CN113073381B - 一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚 - Google Patents
一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113073381B CN113073381B CN202110322512.XA CN202110322512A CN113073381B CN 113073381 B CN113073381 B CN 113073381B CN 202110322512 A CN202110322512 A CN 202110322512A CN 113073381 B CN113073381 B CN 113073381B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- crucible
- carbon
- silicon
- layer
- composite material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 160
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 59
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 58
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 58
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 55
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 94
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 271
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 233
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 46
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 46
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 39
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 39
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 claims description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 7
- 238000002468 ceramisation Methods 0.000 claims description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 5
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims description 4
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 claims description 4
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 claims description 4
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 claims description 4
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 4
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 3
- 239000007849 furan resin Substances 0.000 claims description 3
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 27
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 7
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 abstract 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 114
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 17
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000003279 ceramming Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 2
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 2
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003925 SiC 1 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)
Abstract
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/硅复合陶瓷层的坩埚。所述坩埚包括炭/炭复合材料构成的坩埚以及附着于炭/炭复合材料坩埚内外表面的碳化硅/硅复合陶瓷层，或所述坩埚包括炭/炭复合材料构成的坩埚以及附着于炭/炭复合材料坩埚内表面的碳化硅/硅复合陶瓷层，所述碳化硅/硅复合陶瓷层是由碳化硅和硅彼此镶嵌混合而组成。本发明通过制备工艺与坩埚结构的优化匹配；得到了性能优良、使用寿命长久的产品。本发明制备工艺可控，便于大规模工业化应用。
Description
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/ 硅复合陶瓷层的坩埚。
背景技术：
近年来，随着化石能源的枯竭以及人们对于节能环保的要求，国家大力提倡发展光伏行业，而单晶硅太阳能电池片在当前的光伏技术领域中，属于技术最成熟的且光电转换效率相比较高，因此，目前市场对于单晶硅的需求量巨大。
而单晶硅的生产80％以上都采用的是CZ(Czochralski，简称CZ法)直拉法，也即：在单晶硅拉制炉中通过籽晶拉制成型而制备得到。而坩埚(又称导流筒) 作为单晶硅热场系统的关键原件之一，其主要用于控制热场的轴向温度梯度和引导氩气流。
单晶硅拉制炉所使用的坩埚最开始采用的是由石墨件和碳毡所形成的组合件，但考虑到该种组合件存在保温效果较差，使用寿命短，同时大尺寸石墨内/ 外壁成型困难等问题，同时，近年来随着碳纤维增强的新材料兴起，其具有耐高温，质量轻，强度高等优势，因此，目前单晶硅拉制炉所使用的坩埚材料逐步被炭/炭复合材料(碳纤维增强基体炭)所替代。然而，在实际进行单晶硅的拉制过程中，炉内会形成一定的硅蒸汽以及一些具有氧化性的SiO气体会对炭/炭复合材料坩埚中的碳纤维造成侵蚀，从而影响到坩埚的性能以及使用寿命。因此，对于炭/炭复合材料坩埚的抗硅化腐蚀以及抗氧化要求显得尤为重要。
为了提高炭/炭复合材料坩埚的抗硅化腐蚀以及抗氧化能力，专利 CN103553711A提出在炭/炭复合材料保温筒表面制备形成一层碳化硅涂层/硅涂层/氮化硅涂层的复合涂层，以达到有效抑制硅料熔融后生成的硅蒸汽对炭/炭保温筒表面的侵蚀，但采用化学气渗透法制备碳化硅的沉积效率低，工艺过程复杂，实际生产过程中成本较高；另外，也有专利CN111848201A提出采用等离子体喷涂法在炭/炭坩埚表面形成一种碳化硅涂层/硅涂层的炭/炭坩埚，以达到改善炭/ 炭坩埚的抗硅化腐蚀能力，从而达到提高坩埚的使用寿命，但考虑到坩埚本身的外形特点，采用等离子喷涂技术实现坩埚整个内外表面均匀的喷涂硅涂层难度大，且该技术方案制备形成的SiC涂层的厚度过薄，对于抑制硅蒸汽对炭/炭坩埚中碳纤维的侵蚀的能力有限。
另外，目前的单晶硅拉制炉在进行拉制单晶硅的过程中，都是将硅料置于石英坩埚内部，然后再将石英坩埚套于炭/炭复合材料坩埚中，考虑到单晶硅拉制的高温环境对石英坩埚造成的影响以及石英坩埚内部本身会残留一定的硅料，而硅料从液态变为固态的过程中，存在一定的体积膨胀，最终导致每次拉制完成后，都需敲碎旧石英坩埚并换上新的石英坩埚后方可进行下一炉的拉制，而本身用于生产石英坩埚的原料缺乏，以及人工合成生产石英坩埚的原料成本又太高，因此，最终造成当前单晶硅拉制炉生产出的单晶硅成本偏高。
发明内容：
针对以上问题，本发明提供一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚，其在满足应用于单晶硅拉制炉用的坩埚的力学强度要求及保温效果的同时，不但可以显著地提高炭/炭复合材料坩埚的抗硅化腐蚀及抗氧化能力，而且其可充当盛放硅料的坩埚，无须另外使用额外的石英坩埚用于盛放硅料；另外，本发明提出的制备工艺也相对简单，易实现大规划工业化生产。
本发明所采取的技术方案是：
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，所述坩埚包括炭/炭复合材料构成的坩埚以及附着于炭/炭复合材料坩埚内外表面的碳化硅/硅复合陶瓷层，
或
所述坩埚包括炭/炭复合材料构成的坩埚以及附着于炭/炭复合材料坩埚内表面的碳化硅/硅复合陶瓷层，
所述碳化硅/硅复合陶瓷层是由碳化硅和硅彼此镶嵌混合而组成；
所述具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚通过下述布置制备：
步骤1：碳纤维预制体的制备；
按炭/炭复合材料构成的坩埚的尺寸；选取碳纤维并编织成预制体；
步骤2：碳纤维预制体的增密；
将步骤1制备的密度为0.20g/cm3～0.60g/cm3的碳纤维预制体增密至密度为1.1g/cm3～1.4g/cm3；
步骤3：机加处理；
将步骤2增密完成后的炭/炭复合材料的表面进行机械打磨处理，获得一种炭/炭复合材料坩埚；
步骤4：全网胎层圆筒的制备；
