CN111893419A - 一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒，包括炭/炭复合材料保温筒以及覆盖在炭/炭复合材料保温筒表面的碳化硅/硅涂层，碳化硅/硅涂层由碳化硅涂层和覆盖在碳化硅涂层上的硅涂层组成；本发明还公开了一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的制备方法，该方法将增密后的炭纤维预制体机械加工成炭/炭复合材料保温筒，然后采用等离子喷涂法在其表面喷涂制备碳化硅/硅涂层，得到具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒。本发明通过设置碳化硅/硅涂层，有效避免了硅蒸汽的硅化腐蚀；本发明的方法提高了碳化硅/硅涂层与炭/炭保温筒基体的结合强度，降低了碳化硅/硅涂层的孔隙率，大幅度提高了炭/炭保温筒的使用寿命。

Description

一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒及其制备方法
技术领域
本发明属于单晶硅拉制炉用热场部件技术领域，具体涉及一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒及其制备方法。
背景技术
随着单晶硅在太阳能光伏行业的应用越来越广泛，炭/炭复合材料作为直拉单晶硅炉重要的热场材料也得到迅速发展。保温筒作为单晶硅热场系统的关键元件之一，主要作用是减少热量损失并控制热场环境的温度梯度，同时作为单晶硅炉内壁保温层支撑件，但由于单晶硅炉中硅料的熔融可能会产生硅蒸汽和熔融硅飞溅，硅蒸汽腐蚀导致保温筒掉渣和开裂，最终导致保温筒失效。所以，对直拉单晶硅炉内炭/炭热场材料的抗氧化防护和抗硅化腐蚀防护显得尤为必要，其中涂层技术是必要的选择。
专利201210230677.5公开了一种炭/炭/碳化硅复合材料保温筒及制备方法，通过采用化学气相沉积法对炭纤维预制体进行热解炭和碳化硅交替增密或混合增密后，再经机械加工、纯化及化学气相沉积碳化硅涂层制备而成，此方法可有效抑制硅蒸汽对炭/炭/碳化硅复合材料芯部炭纤维的侵蚀。专利201120125364.4公开了一种“三明治”结构的复合材料保温筒，通过化学气相沉积法在保温筒内表面制备热解炭涂层，保证了热场的纯度。但采用化学气相沉积法制备热解炭涂层或碳化硅涂层的工艺过程复杂、生产成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒。本发明通过在炭/炭复合材料保温筒的表面设置由碳化硅涂层和硅涂层组成的碳化硅/硅涂层，有效保护了保温筒表面，避免了硅蒸汽对保温筒表面的硅化腐蚀，同时提高了保温筒表面的抗氧化性能，延长了保温筒的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒，其特征在于，包括炭/炭复合材料保温筒以及覆盖在炭/炭复合材料保温筒表面的碳化硅/硅涂层，所述碳化硅/硅涂层由碳化硅涂层和覆盖在碳化硅涂层上的硅涂层组成。
本发明的具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒通过在炭/炭复合材料保温筒的表面设置由碳化硅涂层和硅涂层组成的碳化硅/硅涂层，有效保护了保温筒表面，避免了硅蒸汽对保温筒表面的硅化腐蚀，同时提高了保温筒表面的抗氧化性能，延长了保温筒的使用寿命。
上述的一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒，其特征在于，所述碳化硅涂层的厚度为10μm～50μm，所述硅涂层的厚度为100μm～500μm。该优选厚度的碳化硅涂层和硅涂层不仅避免了保温筒表面的硅化腐蚀，且有效发挥了保温筒的控制热场环境温度的作用。
另外，本发明还提供了一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将密度为0.20g/cm3～0.50g/cm3的炭纤维预制体增密至密度为1.0g/cm3～1.30g/cm3；
步骤二、对步骤一经增密后的炭纤维预制体进行机械加工，得到炭/炭复合材料保温筒；
步骤三、将步骤二中得到的炭/炭复合材料保温筒进行表面净化得到炭/炭保温筒基体，然后将炭/炭保温筒基体固定，以高纯硅为原料，采用等离子喷涂法在炭/炭保温筒基体的表面进行喷涂制备碳化硅/硅涂层，得到具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒；所述高纯硅的质量纯度为99.99％～99.9999％，高纯硅的粒度为10μm～300μm，所述喷涂采用氩气为保护气体，氢气为防氧化气体，且氩气流量为30slpm～70slpm，氢气流量为2slpm～20slpm，喷涂采用的等离子弧的功率为10kW～80kW，电压为50V～100V，电流为200A～800A，喷涂的过程中采用转盘式送粉器进行送粉，转盘式送粉器的转速为1r/min～10r/min，送粉的速率为10g/min～50g/min，喷涂距离为10mm～100mm。
