CN106521637A - 一种单晶生长炉用保温筒及其制造方法 - Google Patents

一种单晶生长炉用保温筒及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单晶生长炉用保温筒及其制造方法。本发明提供的保温筒包括依次接触的保温外筒、软毡层和保温内筒，其为复合式的保温筒，设置外筒、软毡层和内筒，形成分体式的保温筒结构，能够改善保温筒的耐用性，且筒体在使用过程中产生破坏或缺陷时，可进行分体拆除和更换即可，而无需将整个保温筒更换，能够延长保温筒使用寿命，大大节约成本。

Description

一种单晶生长炉用保温筒及其制造方法
技术领域
本发明涉及保温材料技术领域，特别涉及一种单晶生长炉用保温筒及其制造方法。
背景技术
太阳能光伏发电是可持续清洁能源之一，近年来在世界各国得到了快速发展。目前，太阳能光伏发电中应用最为广泛的是硅晶体太阳能电池，主要分为单晶硅片电池和多晶硅片电池，其中，单晶硅片电池因具有高效特点而倍受市场青睐。生产单晶硅片所利用的最主要的设备是单晶生长炉，而保温筒是单晶生长炉中至关重要的装置，需要具有保温效果好、耐高温和杂质少等特点，其使用寿命决定了整个单晶生长炉热场的使用寿命。
单晶生长炉在使用过程中，炉内产生的SiO2、金属等杂质气体通常会与保温筒接触并发生反应，使保温筒表面不断被消耗、粉化、脆化和脱落，从而导致炉内热场保温效果变差。现有技术中的保温筒通常为独立圆筒，容易被破坏，使用寿命较短，且在使用过程中一旦保温筒产生缺陷，便需要将整个保温筒进行更换，成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单晶生长炉用保温筒及其制造方法，本发明提供的保温筒为复合式保温筒，具有较好的耐用性，且筒体在使用过程中产生破坏或缺陷时，进行分体拆除和更换即可，能够大大降低成本。
本发明提供了一种单晶生长炉用保温筒，包括依次接触的保温外筒、软毡层和保温内筒。
优选的，所述保温内筒为一体式保温内筒；
或者所述保温内筒由两个以上的圆弧形碳纤维板和一个圆弧形碳纤维板塞条拼装组成，所述各圆弧形碳纤维板的弧度均大于圆弧形碳纤维板塞条的弧度。
优选的，所述保温内筒中，圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条的轴向端面均为平面端面，圆弧形碳纤维板与圆弧形碳纤维板塞条之间为过盈配合拼接。
优选的，所述保温内筒中，圆弧形碳纤维板的弧度为10°～180°，圆弧形碳纤维板塞条的弧度为5°～40°。
优选的，所述保温内筒由三个圆弧形碳纤维板和一个圆弧形碳纤维板塞条拼装组成。
优选的，所述保温外筒为一体式保温外筒；
或者所述保温外筒由两个以上的圆弧形碳纤维板绕保温筒轴向依次拼接围合成构成；
所述圆弧形碳纤维板的一个轴向端面为凸起端面，另一个轴向端面为凹槽端面，圆弧形碳纤维板之间为凹凸配合拼接。
优选的，所述保温外筒的内表面、外表面和端面均涂有保护涂层；
所述保温内筒的内表面、外表面和端面均涂有保护涂层。
优选的，所述保护涂层中包括树脂、酒精、石墨、SiO2粉末、SiC粉末、Si3N4粉末、碳纤维粉末和封孔剂中一种或几种。
优选的，所述保温外筒和保温内筒均为碳纤维增强复合材料，所述碳纤维增强复合材料由碳纤维、固化剂和有机粘结剂制得；
所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维中的一种或几种；
所述固化剂为酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基脂树脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、聚苯乙烯和丙烯酸树脂中的一种或几种；
所述有机粘结剂为酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基脂树脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、聚苯乙烯和丙烯酸树脂中的一种或几种；
所述软毡层为聚丙烯腈基碳纤维软毡层、沥青基碳纤维软毡层、粘胶基碳纤维软毡层中的一种或几种。
本发明还提供了上述技术方案所述保温筒的制造方法，包括以下步骤：