按照炭/炭复合材料坩埚的外形尺寸要求，分别制备全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II，所述全网胎层坩埚I的大小与炭/炭复合材料坩埚的内壁大小一致，所述全网胎层坩埚II的大小与炭/炭复合材料坩埚的外壁大小一致；
步骤5：全网胎层坩埚与炭/炭复合材料坩埚的粘结；
使用SiO2含量为M的硅溶胶将炭/炭复合材料坩埚分别于全网胎层坩埚I以及全网胎层坩埚II进行粘结并形成一种内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体，然后将其处于室温为T，空气湿度为H的环境下静置t小时；
步骤6：全网胎层的陶瓷化；
采用纯硅粉对步骤5制备得到的内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体的全网胎层部分进行高温陶瓷化处理；
步骤7：机加处理
将经过步骤6处理后的内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体进行机加处理，最终可获得一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚。
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，所述碳化硅/硅复合陶瓷层中硅含量质量占比10％～40％，碳化硅含量质量占比60％～90％。
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，附着于炭/炭复合材料坩埚内表面的碳化硅/硅复合陶瓷层的厚度为0.5mm～2mm；
附着于炭/炭复合材料坩埚外表面的碳化硅/硅复合陶瓷层的厚度为0～2mm，优选0.05mm～2mm、更进一步优选为0.1～2mm。
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，所述步骤2中，碳纤维预制体增密的方式可选用CVI沉积方式增密或浸渍与CVI沉积两者结合的方式增密。
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，所述步骤3中，经过打磨处理后的炭/炭复合材料坩埚内外表面的粗糙度Ra≤1mm，优选0.2mm～0.8mm。
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，所述步骤4中，碳纤维网胎层的面密度为28g/m2～32g/m2，全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II的厚度为为 0.3～2.5mm、优选为0.3～2.5mm，进一步优选为0.7～2.2mm。
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，所述步骤5中，硅溶胶中的 SiO2的含量M为10wt％～35wt％、优选15wt％～30wt％；静置的室温T处于 20℃～45℃，静置的环境湿度H处于30～50RH％，静置的时间t为3小时～7小时。
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，所述步骤6中，硅粉的粒度为0.001～1mm，用于全网胎层坩埚I陶瓷化的硅粉用量是全网胎层坩埚I重量的 2.8～5倍，用于全网胎层坩埚II陶瓷化的硅粉用量是全网胎层坩埚II重量的2.8～5 倍。
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，步骤6中，先在容器的底部铺设一层硅粉；然后将步骤5所得内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体以开口朝上的方式放置于容器；然后再往步骤5所得粘结体的底部铺设一层硅粉；然后将石墨材质的块体放到粘结体内；再用石墨纸封住炭/炭复合材料构成的坩埚的顶部沿口；然后再往容器和粘结体内加入硅粉；最后进行高温陶瓷化处理。
本发明一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，所述步骤6中，高温陶瓷化过程中，真空度处于0～300Pa、优选为0.001～300Pa、进一步优选为100Pa～200Pa，升温速率处于≤250℃/h、优选100℃/h～200℃/h，高温陶瓷化处理温度处于 1450℃～1650℃，保温时间30min～90min，降温速率处于≤170℃/h，优选 50℃/h～150℃/h。
本发明由于采取以上技术方案，具有如下有益效果：
与现有技术相比，本发明所提出的一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚，具有以下几点优势：
其一：本发明首次采用先通过硅溶胶将全网胎层与炭/炭复合材料坩埚简单地粘结在一起，然后再对全网胎层进行高温陶瓷化处理，最终可在炭/炭复合材料坩埚表面形成一层致密的碳化硅/硅复合陶瓷层，其制备工艺简单，形成的碳化硅/硅复合陶瓷层可以有效地抑制硅料熔融后所形成的硅蒸汽对炭/炭复合材料保温筒的侵蚀，显著地提高了炭/炭复合材料保温筒的使用寿命，且碳化硅/硅复合陶瓷层的厚度可通过控制全网胎层的厚度来有效灵活地控制；
