CN109688643B - 一种碳碳加热器的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳碳加热器及其制造工艺，通过常规无纬平面织物与网胎逐层交叠铺层，通过针刺成型获得碳碳加热器预制体；或自研无纬平面织物与网胎逐层交叠铺层，过针刺成型获得碳碳加热器预制体，经后续碳化、增密、高温处理后制得碳/碳加热器。本发明通过坯体结构及产品机加工设计，提供了一种沿纵向电阻递变的铸锭炉侧部碳/碳加热器，不涉及炉体改造等较大工程量设计，铸锭过程长晶阶段工艺参数精准控制，对设备精度及人工规范性要求都比较小，同时验证周期也相对较短，是一种低成本、高效率、针对性解决铸锭过程中纵向温度差问题、有效提升晶硅成品率的措施。

Description

一种碳碳加热器的制造方法
技术领域
本发明涉及碳碳加热器领域，具体地说，特别涉及到一种碳碳加热器的制造方法。
背景技术
太阳能光伏电池包括单晶硅和多晶硅电池，但多晶硅转化效率低，单晶硅成本高、衰减大。为了综合多晶和单晶的优势，现有技术研发了类单晶工艺，但其仍存在以下问题：
类单晶工艺的晶硅铸锭过程中，隔热笼提升，气流从底部缝隙进入，由于侧部加热器高度固定，整个加热体由下到上的发热功率相同，炉体内纵向温度由气流来控制梯度，温度梯度比较难控制在合理的范围，所以长晶过程中会出现晶体硅锭倾斜现象。
另外，在晶硅铸锭的长晶阶段，隔热笼提升，由于气流散热引起的炉体内温度不均匀，通常坩埚中间温度高，四周温度低，尤其坩埚底部，硅液界面会出现弧形，四周长晶快，中间长晶慢，形成缺陷。
为了保证长晶过程中硅液界面的水平，目前大都采用上下加热器对向加热，并且底部加装热交换平台，均匀坩埚底部温度。但是这种加热方式，纵向温度差依然存在，四周底部降温较中间快；另外也有通过全功率控制铸锭工艺，完全采用功率和时间控制完成铸锭过程的各阶段，提供稳定的热源，有效减少硅锭生长时上下温度梯度的温差，消除硅锭的内部应力，最大程度减少热场波动，从而提高硅锭的品质。
现有技术主要着重于铸锭炉上下加热器的温度及功率控制、炉体、炉内气流的设计及铸锭过程的阶段工艺控制，来解决类单晶工艺目前所存在的一些问题。这些控制手段，一定程度上改善了晶体缺陷，但对成品率提升影响不大。铸锭炉内底部热交换平台，只是均匀了坩埚底部温度，炉内纵向温度差问题并未解决；通过炉体及炉内气流设计，相对工程量较大，影响因子较多，需综合分析，且成本比较高；铸锭过程阶段工艺控制在对温度、时间的把控要求比较高，无论是关于设备的精准性还是人工操作流程的规范性。目前，多晶铸锭炉热场用侧部加热器基本上电阻分布均匀，发热量自上而下各个区域相同，长晶阶段，受气流影响散热不均匀，导致在硅锭倾斜，降低铸造晶硅的质量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种碳碳加热器及其制造工艺，以解决现有技术中存在的问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种碳碳加热器的制造方法，包括加热体，所述加热体的截面为梯形，相同规格的碳纤维长丝束均匀分布在加热体内构成发热功率渐变的发热区域；
所述加热体的制造方法，包括如下步骤：
1)将碳纤维切成长度为30-90mm的短纤维，通过开松、梳理成网，形成薄网胎，然后将同一种规格的碳纤维长丝束均匀的铺放至薄网胎上，并通过针刺将短纤维和碳纤维长丝束复合成连续的单向布；
2)按规格裁剪单向布，然后按照0°-90°交替铺层，或0°-45°-90°交替铺层方式将裁剪后的单向布层叠在一起，并通过针刺复合在一起，制成板材的预制体；
3)将板材的预制体浸胶，胶为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或沥青，然后通过平板压机热压成板材；
4)将压制完成的板材850-1100℃的温度下炭化20小时；
5)将炭化完成的板材进行增密；
