CN112195509A - 整体螺旋编织坩埚预制体及以其制成的涂层坩埚 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种整体螺旋编织坩埚预制体，所述坩埚预制体由一根或多根碳纤维绳螺旋编织而成的网状体，所述坩埚为上端开口下端网状镂空编织。本申请的坩埚采用一根碳纤维绳或多根碳纤维绳编织而成，不需要针刺预制体，节省工时；采用直的碳纤维绳编织，不需要制作胚体，其形状的可塑性强，不受胚体的限制，可以灵活设计，批量生产缩短交货周期，材料加工浪费少。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅或多晶硅的制造过程中的一种碳纤维复合材料的应用，具体涉及一种采用碳纤维复合材料编织制作的整体螺旋编织坩埚预制体及以其制成的涂层坩埚。
背景技术
在单晶硅的制作中，目前普遍采用直拉法(CZ法)，就是沿着垂直方向从熔体中拉制单晶的方法。在制造设备中，有一个部件是石墨坩埚，它是用来承载内部的石英坩埚的。在使用过程中，由于石英坩埚和石墨坩埚的膨胀系数不同，而且硅蒸汽与石墨会产生侵蚀反应的原因，存在石墨坩埚龟裂、侵蚀失强等问题。而且，随着单晶硅生长的晶体直径越来越粗，相应的单晶炉的直径也越做越大，这样对热场的可靠性也要求越来越高。由于石墨坩埚强度的局限性，直径越大那么其壁厚要求也越大，所以重量很重，而且热容很高，导致操作笨重，耗能增加，成本提高。
作为不使用大尺寸石墨坩埚的技术，已经有申请人提出了包括通过长丝卷绕法使碳纤维成形为坩埚形状、用树脂或沥青作为基质将其浸渍、然后进行烧制以制造由碳/碳纤维复合材(以下称为C/C复合材)制成的坩埚的技术，以及包括将碳纤维布贴附在成形模上、进行成型和固化以获得碳纤维强化型塑料、然后浸渍并烧制以制造由C/C复合材制成的坩埚的技术。。。等等。例如专利号200910118210.X公开了一种中空网状体的坩埚保持部件，利用多根绳股编织，形成网状体的坩埚保持部件；但是这些编织形成的坩埚，都必须经过加入粘结剂、高温碳化、气相沉积的加工步骤，非常浪费时间，但是这些坩埚的边缘都没有做加强处理，而且没有表面涂层处理，这样在使用过程中，坩埚的边缘部分非常容易腐蚀，导致强度不够。
因此，现有技术的坩埚还有提升的地方。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料编织的整体螺旋编织坩埚预制体及以其制成的涂层坩埚，以解决现有技术的问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种整体螺旋编织坩埚预制体，所述坩埚预制体由一根或多根碳纤维绳螺旋编织而成的网状体，所述坩埚为上端开口下端网状镂空编织。
依照本申请较佳实施所述的整体螺旋编织坩埚预制体，所述坩埚预制体包括一埚体部；所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体，所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述碗底体为网状镂空编织。
依照本申请较佳实施所述的整体螺旋编织坩埚预制体，所述坩埚预制体包括：上封边部和埚体部，所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体；所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述上封边部和埚体部以一根或多根碳纤维绳编织连接；所述碗底体为网状镂空编织。
一种整体螺旋编织的涂层坩埚，所述坩埚由一根或多根碳纤维绳螺旋编织而成的网状体，所述坩埚为上端开口下端网状镂空编织，碳纤维表面和之间包覆或填充沉积碳层或硬化物质层。
依照本申请较佳实施所述的整体螺旋编织的涂层坩埚，所述坩埚包括一埚体部；所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体，所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述碗底体为网状镂空编织。
依照本申请较佳实施所述的整体螺旋编织的涂层坩埚，所述坩埚包括：上封边部和埚体部，所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体；所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述上封边部和埚体部以一根或多根碳纤维绳编织连接；所述碗底体为网状镂空编织。
依照本申请较佳实施所述的整体编织的涂层坩埚，所述碗底体网状镂空编织的网状体包括一部分从圆心向外放射的一根或多根碳纤维绳以及一部分环绕成圆形的一根或多根碳纤维绳，从圆心向外放射的一根或多根碳纤维绳一时间在环绕成圆形的一根或多根碳纤维绳的上方，一时间在环绕成圆形的一根或多根碳纤维绳的下方交叉连接呈网状镂空。