其二：本发明提出的一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚，可以直接充当盛放硅料的坩埚，也即：可以省掉单晶硅拉制炉中原有用于盛放硅料的石英坩埚，考虑目前单晶硅拉制炉所使用的石英坩埚都是一次性的，同时，用于生产单晶硅拉制炉用的石英坩埚的原料缺乏，而人工合成用于生产单晶硅拉制炉用的石英坩埚的原料成本过高，另外，每次更换石英坩埚的工作量相对较大，因此，本发明不但可以显著的降低单晶硅生产的成本，同时，也可以提高单晶硅生产的效率；
其三：本发明提出在炭/炭复合材料坩埚与全网胎层之间引入硅溶胶粘结剂，一方面，可以用于粘结全网胎层坩埚与炭/炭复合材料坩埚，起到一定的固定作用；另一方面，在高温陶瓷化过程中，炭/炭复合材料坩埚与全网胎层坩埚的粘结界面处可以发生原位化学反应，具体反应机理如下：首先，陶瓷化过程中硅与全网胎层碳纤维发生化学反应(①)，形成的SiC与界面处的SiO2继续发生化学反应(②)，此时形成的硅与炭/炭复合材料保温筒界面处的碳发生原位化学反应而形成SiC(③)，此时形成的SiC相比传统的化学气相沉积制备的SiC涂层，其与炭 /炭复合材料坩埚的结合强度要更高。
Si+C＝SiC ①
SiO2+2SiC＝3Si+2CO或SiO2+SiC+C＝2Si+2CO ②
Si+C＝SiC ③
附图说明：
图1为本发明的具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚结构示意图；
图2为本发明的带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体结构示意图；
图3为本发明的带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体的陶瓷化示意图；
标号说明：
11、碳化硅/硅复合陶瓷层I，12、炭/炭复合材料坩埚I，13、碳化硅/硅复合陶瓷层II；
21、全网胎层坩埚I，22、炭/炭复合材料坩埚II，23、全网胎层坩埚II；
31、石墨坩埚，32、石墨纸，33、石墨圆柱块，34、带全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体，35、硅粉I，36、硅粉II；
具体实施方式：
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明的一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，其包括炭/炭复合材料坩埚I(12)以及分别附着于其内外表面的碳化硅/硅复合陶瓷层I(11)和碳化硅/硅复合陶瓷层II(13)，其具体制备步骤如下所示：
步骤1，碳纤维预制体的制备
根据所需坩埚的形状及尺寸要求，采用常规碳纤维预制体整体毡的制备方法，将无纬布与网胎层交替堆叠，然后通过针刺的方式，制备得到密度为0.2g/cm3的碳纤维预制体；
步骤2，碳纤维预制体的增密
采用化学气相渗透(CVI)的方式，以丙烯作为化学气相沉积的气源，将步骤1获得的碳纤维预制体进行增密，将其增密至密度为1.1g/cm3的炭/炭复合材料；
步骤3，机加处理
将步骤2获取的炭/炭复合材料进行机械打磨处理，获得一种表面粗糙度Ra 为0.2mm的炭/炭复合材料；
步骤4，全网胎层圆筒的制备
按照所需炭/炭复合材料坩埚的外形尺寸要求，选取面密度为28g/m2的碳纤维网胎层，通过将碳纤维网胎层堆叠在一起，并采用针刺的方式以实现碳纤维网胎层的层与层之间的连接，分别制备全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II，其中，全网胎层坩埚I的大小与炭/炭复合材料坩埚的内壁大小一致，所述全网胎层圆筒II的大小与炭/炭复合材料坩埚的外壁大小一致；所述全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II的厚度0.7mm；
步骤5，全网胎层坩埚与炭/炭复合材料坩埚的粘结；
如图2所示，使用SiO2质量含量为15％的硅溶胶将炭/炭复合材料坩埚II(22) 分别与全网胎层坩埚I(21)、全网胎层坩埚II(23)进行粘结以形成一种内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体，然后将其处于室温为20℃，空气湿度为30RH％的环境中静置3小时；
步骤6，全网胎层陶瓷化
选用纯硅粉对步骤5制备得到的一种内外表面结合全网胎层的炭/炭复合材料坩埚的全网胎层部分进行高温陶瓷化处理，具体如图3所示，首先，先在石墨坩埚(31)容器里铺设一层硅粉，然后再将步骤5所得内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体(34)以开口朝上的方式放置于石墨坩埚(31)容器中；然后再往步骤5所得粘结体(34)的底部铺设一层硅粉；然后将石墨圆柱块 (33)放到粘结体(34)内；再用石墨纸封住炭/炭复合材料构成的坩埚的顶部沿口；然后再往粘结体(34)与石墨坩埚(31)之间的间隙和粘结体(34)与石墨圆柱块(33)之间的间隙加入硅粉，保证与粘结体(34)内外表面接触的硅粉用量分别为全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II重量的2.8倍，通过合理控制粘结体(34)与石墨坩埚(31)之间的间隙以及粘结体(34)与石墨圆柱块(33)之间的间隙，以保证所加入的硅粉均匀的与全网胎层接触，最后进行高温陶瓷化处理。其中，以上所用的硅粉粒度为0.8mm，高温陶瓷化的真空度为200Pa，温度为1450℃，保温时间为30min，其中，升温过程中，升温速率为200℃/h；降温过程中，降温速率为150℃/h；