6)将密度达到要求的板材放入高温炉进行高温处理，从而达到去应力，排出杂质的目的；所述高温炉的高温处理温度大于板材的使用温度，高温处理温度为1850-2400℃；
7)将经过高温处理的板材进行机械加工，在厚度方向加工成梯形。
一种碳碳加热器的制造方法，包括加热体，所述加热体的截面为矩形，相同规格的碳纤维长丝束由密到疏分布在加热体内构成发热功率渐变的发热区域；
所述加热体的制造方法，包括如下步骤：
1)将碳纤维切成长度为30-90mm的短纤维，通过开松、梳理成网，形成薄网胎，然后将同一种规格的碳纤维长丝束由密到疏排列铺放至薄网胎上，并通过针刺将短纤维和碳纤维长丝束复合成连续的单向布；
2)按规格裁剪单向布，然后按照0°-90°交替铺层，或0°-45°-90°交替铺层方式将裁剪后的单向布层叠在一起，并通过针刺复合在一起，制成板材的预制体；
3)将板材的预制体浸胶，胶为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或沥青，然后通过平板压机热压成板材；
4)将压制完成的板材850-1100℃的温度下炭化20小时；
5)将炭化完成的板材进行增密；
6)将密度达到要求的板材放入高温炉进行高温处理，从而达到去应力，排出杂质的目的；所述高温炉的高温处理温度大于板材的使用温度，高温处理温度为1850-2400℃；
7)将高温处理完成的板材进行机械加工成平板。
一种碳碳加热器的制造方法，包括加热体，所述加热体的截面为矩形，不同规格的碳纤维长丝束分布在加热体内构成发热功率渐变的发热区域；
所述加热体的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将碳纤维切成长度为30-90mm的短纤维，通过开松、梳理成网，形成薄网胎，然后将若干种不同规格的碳纤维长丝束排列铺放至薄网胎上，并通过针刺将短纤维和碳纤维长丝束复合成连续的单向布；
2)按规格裁剪单向布，然后按照0°-90°交替铺层，或0°-45°-90°交替铺层方式将裁剪后的单向布层叠在一起，并通过针刺复合在一起，制成板材的预制体；
3)将板材的预制体浸胶，胶为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或沥青，然后通过平板压机热压成板材；
4)将压制完成的板材850-1100℃的温度下炭化20小时；
5)将炭化完成的板材进行增密；
6)将密度达到要求的板材放入高温炉进行高温处理，从而达到去应力，排出杂质的目的；所述高温炉的高温处理温度大于板材的使用温度，高温处理温度为1850-2400℃；
7)将高温处理完成的板材进行机械加工成平板。
进一步的，所述步骤5)中的增密方法为如下三种之一：
a：将经过炭化的板材放入高压浸渍炉，通过加压，将酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或者沥青浸入板材内部，浸渍压力为1.5-8MPa，然后将浸渍完成的板材进行炭化，炭化完成后再次进行浸渍-炭化，重复上述过程，直至板材的密度大于1.5g/cm3，炭化温度为850-1100℃；
在多次的炭化过程中加入一次高温炭化处理，高温炭化处理的温度为1500℃以上，其用于提高及开孔率和减少浸渍次数；
b：将经过炭化的板材放入CVD气相沉积炉，通过高温裂解天然气，使碳沉积在板材的孔隙中，从而提高板材的密度；重复上述过程，直至板材的密度大于1.5g/cm3，炭化温度为850-1100℃，沉积温度为900-1300℃；
c:结合a和b两种方式，先做一个或两个周期的气相沉积，然后再做几个周期的浸渍炭化增密，直至板材的密度大于1.5g/cm3。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过坯体结构及产品机加工设计，提供了一种沿纵向电阻(加热功率)递变的铸锭炉侧部碳/碳加热器，不涉及炉体改造等较大工程量设计，铸锭过程长晶阶段工艺参数精准控制，对设备精度及人工规范性要求都比较小，同时验证周期也相对较短，是一种低成本、高效率、针对性解决铸锭过程中纵向温度差问题、有效提升晶硅成品率的措施。