A)提供保温外筒，在所述保温外筒内表面复合软毡层；
B)在所述软毡层表面铺装保温内筒，得到保温筒。
本发明提供了一种单晶生长炉用保温筒，包括依次接触的保温外筒、软毡层和保温内筒。与现有技术相比，本发明提供的保温筒为复合式的保温筒，其设置有外筒、软毡层和内筒，形成分体式的保温筒结构，能够改善保温筒的耐用性，且筒体在使用过程中产生破坏或缺陷时，可进行分体拆除和更换即可，而无需将整个保温筒更换，能够延长保温筒使用寿命，大大节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例中提供的保温筒的结构示意图；
图2为本发明的一个实施例中提供的保温筒中保温外筒的结构示意图；
图3为本发明另一个实施例中提供的保温筒的结构示意图；
图4为本发明另一个实施例中提供的保温筒的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种单晶生长炉用保温筒，包括依次接触的保温外筒、软毡层和保温内筒。
本发明提供的保温筒为复合式的保温筒，其设置有外筒、软毡层和内筒，形成分体式的保温筒结构，能够改善保温筒的耐用性，且筒体在使用过程中产生破坏或缺陷时，可进行分体拆除和更换即可，而无需将整个保温筒更换，能够延长保温筒使用寿命，大大节约成本。
参见图1，图1为本发明的一个实施例提供的单晶生长炉用保温筒的结构示意图，图1(a)为保温筒的剖视图，图1(b)为保温筒的俯视图；其中，A为保温外筒，B为软毡层，C为保温内筒。
保温外筒A为保温筒外围筒体，在一些实施例中，保温外筒A为一体式独立筒体。在一些实施例中，保温外筒A还可以由两个以上的圆弧形碳纤维板绕保温筒轴向依次拼接围合成构成；所述圆弧形碳纤维板的一个轴向端面为凸起端面，另一个轴向端面为凹槽端面，圆弧形碳纤维板之间为凹凸配合拼接，其结构可参见图2，其中，图2(a)为保温外筒A的结构示意图，图2(b)为保温外筒A中圆弧形碳纤维板的结构示意图，将外筒设计成分瓣式结构，外筒板体一旦发生损坏，仅将破坏板体拆除和更换即可，有助于降低成本。本发明对保温外筒A中圆弧形碳纤维板凸起端面的凸起类型没有特殊限制，如可以为三角形凸起、梯形凸起或矩形凸起等，相应的，凹槽端面则为与之配合的三角形凹槽、梯形凹槽或矩形凹槽等。在一些实施例中，保温外筒A中各圆弧形碳纤维板的弧度和尺寸相同。本发明中，保温外筒A的厚度优选为20～100mm。
软毡层B复合于保温筒内表面，能够使外筒和内筒更加紧密配合，且对外筒起保护作用，有助于延长外筒使用寿命。本发明中，所述软毡层B优选聚丙烯腈基碳纤维软毡层、沥青基碳纤维软毡层、粘胶基碳纤维软毡层中的一种或几种，有助于提高保温筒的保温性能和抗氧化性能。本发明中，所述软毡层B的厚度优选为5～50mm。
保温内筒C复合于软毡层B表面，在一些实施例中，保温内筒C为一体式独立筒体；在一些实施例中，保温内筒C由两个以上的圆弧形碳纤维板和一个圆弧形碳纤维板塞条拼装组成，所述各圆弧形碳纤维板的弧度均大于圆弧形碳纤维板塞条的弧度。其结构可参见图3，其中1为圆弧形碳纤维板，2为圆弧形碳纤维板塞条，较大弧度的圆弧形碳纤维板绕保温筒轴向依次拼接围合并紧靠软毡层B排列，塞入较小弧度的圆弧形碳纤维板塞条形成完整圆筒，便于使圆筒涨紧，紧贴于软毡层B且使软毡层B贴紧保温外筒A，形成紧固圆筒结构。本发明将保温内筒设计成分瓣式结构，单晶炉应用过程中产生的杂质气体粉化破坏内筒壁时，仅将破坏板体部分拆除和更换即可，可大大节约成本。
本发明中，保温内筒C优选由三个圆弧形碳纤维板和一个圆弧形碳纤维板塞条拼装组成，便于圆弧形碳纤维板塞条塞紧且使保温内筒整体结构更加稳固。
本发明中，保温内筒C中，圆弧形碳纤维板的弧度优选为10°～180°，更优选为110°～118°，圆弧形碳纤维板塞条的弧度优选为5°～40°，便于圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条更好的匹配，形成稳定结构，利于其较好的应用于单晶生长炉中。如在一些实施例中，圆弧形碳纤维板的弧度可以为110°，圆弧形碳纤维板塞条的弧度略大于30°，如可以为31°。