依照本申请较佳实施所述的整体编织的涂层坩埚，所述碗底体网状镂空编织的网状体包括第一群碳纤维绳和第二群碳纤维绳；组成所述第一群碳纤维绳的碳纤维绳方向一致，组成所述第二群碳纤维绳的碳纤维绳方向一致；所述第一群碳纤维绳一时间在所述第二群碳纤维绳的上方，一时间在所述第二群碳纤维绳的下方交叉连接呈网状镂空。
依照本申请较佳实施所述的整体编织的涂层坩埚，所述碗底体网状镂空编织的网状体包括至少二群碳纤维绳；第一群所述碳纤维绳中心交差编织从圆心向外成放射状，第二群碳纤维绳环绕第一群碳纤维绳连接呈密实状，从圆心向外放射的第一群碳纤维绳一时间在环绕成圆形的第二群碳纤维绳的上方，一时间在环绕成圆形的第二群碳纤维绳的下方交叉连接呈网状镂空。
由于采用了以上的技术特征，使得本发明相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果：
第一、本申请的坩埚采用直的碳纤维绳编织，不需要制作胚体，其形状的可塑性强，不受胚体的限制，可以灵活设计，批量生产缩短交货周期，材料加工浪费少；
第二、本申请的坩埚，表面做过表面处理，可以有效减少腐蚀，延长寿命；
第三、本申请的坩埚，由于是采用连续纤维制作，所有具有一定的韧性，可以随着石英坩埚的膨胀和收缩做适当的形变，不会产生和传统坩埚一样的內裂，有利于自身寿命的延长；
第四、采用薄壁和镂空的设计，可以使得红外辐射热量更快速的传递到硅料上，加快硅的融化，可以有效缩短化料的时间，从而节约工时和成本；
第五、采用编织坩埚无需后机加工，可以大大节约原材料的使用，从而降低制造成本；
第六、采用编织坩埚质量减重60％以上，可以减少热容，缩短升降温时间，节约能耗。
当然，实施本发明内容的任何一个具体实施例，并不一定同时具有以上全部的技术效果。
附图说明
图1为本申请坩埚示意图；
图2为碳纤维编织管示意图；
图3为编织示意图之一；
图4为编织示意图之二；
图5为编织示意图之三；
图6为编织示意图之四；
图7为本申请另外一种编织结构示意图；
图8为碗底体一种结构示意图；
图9为图8另外一种角度示意图；
图10为碗底体另一种结构示意图；
图11为碗底体又一种结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件等。
本申请的核心思想在于，制作一种坩埚，有效的提高和超越传统坩埚的寿命，所述坩埚首先需要用纤维编织成预制体，所述预制体是指没有增密硬化前的编织体，然后经过增密处理得到硬化的坩埚。增密硬化包括气相沉积、液相沉积、烧结等过程，此为公知技术，不在此赘述。这种坩埚可以根据实际的设计要求灵活设计其结构，而不需要重新制作胚体，能够有效节约成本和缩短交货期，同时能够批量生产。
以下结合附图，具体说明本申请。请参见图1，一种整体螺旋编织坩埚，图示仅是在示意用并不是用来限制本申请，所述坩埚应用于单晶硅或多晶硅的制造过程中的一种碳纤维复合材料的应用领域，所述坩埚由一根或多根碳纤维绳编织而成的网状体，所述坩埚为上端开口下端网状镂空编织。如上所述，所述坩埚首先需要用纤维编织成预制体，也就是本申请说的整体螺旋编织坩埚预制体,以下说明中简称坩埚预制体。
所述坩埚预制体由一根或多根碳纤维绳编织而成的网状体，所述坩埚预制体为上端开口下端网状镂空编织。以此所述坩埚预制体制成的一种整体螺旋编织的涂层坩埚，所述坩埚由一根或多根碳纤维绳编织而成的网状体，所述坩埚为上端开口下端网状镂空编织，碳纤维表面(碳纤维绳硬化后的表面称碳纤维表面)和之间包覆或填充沉积碳层或硬化物质层，所述硬化物质可以是碳化硅、氮化硅或其他陶瓷等等。
此外，所述坩埚预制体包括一埚体部；所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体，所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述碗底体为网状镂空编织。
另外一种实施例是，所述坩埚预制体包括：上封边部和埚体部，所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体；所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述上封边部和埚体部以一根或多根碳纤维绳编织连接；所述碗底体为网状镂空编织。
以下说明本申请的坩埚，所述坩埚包括：上封边部11和埚体部，所述埚体部通过将一根或多根碳纤维绳30编织成相对于中心轴斜向对齐而形成，所述埚体部包括直筒体121、碗状体122和碗底体123。所述碳纤维绳30的每一根均包含多根碳纤维纱线，绳子的中心为平行于绳子轴心的碳纤维纱线，平行于轴心的碳纤维纱线外面包覆碳纤维编织管40，如图2所示。