本发明采用等离子喷涂法在炭/炭保温筒基体表面喷涂制备碳化硅/硅涂层，利用等离子喷涂法的等离子焰流速度高的优点，使得高纯硅粉体微粒获得较大的动能，以高速喷向炭/炭保温筒基体表面并牢固附着在其表面并与基体发生反应生成碳化硅涂层，当碳化硅涂层完全覆盖炭/炭保温筒基体表面后，高纯硅粉体微粒在碳化硅涂层上附着形成硅涂层，得到致密的碳化硅/硅涂层，提高了碳化硅/硅涂层与炭/炭保温筒基体的结合强度，降低了碳化硅/硅涂层的孔隙率，从而改善了具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的表面质量，有效抑制了硅料熔融后生成的含硅蒸汽对炭/炭保温筒表面的侵蚀，大幅度提高了炭/炭保温筒的使用寿命。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述增密的具体过程为：
步骤101、将炭纤维预制体放置于化学气相沉积炉中，采用碳源气体进行1～2次化学气相沉积；
步骤102、将步骤101中经化学气相沉积后的炭纤维预制体放置于浸渍炉中采用糠酮树脂和/或酚醛树脂进行压力浸渍，然后放置于炭化炉中进行炭化；
步骤103、重复步骤102中的压力浸渍工艺和炭化工艺，直至炭纤维预制体增密至密度为1.0g/cm3～1.30g/cm3。
上述的方法，其特征在于，步骤101中所述碳源气体为丙烯和/或天然气，碳源气体的流量为20L/min～100L/min，化学气相沉积的温度为900℃～1100℃，保温时间为30h～60h。
上述的方法，其特征在于，步骤102中所述压力浸渍的压力为1.0MPa～2.5MPa，保压时间为0.5h～5h。
上述的方法，其特征在于，步骤102中所述炭化的温度为900℃～1000℃，保温时间为2h～5h。
上述的方法，其特征在于，步骤103中所述重复的次数为1～3次。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过在炭/炭复合材料保温筒的表面设置由碳化硅涂层和硅涂层组成的碳化硅/硅涂层，有效保护了保温筒表面，避免了硅蒸汽对保温筒表面的硅化腐蚀，同时提高了保温筒表面的抗氧化性能，延长了保温筒的使用寿命。
2、本发明采用等离子喷涂法在炭/炭保温筒基体表面喷涂制备碳化硅/硅涂层，提高了碳化硅/硅涂层与炭/炭保温筒基体的结合强度，降低了碳化硅/硅涂层的孔隙率，从而改善了具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的表面质量，有效抑制了硅料熔融后生成的含硅蒸汽对炭/炭保温筒表面的侵蚀，大幅度提高了炭/炭保温筒的使用寿命。
3、相较于传统的化学气相沉积法(CVD法)制备碳化硅涂层或者热解炭涂层，本发明的等离子喷涂法大大缩短了具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的制备周期，进一步降低了产品制造成本。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的结构示意图。
附图标记说明:
1—炭/炭复合材料保温筒； 2—碳化硅/硅涂层。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒包括炭/炭复合材料保温筒1以及覆盖在炭/炭复合材料保温筒1表面的碳化硅/硅涂层2，所述碳化硅/硅涂层2由碳化硅涂层和覆盖在碳化硅涂层上的硅涂层组成，所述碳化硅涂层的厚度为10μm，硅涂层的厚度为100μm。
本实施例的具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的制备方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物的形状和性能要求，采用常规方法利用炭纤维、炭布和网胎制成密度为0.20g/cm3的炭纤维预制体，然后增密至密度为1.0g/cm3；所述增密的具体过程为：
步骤101、将炭纤维预制体放置于化学气相沉积炉中，采用丙烯作为碳源气体进行2次化学气相沉积；所述丙烯的流量为20L/min，化学气相沉积的温度为900℃，保温时间为30h；
步骤102、将步骤101中经2次化学气相沉积后的炭纤维预制体放置于浸渍炉中采用糠酮树脂进行压力浸渍，然后放置于炭化炉中进行炭化；所述压力浸渍的压力为1.0MPa，保压时间为0.5h；所述炭化的温度为900℃，保温时间为2h；
步骤103、重复1次步骤102中的压力浸渍工艺和炭化工艺，直至炭纤维预制体增密至密度为1.0g/cm3；
步骤二、对步骤一经增密后的密度为1.0g/cm3的炭纤维预制体进行机械加工，得到炭/炭复合材料保温筒；