本发明的一些实施例中，保温内筒C中，圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条的轴向端面均为平面端面，圆弧形碳纤维板与圆弧形碳纤维板塞条之间为过盈配合拼接；即圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条的轴向端面均为平面，圆弧形碳纤维板塞条以紧配合方式插入，使内筒紧涨贴在软毡层表面并压紧保温外筒。
本发明中，保温内筒C中，各圆弧形碳纤维板的弧度和尺寸优选为相同，便于圆弧形碳纤维板更好的匹配，同时简化板体生产工艺、降低制作成本。所述保温内筒C的厚度优选为3～50mm。
本发明提供的一些实施例中，保温外筒A的内表面、外表面和端面均涂有保护涂层，保温内筒C的内表面、外表面和端面均涂有保护涂层，其结构可参见图4，其中，D、E分别为涂在保温外筒A两侧表面的保护涂层，F、G分别为涂在保温内筒C两侧表面的保护涂层，所述保护涂层能够进一步保护外筒A和内筒B，提高外筒A和内筒B的抗侵蚀性，减少内外筒损坏。
本发明中，所述保护涂层优选包括树脂、酒精、石墨、SiO2粉末、SiC粉末、Si3N4粉末、碳纤维粉末和封孔剂中一种或几种，能够明显提高内外筒表面的抗氧化性和抗侵蚀性，还能对内外筒表面起到封闭作用，在单晶炉使用过程中有利于防止筒体材料如碳纤维粉末等掉出，延长内外筒使用寿命。
本发明提供的单晶生长炉用保温筒包括依次接触的保温外筒、软毡层和保温内筒，形成分体式的保温筒结构，能够改善保温筒的耐用性，且筒体在使用过程中产生破坏或缺陷时，可进行分体拆除和更换即可，而无需将整个保温筒更换，能够延长保温筒使用寿命，大大节约成本。
本发明中，保温外筒A和保温内筒C优选由碳纤维、固化剂和有机粘结剂制得；所述碳纤维优选为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维中的一种或几种；所述固化剂优选为酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基脂树脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、聚苯乙烯和丙烯酸树脂中的一种或几种；所述有机粘结剂优选为酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基脂树脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、聚苯乙烯和丙烯酸树脂中的一种或几种。本发明对所述碳纤维、固化剂和有机粘结剂的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。
按照本发明，保温外筒A和保温内筒C可通过以下方法制得：A)将碳纤维制成碳纤维软毡；B)利用固化剂溶液浸润所述碳纤维软毡；C)在浸润后的碳纤维软毡表面涂覆有机粘结剂；D)将涂覆有机粘结剂后的软毡成型、固化，得到保温外筒A或保温内筒C。
本发明中，首先将碳纤维制成碳纤维软毡，所述将碳纤维制成碳纤维软毡的方式没有特殊限制，采用本领域常规制作方式即可，如将碳纤维经短切、梳理和针刺得到碳纤维软毡。
得到碳纤维软毡后，利用固化剂溶液浸润所述碳纤维软毡，所述浸润的方式没有特殊限制，如可以采用喷淋或涂刷的方式使碳纤维软毡浸润固化剂溶液。得到浸润的碳纤维软毡后，在其表面涂覆有机粘结剂。
涂覆有机粘结剂后，将碳纤维软毡成型；所述成型可以为通过卷绕或模具压制成型为一体式的筒体，也可通过模具压制成型为分体式的圆弧形碳纤维板前体。成型后，将一体式筒体或圆弧形碳纤维板前体固化，得到一体式保温外筒或分体式的圆弧形碳纤维板；所述固化优选为在130～230℃下进行。所述圆弧形碳纤维板可以根据外筒和内筒的需求设计成各种规格，如对于外筒，可设计成所需规格的圆弧形碳纤维板，再进行拼装即可得分瓣式保温外筒；对于内筒，可设计成大弧度的圆弧形碳纤维板和小弧度的碳纤维板塞条；将圆弧形碳纤维板拼接组装，即可得到分瓣式保温内筒。
本发明中，在所述固化后，优选将固化产品置于惰性气氛或真空氛围下，并于1500～2000℃的温度条件下进行碳化处理，得到一体式保温外筒或分瓣式的圆弧形碳纤维板。进行碳化便于将外筒和内筒中固化剂和粘结剂中的非碳元素去除，使外筒和内筒中仅保留碳纤维和碳元素，使含碳量达到99％以上。
