(变形后)的不连续部的放大图。
在嵌合部31、32之间设有可变形的区间T,以形成嵌合部31、32。通过形成这样的嵌合部31、32,当石英玻璃坩埚由于硅溶融液的热而膨胀时,随着石英玻璃坩埚的变形,可以加大不连续部F的C/C材料的一端部F 1与不连续部F的C/C材料的另一端部F2的间隔,改变筒状体22的内径。
然后,当嵌合部31、32接触时,在筒状体22的圆周方向上发挥束缚力。由此,从石英玻璃坩埚膨胀前到膨胀后,可使石英玻璃坩埚的直腹部外周面与筒状体22的内周面可以实质上接触。
由此,在石英玻璃坩埚的直腹部外周面与筒状体22的内周面之间不会滞留SiO等气体,可以抑制筒状体22的内周面的化学反应。
利用C/C材料的柔软性,使不连续部F的C/C材料的端部F2在与筒状体22的轴垂直的方向变形,从而隔开嵌合部31、32,可以解除筒状体22的圆周方向的束缚力。
需要说明的是,在图16和图17中,在筒状体22的直径方向上倾斜形成了形成可变形的空间T的不连续部F1和F2,但并不限于此,也可以与筒状体22的圆周方向平行地形成。
这里,对筒状体22的制造步骤进行说明。
首先,准备筒状体成型用模具26,在其外周担载热固化性树脂与碳粉(例如石墨粉)的混合粘合剂(未图示),之后缠绕碳纤维织布11。这里,图18所示的碳纤维织布11是剪裁碳纤维布使碳纤维的轴线(经纱、纬纱的轴线)平行于筒状体22的圆周方向而得到的碳纤维织布。该碳纤维织布11的宽度尺寸h1形成至少可以覆盖筒状体22的圆周方向的长度,而高度尺寸h2形成与筒状体22的高度尺寸相同的尺寸。
该碳纤维织布11可以向图18所示的P方向(与经纱10a、纬纱10b的轴线成45度的方向)伸长。
然后,从贴附的碳纤维织布11之上开始,贴附担载有上述混合粘合剂的另一碳纤维织布。多次反复进行这样的碳纤维织布的贴附步骤,层合至规定的厚度。
如此操作,得到筒状体22的预型件时,以贴在筒状体成型用模具26的周围的状态配置在真空炉内,在100℃~300℃的温度下进行热固化。然后,卸下筒状体成型用模具26,将得到的成型体在N2气等惰性气体中或惰性气氛中、在约1000℃的温度下进行碳化处理。碳化处理后,用例如酚醛树脂、焦油沥青等浸透成型体,之后在1500℃以上的温度下加热,进行烧结处理。或者,碳化处理后,在1500℃以上的温度下加热,进行烧结处理,之后用例如酚醛树脂、焦油沥青等浸透成型体。然后,通常将通过石墨化得到的筒状体加热至1500℃~2500℃的温度,施行高纯度化处理,可以得到由C/C材料制成的筒状体22。
然后,将该上述筒状体22放置或嵌插在由石墨材料制成的架台部21上,再于筒状体22的底部内周边配置环状间隔物23,由此制作该实施方案的碳纤维补强碳复合材料坩埚。
尚需说明的是,在上述第2实施方案中,除了使用碳纤维的轴线相对于坩埚圆周方向呈纵横方向(直腹部轴线方向、垂直于直腹部轴线的接线方向)的碳纤维织布11以外,还使用碳纤维的轴线相对于坩埚圆周方向呈倾斜45度方向(与直腹部轴线以45度的角度交叉的接线方向)的碳纤维织布13,可以将它们交替重叠。或者,可以通过只层合多块碳纤维的轴线相对于坩埚圆周方向呈倾斜45度方向的碳纤维织布13来形成直腹部2。
石英坩埚升温时,由于坩埚软化而沿碳坩埚内径发生变形。因此,冷却时,由于石英坩埚与碳纤维织布的热膨胀系数不同,产生坩埚圆周方向的拉伸应力。考虑到这样的坩埚圆周方向的拉伸应力,优选通过只层合多块上述碳纤维织布13来形成直腹部2。
这种情况下,如上述第1实施方案所述,优选在搭接的碳纤维织布13之间进行层合,使经纱10a和纬纱10b的交叉部分在层合方向上不重叠。具体而言,如图11(a)中模式性显示的那样,在位于下层的碳纤维织布13A(虚线)之上贴附碳纤维织布13B(实线)时,优选以图11(b)所示的方式进行层合。