所述上封边部11为环形体，由一根或多根所述碳纤维绳30编织而成，所述上封边部11的编织方法和埚体部的编织方法不同；所述埚体部的一种编织方式为：所述埚体部包括多数根轴向条，所述直筒体121和碗状体122的网状体由一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述碗底体为网状镂空编织。
请参考图7，所述埚体部的又一种编织方式为：本申请的直筒体121和碗状体122的另外一种实施例，所述坩埚包括一埚体部；所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体，所述直筒体和碗状体包括多数根轴向条50，一根或多根所述碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述碗底体为网状镂空编织。
在此实施例中，如图7所示，所述坩埚没有上封边部，因为在螺旋编织下开口处已经得到了支撑，不会溃散所以有没有上封边部都可以，所述直筒体和碗状体的垂直向的轴向条50加强了坩埚高度方向的支撑强度，水平向的螺旋编织的埚邦周向强度增大，上下直径更精确，采用螺旋编织，编织更简单，减少了制作时间，大大降低材料成本和使用成本，所谓的螺旋是一种像螺线及螺丝的扭纹曲线。
所述轴向条50为碳碳棒、石墨棒、高温陶瓷棒、高温金属棒、碳纤维绳其中的一种。所述直筒体121和碗状体122的网状体能够确保高强度，因为碳纤维绳30和碳纤维绳30之间以编织物状彼此交织，并且能够牢固地保持甚至是具有大重量的石英坩埚。此外，在实施方式中，碳纤维绳30和碳纤维绳30相对于网状体的中心轴斜向对齐，而不是沿垂直于中心轴的方向对齐，因而得到圆周方向的刚性较低的结构。鉴于此，即使由于上述的原因而导致在使得沿圆周方向膨胀的力作用于坩埚时，由碳纤维绳30和碳纤维绳30形成的格子扭曲，由此网状体能够沿圆周方向变大，从而能够吸收圆周方向的膨胀。因此，不可能发生碳纤维的断裂，形状不会在很大程度上丧失，所以坩埚具有优异的形状稳定性。
此外，在网状体中，碳纤维绳30和碳纤维绳30相对于中心轴的倾斜角度可适当变化，这取决于坩埚各部分所需的刚性。通过改变倾斜角度可以调节网状体的圆周方向的刚性，因此圆周方向的刚性可以对应于用途或者根据网状体的各部分改变。
碳纤维绳30各自通过使约数万根碳纤维成束形成。作为构成碳纤维绳30的碳纤维，可以使用沥青基碳纤维、PAN基碳纤维、黏胶基碳纤维等。构成碳纤维绳30的碳纤维可以为相同材料或不同材料。
所述上封边部11的编织方式为针织或机织，请参考图3、图4、图5和图6所示，为上封边部11的各种编织方式，通过将一根或多根碳纤维绳30编织形成。
下面说明一下所述碗底体123，第一种实施例，如图8和图9所示，所述碗底体123的网状体包括一部分从圆心向外放射的一根或多根碳纤维绳以及一部分环绕成圆形的一根或多根碳纤维绳，两部分碳纤维绳交叉时，从圆心向外放射的一根或多根碳纤维绳一时间在环绕成圆形的一根或多根碳纤维绳的上方，一时间在环绕成圆形的一根或多根碳纤维绳的下方交叉连接呈网状镂空。此处所说的网状镂空，指的是碳纤维绳彼此不是一直靠在一起的状态，刻意留下空隙。
请参考图10，第二种实施例，所述碗底体123的网状体包括第一群碳纤维绳和第二群碳纤维绳；组成所述第一群碳纤维绳的碳纤维绳方向一致，组成所述第二群碳纤维绳的碳纤维绳方向一致；所述第一群碳纤维绳一时间在所述第二群碳纤维绳的上方，一时间在所述第二群碳纤维绳的下方交叉连接呈网状镂空。此处所说的网状镂空，指的是碳纤维绳彼此不是一直靠在一起的状态，刻意留下空隙。
另外一种实施例来看，如图11所示，所述碗底体123的网状体包括至少二群碳纤维绳；所述至少二群碳纤维绳编织连接呈密实状。此处所说的密实状，指的是碳纤维绳彼此靠在一起的状态，不刻意留下空隙。如图所示，所述碗底体123的网状体包括至少二群碳纤维绳；第一群所述碳纤维绳中心交差编织从圆心向外成放射状，第二群碳纤维绳环绕第一群碳纤维绳连接呈密实状，从圆心向外放射的第一群碳纤维绳一时间在环绕成圆形的第二群碳纤维绳的上方，一时间在环绕成圆形的第二群碳纤维绳的下方交叉连接呈网状镂空。此处所说的网状镂空，指的是碳纤维绳彼此不是一直靠在一起的状态，刻意留下空隙。
如上所述，所述碗底体123的网状体的三种形状，但是不能用来限制本申请，只要是以编织方式形成的，都应该是本申请的保护范围。
综上所述，在螺旋编织方式下，由于轴向条的存在，在封边的要求上，可以有上封边也可以没有。
与现有技术的坩埚相比，本申请的坩埚采用碳纤维复合材料的碳纤维绳30编织，不需要制作胚体，坩埚的形状不受胚体的限制，可以灵活设计，由于原料规格统一，可以批量生产，而且生产效率大大提高，同时在坩埚制作过程中工时大大缩短，所以成本较低，交货周期短，易于供应。