按照本发明，在一些实施例中，保温外筒A和保温内筒C的表面还涂有保护涂层。所述具有保护涂层的保温外筒A和保温内筒C可以通过以下方式制得：按照上述技术方案得到一体式保温外筒或分体式的圆弧形碳纤维板后，再在其表面涂刷涂料，形成保护涂层。本发明中，在涂刷保护涂层后，优选将涂有保护涂层的产品置于惰性气氛或真空氛围下，并于1500～2000℃的温度条件下进行去应力和提纯处理，得到具有保护涂层的一体式保温外筒或分体式的圆弧形碳纤维板。所述去应力和提纯处理能够进一步除去产品中的硫和钠等杂质元素以及消除产品内部的应力，使产品在高温环境中长期使用而不易变形。
本发明还提供了一种保温筒的制造方法，包括以下步骤：
A)提供保温外筒，在所述保温外筒内表面复合软毡层；
B)在所述软毡层表面铺装保温内筒，得到保温筒。
本发明中，所述保温外筒、软毡层和保温内筒的结构、材质和制作方法与上述技术方案一致，在此不再一一赘述。
按照本发明，先提供保温外筒。本发明中，可以提供一体式保温外筒，还可以提供圆弧形碳纤维板拼接组成的分瓣式保温外筒。在一些实施例中，所述保温外筒还可以为内外表面及端面涂覆有保护涂层的保温外筒。所述保护涂层的组分以及制作具有保护涂层的保温外筒的方法均与上述技术方案一致，在此不再赘述。
按照本发明，提供保温外筒后，在所述保温外筒内表面复合软毡层。具体的，可在保温外筒内表面卷绕软毡层，使软毡层复合于保温外筒内表面。
按照本发明，装入软毡层后，在所述软毡层表面铺装一体式保温内筒，或者在所述软毡层表面铺装圆弧形碳纤维板，并在圆弧形碳纤维板之间插入圆弧形碳纤维板塞条，形成保温内筒，得到保温筒。本发明中，所述圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条的结构和拼接方式与上述技术方案一致，在此不再赘述。在一些实施例中，所述圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条涂有保护涂层，形成内外表面具有保护涂层的保温内筒。所述保护涂层的组分以及制作具有保护涂层的保温内筒的方法均与上述技术方案一致，在此不再赘述。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
将碳纤维经短切、梳理和针刺制成碳纤维软毡，对其浸润酚醛树脂溶液，使碳纤维软毡充分浸润；再在碳纤维软毡表面施胶环氧树脂。将一部分喷涂有机粘结剂的碳纤维软毡卷绕成型为一体式圆筒，将一部分喷涂有机粘结剂的碳纤维软毡模具压制成圆弧形碳纤维板前体(弧度为110°)和圆弧形碳纤维板塞条前体(弧度为31°)；成型后，将各成型产品在200℃下固化，脱模，并置于惰性氛围中且在2000℃下碳化处理，得到一体式圆筒、圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条。
将一体式保温圆筒作为保温外筒，在其内表面卷绕聚丙烯腈基碳纤维软毡层，再绕保温外筒轴向在软毡层表面依次铺装围合3个圆弧形碳纤维板，最后在拼装围合后的缺条口处塞入圆弧形碳纤维板塞条，形成完整圆筒并使该圆筒涨紧贴于软毡层表面，得到保温筒。
将所得保温筒应用于单晶生长炉中，反复使用9个月后，内筒表面或端面才开始出现损坏，外筒无损坏，仅将内筒中破坏部分板体拆除和更换即可继续使用。其外筒耐使用性较好，反复使用两年后，外筒才开始出现损坏，保温筒整体使用寿命较长。
实施例2
将碳纤维经短切、梳理和针刺制成碳纤维软毡，对其浸润脲醛树脂溶液，使碳纤维软毡充分浸润；再在碳纤维软毡表面施胶呋喃树脂。将喷涂有机粘结剂的碳纤维软毡模具压制成圆弧形碳纤维板前体(弧度为114°和120°)和圆弧形碳纤维板塞条前体(弧度为19°)；成型后，将各成型产品在200℃下固化，脱模，并置于惰性氛围中并在2000℃下碳化处理，得到圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条。在圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条的两个表面均涂覆包含碳纤维粉末、SiO2粉末和封孔剂的混合涂料，形成保护涂层，再将圆筒及纤维板置于惰性氛围中并在2000℃下进行去应力和除杂处理，得到具有保护涂层的圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条。