步骤三、将步骤二中得到的炭/炭复合材料保温筒进行表面净化得到炭/炭保温筒基体，将炭/炭保温筒基体固定，以高纯硅为原料，采用等离子喷涂法在炭/炭保温筒基体的表面进行喷涂制备碳化硅/硅涂层，得到具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒；所述高纯硅的质量纯度为99.99％，高纯硅的粒度为300μm，所述喷涂采用氩气为保护气体，氢气为防氧化气体，且氩气流量为30slpm，氢气流量为2slpm，喷涂采用的等离子弧的功率为10kW，电压为50V，电流为200A，喷涂的过程中采用转盘式送粉器进行送粉，转盘式送粉器的转速为1r/min，送粉的速率为10g/min，喷涂距离为100mm。
本实施例步骤101中的碳源气体还可为天然气，或者为丙烯与天然气的混合气体，步骤102中还可采用酚醛树脂进行压力浸渍，或者采用糠酮树脂和酚醛树脂共同进行压力浸渍。
实施例2
如图1所示，本实施例的具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒包括炭/炭复合材料保温筒1以及覆盖在炭/炭复合材料保温筒1表面的碳化硅/硅涂层2，所述碳化硅/硅涂层2由碳化硅涂层和覆盖在碳化硅涂层上的硅涂层组成，所述碳化硅涂层的厚度为30μm，硅涂层的厚度为300μm。
本实施例的具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的制备方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物的形状和性能要求，采用常规方法利用炭纤维、炭布和网胎制成密度为0.30g/cm3的炭纤维预制体，然后增密至密度为1.20g/cm3；所述增密的具体过程为：
步骤101、将炭纤维预制体放置于化学气相沉积炉中，采用丙烯作为碳源气体进行2次化学气相沉积；所述丙烯的流量为60L/min，化学气相沉积的温度为1000℃，保温时间为40h；
步骤102、将步骤101中经2次化学气相沉积后的炭纤维预制体放置于浸渍炉中采用糠酮树脂进行压力浸渍，然后放置于炭化炉中进行炭化；所述压力浸渍的压力为1.5MPa，保压时间为2.5h；所述炭化的温度为950℃，保温时间为3h；
步骤103、重复2次步骤102中的压力浸渍工艺和炭化工艺，直至炭纤维预制体增密至密度为1.20g/cm3；
步骤二、对步骤一经增密后的密度为1.20g/cm3的炭纤维预制体进行机械加工，得到炭/炭复合材料保温筒；
步骤三、将步骤二中得到的炭/炭复合材料保温筒进行表面净化得到炭/炭保温筒基体，将炭/炭保温筒基体固定，以高纯硅为原料，采用等离子喷涂法在炭/炭保温筒基体的表面进行喷涂制备碳化硅/硅涂层，得到具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒；所述高纯硅的质量纯度为99.999％，高纯硅的粒度为150μm，所述喷涂采用氩气为保护气体，氢气为防氧化气体，且氩气流量为50slpm，氢气流量为10slpm，喷涂采用的等离子弧的功率为40kW，电压为80V，电流为500A，喷涂的过程中采用转盘式送粉器进行送粉，转盘式送粉器的转速为5r/min，送粉的速率为30g/min，喷涂距离为50mm。
本实施例步骤101中的碳源气体还可为天然气，或者为丙烯与天然气的混合气体，步骤102中还可采用酚醛树脂进行压力浸渍，或者采用糠酮树脂和酚醛树脂共同进行压力浸渍。
实施例3
如图1所示，本实施例的具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒包括炭/炭复合材料保温筒1以及覆盖在炭/炭复合材料保温筒1表面的碳化硅/硅涂层2，所述碳化硅/硅涂层2由碳化硅涂层和覆盖在碳化硅涂层上的硅涂层组成，所述碳化硅涂层的厚度为50μm，硅涂层的厚度为500μm。
本实施例的具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的制备方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物的形状和性能要求，采用常规方法利用炭纤维、炭布和网胎制成密度为0.50g/cm3的炭纤维预制体，然后增密至密度为1.30g/cm3；所述增密的具体过程为：
步骤101、将炭纤维预制体放置于化学气相沉积炉中，采用丙烯作为碳源气体进行2次化学气相沉积；所述丙烯的流量为100L/min，化学气相沉积的温度为1100℃，保温时间为60h；
步骤102、将步骤101中经2次化学气相沉积后的炭纤维预制体放置于浸渍炉中采用糠酮树脂进行压力浸渍，然后放置于炭化炉中进行炭化；所述压力浸渍的压力为2.5MPa，保压时间为5h；所述炭化的温度为1000℃，保温时间为5h；
步骤103、重复3次步骤102中的压力浸渍工艺和炭化工艺，直至炭纤维预制体增密至密度为1.30g/cm3；
步骤二、对步骤一经增密后的密度为1.30g/cm3的炭纤维预制体进行机械加工，得到炭/炭复合材料保温筒；