综上所述，由于采用了以上的技术特征，使得本发明相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果：
第一、本申请的坩埚采用直的碳纤维绳编织，不需要制作胚体，其形状的可塑性强，不受胚体的限制，可以灵活设计，批量生产缩短交货周期，材料加工浪费少；
第二、本申请的坩埚，表面做过表面处理，可以有效减少腐蚀，延长寿命；
第三、本申请的坩埚，由于是采用连续纤维制作，所有具有一定的韧性，可以随着石英坩埚的膨胀和收缩做适当的形变，不会产生和传统坩埚一样的內裂，有利于自身寿命的延长；
第四、采用薄壁和镂空的设计，可以使得红外辐射热量更快速的传递到硅料上，加快硅的融化，可以有效缩短化料的时间，从而节约工时和成本；
第五、采用编织坩埚无需后机加工，可以大大节约原材料的使用，从而降低制造成本；
第六、采用编织坩埚质量减重60％以上，可以减少热容，缩短升降温时间，节约能耗。
发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。以上公开的仅仅是本发明的较佳实施例，但并非用来限制其本身，任何熟习本领域的技术人员在不违背本发明精神内涵的情况下，所做的均等变化和更动，均应落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种整体螺旋编织坩埚预制体，其特征在于，所述坩埚预制体由一根或多根碳纤维绳螺旋编织而成的网状体，所述坩埚为上端开口下端网状镂空编织。
2.如权利要求1所述的整体螺旋编织坩埚预制体，其特征在于，所述坩埚预制体包括一埚体部；所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体，所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述碗底体为网状镂空编织。
3.如权利要求1所述的整体螺旋编织坩埚预制体，其特征在于，所述坩埚预制体包括：上封边部和埚体部，所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体；所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述上封边部和埚体部以一根或多根碳纤维绳编织连接；所述碗底体为网状镂空编织。
4.一种整体螺旋编织的涂层坩埚，其特征在于，所述坩埚由一根或多根碳纤维绳螺旋编织而成的网状体，所述坩埚为上端开口下端网状镂空编织，碳纤维表面和之间包覆或填充沉积碳层或硬化物质层。
5.如权利要求4所述的整体螺旋编织的涂层坩埚，其特征在于，所述坩埚包括一埚体部；所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体，所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述碗底体为网状镂空编织。
6.如权利要求4所述的整体螺旋编织的涂层坩埚，其特征在于，所述坩埚包括：上封边部和埚体部，所述埚体部包括直筒体、碗状体和碗底体；所述埚体部包括多数根轴向条，一根或多根碳纤维绳绕所述轴向条螺旋编织，所述轴向条与所述碳纤维绳螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，所述上封边部和埚体部以一根或多根碳纤维绳编织连接；所述碗底体为网状镂空编织。
7.如权利要求5或6所述的整体螺旋编织的涂层坩埚，其特征在于，所述碗底体网状镂空编织的网状体包括一部分从圆心向外放射的一根或多根碳纤维绳以及一部分环绕成圆形的一根或多根碳纤维绳，从圆心向外放射的一根或多根碳纤维绳一时间在环绕成圆形的一根或多根碳纤维绳的上方，一时间在环绕成圆形的一根或多根碳纤维绳的下方交叉连接呈网状镂空。
8.如权利要求5或6所述的整体螺旋编织的涂层坩埚，其特征在于，所述碗底体网状镂空编织的网状体包括第一群碳纤维绳和第二群碳纤维绳；组成所述第一群碳纤维绳的碳纤维绳方向一致，组成所述第二群碳纤维绳的碳纤维绳方向一致；所述第一群碳纤维绳一时间在所述第二群碳纤维绳的上方，一时间在所述第二群碳纤维绳的下方交叉连接呈网状镂空。
9.如权利要求5或6所述的整体螺旋编织的涂层坩埚，其特征在于，所述碗底体网状镂空编织的网状体包括至少二群碳纤维绳；第一群所述碳纤维绳中心交差编织从圆心向外成放射状，第二群碳纤维绳环绕第一群碳纤维绳连接呈密实状，从圆心向外放射的第一群碳纤维绳一时间在环绕成圆形的第二群碳纤维绳的上方，一时间在环绕成圆形的第二群碳纤维绳的下方交叉连接呈网状镂空。
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