附图说明
图1为现有常规的碳碳侧部加热器示意图。
图2为本发明所述的实施例1加热体的示意图。
图3为本发明所述的实施例3加热体的碳纤维长丝束的分布示意图。
图4为本发明所述的实施例3加热体的碳纤维长丝束的分布示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，目前常规侧部碳碳加热器为平板状，整个面上两点间的电阻率相同，所以通电后整个面的发热功率基本相同。常规碳碳材料的电阻率约为2-3.5x10-5Ω*M，通常一面侧部加热器的总电阻为14-20mΩ。
参见图2、图3和图4，本发明所述的一种碳碳加热器及其制造工艺，通过以下两种实现加热体电阻的梯度分布和碳碳加热器的发热功率渐变功能。
1)常规无纬平面织物与网胎逐层交叠铺层，通过针刺成型获得碳碳加热器预制体，经后续增密、高温处理后，再进行厚度加工，自上而下，加热器端面呈梯形状，从而实现碳/碳加热器自上而下每个点的电阻不同，随着截面积的增加逐渐降低，通过电流增大，加热功率增大。
2)自研无纬平面织物与网胎逐层交叠铺层，过针刺成型获得碳碳加热器预制体，经后续碳化、增密、高温处理后制得碳/碳加热器。其中自研无纬平面织物包括两种：其一由3K、6K、12K、24K的碳丝按一定顺序、比例和数量排布于一定克重的网胎上；另一种由12K的碳丝，按一定疏密设计，排布于一定克重的网胎上，通过针刺复合制得。预制体针刺成型时，无纬平面织物按固定的方向铺层，从而得到自上而下的长纤维数量由疏到密分布的预制体，最终得到沿纵向电阻及加热功率递变的碳/碳加热器。
实施例1
一种碳碳加热器的制造方法，包括加热体，所述加热体的截面为梯形，相同规格的碳纤维长丝束均匀分布在加热体内构成发热功率渐变的发热区域。
一种碳碳加热器的制造方法的制造工艺，包括如下步骤：
1)将碳纤维切成长度为30-90mm的短纤维，通过开松、梳理成网，形成薄网胎，然后将同一种规格的碳纤维长丝束均匀的铺放至薄网胎上，并通过针刺将短纤维和碳纤维长丝束复合成连续的单向布；
2)按规格裁剪单向布，然后按照0°-90°交替铺层，或0°-45°-90°交替铺层方式将裁剪后的单向布层叠在一起，并通过针刺复合在一起，制成板材的预制体；
3)将板材的预制体浸胶，胶为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或沥青，然后通过平板压机热压成板材；
4)将压制完成的板材850-1100℃的温度下炭化20小时；
5)将炭化完成的板材进行增密；
6)将密度达到要求的板材放入高温炉进行高温处理，从而达到去应力，排出杂质的目的；所述高温炉的高温处理温度大于板材的使用温度，高温处理温度为1850-2400℃；
7)将经过高温处理的板材进行机械加工，在厚度方向加工成梯形。
一种碳碳加热器的制造方法，包括加热体，所述加热体的截面为矩形，相同规格的碳纤维长丝束由密到疏分布在加热体内构成发热功率渐变的发热区域。
实施例2
一种碳碳加热器的制造方法，包括如下步骤：
1)将碳纤维切成长度为30-90mm的短纤维，通过开松、梳理成网，形成薄网胎，然后将同一种规格的碳纤维长丝束由密到疏排列铺放至薄网胎上，并通过针刺将短纤维和碳纤维长丝束复合成连续的单向布；
2)按规格裁剪单向布，然后按照0°-90°交替铺层，或0°-45°-90°交替铺层方式将裁剪后的单向布层叠在一起，并通过针刺复合在一起，制成板材的预制体；
3)将板材的预制体浸胶，胶为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或沥青，然后通过平板压机热压成板材；
4)将压制完成的板材850-1100℃的温度下炭化20小时；
5)将炭化完成的板材进行增密；