取3块弧度为120°的圆弧形碳纤维板进行凹凸配合拼接，形成保温外筒；再在其内表面卷绕沥青基碳纤维软毡层，之后绕保温外筒轴向在软毡层表面依次围合铺装3块弧度为114°的圆弧形碳纤维板，最后在拼装围合后的缺条口处塞入圆弧形碳纤维板塞条，形成完整圆筒并使该圆筒涨紧贴于软毡层表面，得到保温筒。
将所得保温筒应用于单晶生长炉中，在与实施例1同样的使用条件下，反复使用10个月后，内筒表面或端面才开始出现损坏，仅将破坏部分板体拆除和更换即可继续使用。其外筒耐使用性更好，反复使用两年后，外筒才开始出现损坏，保温筒整体使用寿命较长。
比较例1
将市售常规一体式碳纤维保温筒应用于单晶生长炉中，在与实施例1同样的使用条件下，反复使用半年后，保温筒表面即出现较为严重的损坏，需将保温筒更换，使用寿命较短，成本较高。
由以上实施例可知，本发明提供的保温筒的耐用性明显提高，另外，使用过程中，保温筒发生损坏后，仅将破坏板体部分拆除和更换即可继续使用，无需将整个内筒甚至外筒更换，相比于市售常规保温筒，明显延长了使用寿命且大大节约了成本。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种单晶生长炉用保温筒，其特征在于，包括依次接触的保温外筒、软毡层和保温内筒。
2.根据权利要求1所述的保温筒，其特征在于，所述保温内筒为一体式保温内筒；
或者所述保温内筒由两个以上的圆弧形碳纤维板和一个圆弧形碳纤维板塞条拼装组成，所述各圆弧形碳纤维板的弧度均大于圆弧形碳纤维板塞条的弧度。
3.根据权利要求1所述的保温筒，其特征在于，所述保温内筒中，圆弧形碳纤维板和圆弧形碳纤维板塞条的轴向端面均为平面端面，圆弧形碳纤维板与圆弧形碳纤维板塞条之间为过盈配合拼接。
4.根据权利要求1所述的保温筒，其特征在于，所述保温内筒中，圆弧形碳纤维板的弧度为10°～180°，圆弧形碳纤维板塞条的弧度为5°～40°。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的保温筒，其特征在于，所述保温内筒由三个圆弧形碳纤维板和一个圆弧形碳纤维板塞条拼装组成。
6.根据权利要求1所述的保温筒，其特征在于，所述保温外筒为一体式保温外筒；
或者所述保温外筒由两个以上的圆弧形碳纤维板绕保温筒轴向依次拼接围合成构成；
所述圆弧形碳纤维板的一个轴向端面为凸起端面，另一个轴向端面为凹槽端面，圆弧形碳纤维板之间为凹凸配合拼接。
7.根据权利要求1所述的保温筒，其特征在于，所述保温外筒的内表面、外表面和端面均涂有保护涂层；
所述保温内筒的内表面、外表面和端面均涂有保护涂层。
8.根据权利要求6所述的保温筒，其特征在于，所述保护涂层中包括树脂、酒精、石墨、SiO2粉末、SiC粉末、Si3N4粉末、碳纤维粉末和封孔剂中一种或几种。
9.根据权利要求1所述的保温筒，其特征在于，所述保温外筒和保温内筒均为碳纤维增强复合材料，所述碳纤维增强复合材料由碳纤维、固化剂和有机粘结剂制得；
所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维中的一种或几种；
所述固化剂为酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基脂树脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、聚苯乙烯和丙烯酸树脂中的一种或几种；
所述有机粘结剂为酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基脂树脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、聚苯乙烯和丙烯酸树脂中的一种或几种；
所述软毡层为聚丙烯腈基碳纤维软毡层、沥青基碳纤维软毡层、粘胶基碳纤维软毡层中的一种或几种。
10.一种权利要求1～9中任一项所述的保温筒的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)提供保温外筒，在所述保温外筒内表面复合软毡层；
B)在所述软毡层表面铺装保温内筒，得到保温筒。
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