步骤三、将步骤二中得到的炭/炭复合材料保温筒进行表面净化得到炭/炭保温筒基体，将炭/炭保温筒基体固定，以高纯硅为原料，采用等离子喷涂法在炭/炭保温筒基体的表面进行喷涂制备碳化硅/硅涂层，得到具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒；所述高纯硅的质量纯度为99.9999％，高纯硅的粒度为10μm，所述喷涂采用氩气为保护气体，氢气为防氧化气体，且氩气流量为70slpm，氢气流量为20slpm，喷涂采用的等离子弧的功率为80kW，电压为100V，电流为800A，喷涂的过程中采用转盘式送粉器进行送粉，转盘式送粉器的转速为10r/min，送粉的速率为50g/min，喷涂距离为10mm。
本实施例步骤101中的碳源气体还可为天然气，或者为丙烯与天然气的混合气体，步骤102中还可采用酚醛树脂进行压力浸渍，或者采用糠酮树脂和酚醛树脂共同进行压力浸渍。
对本发明具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒与现有技术中热解炭涂层炭/炭保温筒的平均使用寿命和平均制备周期进行统计分析，结果见表1。
表1
Figure BDA0002601019160000081
Figure BDA0002601019160000091
从表1可以看出，本发明的具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的平均使用寿命较现有技术大大延长，且涂层平均制备周期显著缩短，说明采用等离子喷涂法制备的碳化硅/硅涂层改善了炭/炭保温筒的表面质量，有效抑制了硅料熔融后生成的含硅蒸汽对炭/炭保温筒表面的侵蚀，单炉次损耗明显降低，大幅度提高了炭/炭保温筒的使用寿命，缩短了制备周期，进一步降低了产品制造成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒，其特征在于，包括炭/炭复合材料保温筒以及覆盖在炭/炭复合材料保温筒表面的碳化硅/硅涂层，所述碳化硅/硅涂层由碳化硅涂层和覆盖在碳化硅涂层上的硅涂层组成。
2.根据权利要求1所述的一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒，其特征在于，所述碳化硅涂层的厚度为10μm～50μm，所述硅涂层的厚度为100μm～500μm。
3.一种制备如权利要求1或2中所述的具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将密度为0.20g/cm3～0.50g/cm3的炭纤维预制体增密至密度为1.0g/cm3～1.30g/cm3；
步骤二、对步骤一经增密后的炭纤维预制体进行机械加工，得到炭/炭复合材料保温筒；
步骤三、将步骤二中得到的炭/炭复合材料保温筒进行表面净化得到炭/炭保温筒基体，然后将炭/炭保温筒基体固定，以高纯硅为原料，采用等离子喷涂法在炭/炭保温筒基体的表面进行喷涂制备碳化硅/硅涂层，得到具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒；所述高纯硅的质量纯度为99.99％～99.9999％，高纯硅的粒度为10μm～300μm，所述喷涂采用氩气为保护气体，氢气为防氧化气体，且氩气流量为30slpm～70slpm，氢气流量为2slpm～20slpm，喷涂采用的等离子弧的功率为10kW～80kW，电压为50V～100V，电流为200A～800A，喷涂的过程中采用转盘式送粉器进行送粉，转盘式送粉器的转速为1r/min～10r/min，送粉的速率为10g/min～50g/min，喷涂距离为10mm～100mm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述增密的具体过程为：
步骤101、将炭纤维预制体放置于化学气相沉积炉中，采用碳源气体进行1～2次化学气相沉积；
步骤102、将步骤101中经化学气相沉积后的炭纤维预制体放置于浸渍炉中采用糠酮树脂和/或酚醛树脂进行压力浸渍，然后放置于炭化炉中进行炭化；
步骤103、重复步骤102中的压力浸渍工艺和炭化工艺，直至炭纤维预制体增密至密度为1.0g/cm3～1.30g/cm3。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤101中所述碳源气体为丙烯和/或天然气，碳源气体的流量为20L/min～100L/min，化学气相沉积的温度为900℃～1100℃，保温时间为30h～60h。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤102中所述压力浸渍的压力为1.0MPa～2.5MPa，保压时间为0.5h～5h。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤102中所述炭化的温度为900℃～1000℃，保温时间为2h～5h。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤103中所述重复的次数为1～3次。
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