步骤7，机加处理
将经过步骤6处理后的内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体的内外表面进行机加处理，最终可获得一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚。
对比例1
一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，其具体制备步骤如实施例1，所不同的是，对比例1中省略实施例1中步骤5引入硅溶胶，而直接将全网胎层坩埚 I及全网胎层坩埚II与炭/炭复合材料坩埚贴合在一起进行高温陶瓷化处理，其它制备条件与实施例1一致。
实施例2
步骤1，碳纤维预制体的制备
根据所需坩埚的形状及尺寸要求，采用常规碳纤维预制体整体毡的制备方法，将无纬布与网胎层交替堆叠，然后通过针刺的方式，制备得到密度为0.6g/cm3的碳纤维预制体；
步骤2，碳纤维预制体的增密
先采用浸渍呋喃树脂的方式，对碳纤维预制体进行浸渍-固化和碳化处理，然后再对其采用化学气相渗透(CVI)的方式，以丙烯作为化学气相沉积的气源，将步骤1获得的碳纤维预制体进行增密，将其增密至密度为1.4g/cm3的炭/炭复合材料；
步骤3，机加处理
将步骤2获取的炭/炭复合材料进行机械打磨处理，获得一种表面粗糙度Ra 为0.8mm的炭/炭复合材料；
步骤4，全网胎层圆筒的制备
按照所需炭/炭复合材料坩埚的外形尺寸要求，选取面密度为32g/m2的碳纤维网胎层，通过将碳纤维网胎层堆叠在一起，并采用针刺的方式以实现碳纤维网胎层的层与层之间的连接，分别制备全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II，其中，全网胎层坩埚I的大小与炭/炭复合材料坩埚的内壁大小一致，所述全网胎层圆筒II的大小与炭/炭复合材料坩埚的外壁大小一致；所述全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II的厚度2.2mm；
步骤5，全网胎层坩埚与炭/炭复合材料坩埚的粘结；
如图2所示，使用SiO2质量含量为30％的硅溶胶将炭/炭复合材料坩埚II(22) 分别与全网胎层坩埚I(21)、全网胎层坩埚II(23)进行粘结以形成一种内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体，然后将其处于室温为40℃，空气湿度为50RH％的环境中静置7小时；
步骤6，全网胎层陶瓷化
选用纯硅粉对步骤5制备得到的一种内外表面结合全网胎层的炭/炭复合材料坩埚的全网胎层部分进行高温陶瓷化处理，具体如图3所示，首先，先在石墨坩埚(31)容器里铺设一层硅粉，然后再将步骤5所得内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体(34)以开口朝上的方式放置于石墨坩埚(31)容器中；然后再往步骤5所得粘结体(34)的底部铺设一层硅粉；然后将石墨圆柱块 (33)放到粘结体(34)内；再用石墨纸封住炭/炭复合材料构成的坩埚的顶部沿口；然后再往粘结体(34)与石墨坩埚(31)之间的间隙和粘结体(34)与石墨圆柱块(33)之间的间隙加入硅粉，保证与粘结体(34)内外表面接触的硅粉用量分别为全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II重量的5倍，通过合理控制粘结体(34)与石墨坩埚(31)之间的间隙以及粘结体(34)与石墨圆柱块(33)之间的间隙，以保证所加入的硅粉均匀的与全网胎层接触，最后进行高温陶瓷化处理。其中，以上所用的硅粉粒度为0.2mm，高温陶瓷化的真空度为100Pa，温度为 1650℃，保温时间为90min，其中，升温过程中，升温速率为100℃/h；降温过程中，降温速率为50℃/h；
步骤7，机加处理
将经过步骤6处理后的内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体的内外表面进行机加处理，最终可获得一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚。
对比例2
一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，其具体制备步骤如实施例2，所不同的是，对比例2中省略实施例2中步骤4和步骤5，而直接对炭/炭复合材料坩埚内外表面进行高温陶瓷化处理，其它制备条件与实施例1一致。
实施例3
步骤1，碳纤维预制体的制备
根据所需坩埚的形状及尺寸要求，采用常规碳纤维预制体整体毡的制备方法，将无纬布与网胎层交替堆叠，然后通过针刺的方式，制备得到密度为0.4g/cm3的碳纤维预制体；
步骤2，碳纤维预制体的增密
先采用浸渍呋喃树脂的方式，对碳纤维预制体进行浸渍-固化和碳化处理，然后再对其采用化学气相渗透(CVI)的方式，以丙烯作为化学气相沉积的气源，将步骤1获得的碳纤维预制体进行增密，将其增密至密度为1.25g/cm3的炭/炭复合材料；