6)将密度达到要求的板材放入高温炉进行高温处理，从而达到去应力，排出杂质的目的；所述高温炉的高温处理温度大于板材的使用温度，高温处理温度为1850-2400℃；
7)将高温处理完成的板材进行机械加工成平板。
一种碳碳加热器的制造方法，包括加热体，所述加热体的截面为矩形，不同规格的碳纤维长丝束分布在加热体内构成发热功率渐变的发热区域。
实施例3
一种碳碳加热器的制造方法，包括如下步骤：
1)将碳纤维切成长度为30-90mm的短纤维，通过开松、梳理成网，形成薄网胎，然后将若干种不同规格的碳纤维长丝束排列铺放至薄网胎上，并通过针刺将短纤维和碳纤维长丝束复合成连续的单向布；
2)按规格裁剪单向布，然后按照0°-90°交替铺层，或0°-45°-90°交替铺层方式将裁剪后的单向布层叠在一起，并通过针刺复合在一起，制成板材的预制体；
3)将板材的预制体浸胶，胶为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或沥青，然后通过平板压机热压成板材；
4)将压制完成的板材850-1100℃的温度下炭化20小时；
5)将炭化完成的板材进行增密；
6)将密度达到要求的板材放入高温炉进行高温处理，从而达到去应力，排出杂质的目的；所述高温炉的高温处理温度大于板材的使用温度，高温处理温度为1850-2400℃；
7)将高温处理完成的板材进行机械加工成平板。
进一步的，所述步骤5)中的增密方法为如下三种之一：
a：将经过炭化的板材放入高压浸渍炉，通过加压，将酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或者沥青浸入板材内部，浸渍压力为1.5-8MPa，然后将浸渍完成的板材进行炭化，炭化完成后再次进行浸渍-炭化，重复上述过程，直至板材的密度大于1.5g/cm3，炭化温度为850-1100℃；
在多次的炭化过程中可加入一次高温炭化处理，高温炭化处理的温度为1500℃以上，其用于提高及开孔率和减少浸渍次数；
b：将经过炭化的板材放入CVD气相沉积炉，通过高温裂解天然气，使碳沉积在板材的孔隙中，从而提高板材的密度；重复上述过程，直至板材的密度大于1.5g/cm3，炭化温度为850-1100℃，沉积温度为900-1300℃；
c:结合a和b两种方式，可以先做一个或两个周期的气相沉积，然后再做几个周期的浸渍炭化增密，直至板材的密度大于1.5g/cm3。
本发明通过上述三个实施例均可实现同一块板状加热体发热功率变化的效果，实施例1的方法生产简单，生产的材料本身电阻率相同，只需要通过机械加工即可达到要求，但是由于厚度的差异，导致加热体使用过程中存在较大的应力和热膨胀差异，使板材变形，对使用寿命有一定的影响。实施例2和3通过对材料本身的电阻率设计，以达到同一块板状加热体发热功率变化的效果，生产过程复杂，成本较高，但是可以提升使用寿命。
本发明中生产具有电阻率渐变的板材预制体为核心最大创新点，关键点即通过两种方式生产电阻渐变的板状碳碳加热体。整个增密过程为行业常用工艺。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种碳碳加热器的制造方法，包括加热体，其特征在于，所述加热体的截面为梯形，相同规格的碳纤维长丝束均匀分布在加热体内构成发热功率渐变的发热区域；
所述加热体的制造方法，包括如下步骤：
1)将碳纤维切成长度为30-90mm的短纤维，通过开松、梳理成网，形成薄网胎，然后将同一种规格的碳纤维长丝束均匀的铺放至薄网胎上，并通过针刺将短纤维和碳纤维长丝束复合成连续的单向布；
2)按规格裁剪单向布，然后按照0°-90°交替铺层，或0°-45°-90°交替铺层方式将裁剪后的单向布层叠在一起，并通过针刺复合在一起，制成板材的预制体；
3)将板材的预制体浸胶，胶为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或沥青，然后通过平板压机热压成板材；
4)将压制完成的板材850-1100℃的温度下炭化20小时；