步骤3，机加处理
将步骤2获取的炭/炭复合材料进行机械打磨处理，获得一种表面粗糙度Ra 为0.5mm的炭/炭复合材料；
步骤4，全网胎层圆筒的制备
按照所需炭/炭复合材料坩埚的外形尺寸要求，选取面密度为30g/m2的碳纤维网胎层，通过将碳纤维网胎层堆叠在一起，并采用针刺的方式以实现碳纤维网胎层的层与层之间的连接，分别制备全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II，其中，全网胎层坩埚I的大小与炭/炭复合材料坩埚的内壁大小一致，所述全网胎层圆筒II的大小与炭/炭复合材料坩埚的外壁大小一致；所述全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II的厚度1.2mm；
步骤5，全网胎层坩埚与炭/炭复合材料坩埚的粘结；
如图2所示，使用SiO2质量含量为22％的硅溶胶将炭/炭复合材料坩埚II(22) 分别与全网胎层坩埚I(21)、全网胎层坩埚II(23)进行粘结以形成一种内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体，然后将其处于室温为30℃，空气湿度为40RH％的环境中静置5小时；
步骤6，全网胎层陶瓷化
选用纯硅粉对步骤5制备得到的一种内外表面结合全网胎层的炭/炭复合材料坩埚的全网胎层部分进行高温陶瓷化处理，具体如图3所示，首先，先在石墨坩埚(31)容器里铺设一层硅粉，然后再将步骤5所得内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体(34)以开口朝上的方式放置于石墨坩埚(31)容器中；然后再往步骤5所得粘结体(34)的底部铺设一层硅粉；然后将石墨圆柱块 (33)放到粘结体(34)内；再用石墨纸封住炭/炭复合材料构成的坩埚的顶部沿口；然后再往粘结体(34)与石墨坩埚(31)之间的间隙和粘结体(34)与石墨圆柱块(33)之间的间隙加入硅粉，保证与粘结体(34)内外表面接触的硅粉用量分别为全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II重量的3.8倍，通过合理控制粘结体(34)与石墨坩埚(31)之间的间隙以及粘结体(34)与石墨圆柱块(33)之间的间隙，以保证所加入的硅粉均匀的与全网胎层接触，最后进行高温陶瓷化处理。其中，以上所用的硅粉粒度为0.5mm，高温陶瓷化的真空度为150Pa，温度为1550℃，保温时间为60min，其中，升温过程中，升温速率为150℃/h；降温过程中，降温速率为100℃/h；
步骤7，机加处理
将经过步骤6处理后的内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体的内外表面进行机加处理，最终可获得一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚。
对以上实施例以及对比例当作所获得的具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚进行力学性能测试分析(陶瓷化后的炭/炭复合材料部分的拉伸强度以及碳化硅/硅复合陶瓷层与炭/炭复合材料坩埚之间的剪切强度)以及其既作为导流筒又作为盛放硅料的坩埚的条件下对其平均使用寿命进行统计分析，所获得的试验结果如下表1所示：
表1
| 拉伸强度(MPa) | 剪切强度(MPa) | 平均使用寿命(月) | |
| 实施例1 | 60.3 | 22.5 | 9 |
| 对比例1 | 59.7 | 12.4 | 5 |
| 实施例2 | 106.3 | 21.7 | 15 |
| 对比例2 | 87.7 | / | 3 |
| 实施例3 | 85.2 | 23.4 | 12 |
从表1中可以发现，碳化硅/硅复合陶瓷层可以显著提高炭/炭复合材料保温筒的平均使用寿命，从实施例2和对比例2可以看出，相比于不含有碳化硅/硅复合陶瓷层的炭/炭复合材料保温筒，具有碳化硅/硅复合陶瓷层的炭/炭复合材料保温筒的平均使用寿命可提高5倍左右；同时，本发明提出在全网胎层与炭/ 炭复合材料保温筒之间引入硅溶胶层，可以改善碳化硅/硅复合陶瓷层与炭/炭复合材料保温筒之间的粘结强度，从而可以达到提高碳化硅/硅复合陶瓷层的使用寿命。目前正常情况下，单晶硅拉制炉一个工作流程下来需要1个月左右，每个工作流程下来需要耗费一个石英坩埚(5000元左右/个)，而应用于单晶硅拉制炉的炭/炭复合材料坩埚的平均使用寿命处于5～8个月，也即：按照目前炭/炭复合材料坩埚的最高使用寿命8个月计算，在每个炭/炭复合材料坩埚的生命周期内，共需消耗8个石英坩埚(共计至少4万元)。此时，从表中可以看出，具有碳化硅/硅复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚的使用寿命至少可达9个月以上，也即：在满足单晶硅拉制炉的使用要求前提下，可以省掉至少9个石英坩埚的费用，因此，本发明提出的具有碳化硅/硅复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚可以较大程度的降低单晶硅生产的成本费用。
以上内容对本发明所述的一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚进行了具体描述，其可以应用于单晶硅拉制炉热场领域等，但是本发明不受以上描述的具体实施方式内容的局限，所以凡依据本发明的技术要点进行的任何改进、等同修改和替换等，均属于本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚，其特征在于：所述坩埚通过下述步骤制备：
步骤1，碳纤维预制体的制备
根据所需坩埚的形状及尺寸要求，采用常规碳纤维预制体整体毡的制备方法，将无纬布与网胎层交替堆叠，然后通过针刺的方式，制备得到密度为0.6g/cm3的碳纤维预制体；
步骤2，碳纤维预制体的增密
先采用浸渍呋喃树脂的方式，对碳纤维预制体进行浸渍-固化和碳化处理，然后再对其采用化学气相渗透的方式，以丙烯作为化学气相沉积的气源，将步骤1获得的碳纤维预制体进行增密，将其增密至密度为1.4g/cm3的炭/炭复合材料；
步骤3，机加处理
将步骤2获取的炭/炭复合材料进行机械打磨处理，获得一种表面粗糙度Ra为0.8mm的炭/炭复合材料；
步骤4，全网胎层圆筒的制备
按照所需炭/炭复合材料坩埚的外形尺寸要求，选取面密度为32g/m2的碳纤维网胎层，通过将碳纤维网胎层堆叠在一起，并采用针刺的方式以实现碳纤维网胎层的层与层之间的连接，分别制备全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II，其中，全网胎层坩埚I的大小与炭/炭复合材料坩埚的内壁大小一致，所述全网胎层圆筒II的大小与炭/炭复合材料坩埚的外壁大小一致；所述全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II的厚度2.2mm；
步骤5，全网胎层坩埚与炭/炭复合材料坩埚的粘结；
使用SiO2质量含量为30%的硅溶胶将炭/炭复合材料坩埚II（22）分别与全网胎层坩埚I（21）、全网胎层坩埚II（23）进行粘结以形成一种内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体，然后将其处于室温为40℃，空气湿度为50RH%的环境中静置7小时；
步骤6，全网胎层陶瓷化
选用纯硅粉对步骤5制备得到的一种内外表面结合全网胎层的炭/炭复合材料坩埚的全网胎层部分进行高温陶瓷化处理，首先，先在石墨坩埚（31）容器里铺设一层硅粉，然后再将步骤5所得内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体（34）以开口朝上的方式放置于石墨坩埚（31）容器中；然后再往步骤5所得粘结体（34）的底部铺设一层硅粉；然后将石墨圆柱块（33）放到粘结体（34）内；再用石墨纸封住炭/炭复合材料构成的坩埚的顶部沿口；然后再往粘结体（34）与石墨坩埚（31）之间的间隙和粘结体（34）与石墨圆柱块（33）之间的间隙加入硅粉，保证与粘结体（34）内外表面接触的硅粉用量分别为全网胎层坩埚I与全网胎层坩埚II重量的5倍，通过合理控制粘结体（34）与石墨坩埚（31）之间的间隙以及粘结体（34）与石墨圆柱块（33）之间的间隙，以保证所加入的硅粉均匀的与全网胎层接触，最后进行高温陶瓷化处理；其中，以上所用的硅粉粒度为0.2mm，高温陶瓷化的真空度为100Pa，温度为1650℃，保温时间为90min，其中，升温过程中，升温速率为100℃/h；降温过程中，降温速率为50℃/h；
步骤7，机加处理
将经过步骤6处理后的内外表面带有全网胎层的炭/炭复合材料坩埚粘结体的内外表面进行机加处理，最终可获得一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110322512.XA CN113073381B (zh) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | 一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110322512.XA CN113073381B (zh) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | 一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113073381A CN113073381A (zh) | 2021-07-06 |
| CN113073381B true CN113073381B (zh) | 2022-10-04 |
Family
ID=76610289
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110322512.XA Active CN113073381B (zh) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | 一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113073381B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115094514B (zh) * | 2022-08-15 | 2023-09-19 | 湖南泰坦未来科技有限公司 | 一种复合材料坩埚及其制备方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101319353B (zh) * | 2008-05-20 | 2010-06-16 | 湖南金博复合材料科技有限公司 | 炭/炭复合材料坩埚及其生产工艺 |