5)将炭化完成的板材进行增密；
6)将密度达到要求的板材放入高温炉进行高温处理，从而达到去应力，排出杂质的目的；所述高温炉的高温处理温度大于板材的使用温度，高温处理温度为1850-2400℃；
7)将经过高温处理的板材进行机械加工，在厚度方向加工成梯形。
2.一种碳碳加热器的制造方法，包括加热体，其特征在于，所述加热体的截面为矩形，相同规格的碳纤维长丝束由密到疏分布在加热体内构成发热功率渐变的发热区域；
所述加热体的制造方法，包括如下步骤：
1)将碳纤维切成长度为30-90mm的短纤维，通过开松、梳理成网，形成薄网胎，然后将同一种规格的碳纤维长丝束由密到疏排列铺放至薄网胎上，并通过针刺将短纤维和碳纤维长丝束复合成连续的单向布；
2)按规格裁剪单向布，然后按照0°-90°交替铺层，或0°-45°-90°交替铺层方式将裁剪后的单向布层叠在一起，并通过针刺复合在一起，制成板材的预制体；
3)将板材的预制体浸胶，胶为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或沥青，然后通过平板压机热压成板材；
4)将压制完成的板材850-1100℃的温度下炭化20小时；
5)将炭化完成的板材进行增密；
6)将密度达到要求的板材放入高温炉进行高温处理，从而达到去应力，排出杂质的目的；所述高温炉的高温处理温度大于板材的使用温度，高温处理温度为1850-2400℃；
7)将高温处理完成的板材进行机械加工成平板。
3.一种碳碳加热器的制造方法，包括加热体，其特征在于，所述加热体的截面为矩形，不同规格的碳纤维长丝束分布在加热体内构成发热功率渐变的发热区域；
所述加热体的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将碳纤维切成长度为30-90mm的短纤维，通过开松、梳理成网，形成薄网胎，然后将若干种不同规格的碳纤维长丝束排列铺放至薄网胎上，并通过针刺将短纤维和碳纤维长丝束复合成连续的单向布；
2)按规格裁剪单向布，然后按照0°-90°交替铺层，或0°-45°-90°交替铺层方式将裁剪后的单向布层叠在一起，并通过针刺复合在一起，制成板材的预制体；
3)将板材的预制体浸胶，胶为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或沥青，然后通过平板压机热压成板材；
4)将压制完成的板材850-1100℃的温度下炭化20小时；
5)将炭化完成的板材进行增密；
6)将密度达到要求的板材放入高温炉进行高温处理，从而达到去应力，排出杂质的目的；所述高温炉的高温处理温度大于板材的使用温度，高温处理温度为1850-2400℃；
7)将高温处理完成的板材进行机械加工成平板。
4.根据权利要求1或2或3所述的碳碳加热器的制造方法，其特征在于，所述步骤5)中的增密方法为如下三种之一：
a：将经过炭化的板材放入高压浸渍炉，通过加压，将酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂或者沥青浸入板材内部，浸渍压力为1.5-8MPa，然后将浸渍完成的板材进行炭化，炭化完成后再次进行浸渍-炭化，重复上述过程，直至板材的密度大于1.5g/cm3，炭化温度为850-1100℃；
在多次的炭化过程中加入一次高温炭化处理，高温炭化处理的温度为1500℃以上，其用于提高开孔率和减少浸渍次数；
b：将经过炭化的板材放入CVD气相沉积炉，通过高温裂解天然气，使碳沉积在板材的孔隙中，从而提高板材的密度；重复上述过程，直至板材的密度大于1.5g/cm3，炭化温度为850-1100℃，沉积温度为900-1300℃；
c:结合a和b两种方式，先做一个或两个周期的气相沉积，然后再做几个周期的浸渍炭化增密，直至板材的密度大于1.5g/cm3。
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