| CN101786906A (zh) * | 2009-12-14 | 2010-07-28 | 西北工业大学 | C/C复合材料表面防氧化SiC/mullite-Si-Al2O3复合涂层的制备方法 |
| CN202643896U (zh) * | 2012-05-26 | 2013-01-02 | 保定顺天新材料股份有限公司 | 一种炭/炭复合材料坩埚 |
| CN102731119B (zh) * | 2012-07-05 | 2013-10-02 | 湖南金博复合材料科技有限公司 | 碳/碳/碳化硅复合材料坩埚及制备方法 |
| CN103288468A (zh) * | 2013-05-14 | 2013-09-11 | 大连理工大学 | 一种纤维增强碳-碳化硅-碳化锆基复合材料的制备方法 |
| CN103553711B (zh) * | 2013-09-27 | 2015-05-27 | 西安超码科技有限公司 | 一种复合涂层炭/炭复合材料坩埚及其制备方法 |
| CN111848201B (zh) * | 2020-07-24 | 2022-09-02 | 西安超码科技有限公司 | 一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭坩埚及其制备方法 |
-
2021
- 2021-03-25 CN CN202110322512.XA patent/CN113073381B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113073381A (zh) | 2021-07-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110105075B (zh) | 高纯碳纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法 | |
| CN113149686B (zh) | 一种具有复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚及其制备方法 | |
| CN101698975A (zh) | 炭纳米管对炭化后的预氧丝预制体界面的改性方法 | |
| CN110483086B (zh) | 一种碳陶刹车盘的制备方法 | |
| CN111038022B (zh) | 工业真空炉用防腐蚀复合保温盖毡及其制备方法 | |
| CN102093083B (zh) | 炭/炭复合材料HfC抗烧蚀涂层的制备方法 | |
| CN111170754B (zh) | 一种具有Si-Y-C三元陶瓷基体复合材料及制备方法 | |
| CN103724042B (zh) | 一种叠层混杂防热复合结构材料的制备方法 | |
| CN110357635A (zh) | 一种提高碳基或陶瓷基复合材料表面抗氧化涂层结合强度的方法 | |
| CN102126859A (zh) | 一种制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法 | |
| CN113073381B (zh) | 一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚 | |
| CN113698222B (zh) | 发动机活塞用Cf/C-SiC复合材料及其制备方法 | |
| CN111072399A (zh) | 一种直拉单晶硅炉用碳化硅涂层的碳/碳加热器 | |
| CN107759251A (zh) | 一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法 | |
| CN115368155B (zh) | 一种直拉硅单晶用复合材料坩埚的制备方法及应用 | |
| CN112694347A (zh) | 一种具有碳化硅涂层的炭炭复合材料坩埚及制备方法 | |
| CN111848202A (zh) | 一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭导流筒及其制备方法 | |
| CN106966749A (zh) | 一种用Ti3Si(Al)C2改性热结构复合材料的方法 | |
| CN109456063B (zh) | 一种单晶硅拉制炉的CF/Si3N4复合材料埚帮及其制备方法 | |
| CN213446876U (zh) | 一种表面具有碳化硅涂层的碳纤维板材 | |
| CN115894085B (zh) | 一种复合陶瓷涂层材料及其制备方法和应用 | |
| CN115677380B (zh) | 一种热场保温件复合陶瓷涂层的制备方法 | |
| CN114368975B (zh) | 一种含有α-Al2O3涂层的低密度C/C-SiC复合材料坩埚 | |
| CN114014676B (zh) | 一种石英纤维/炭纤维增强炭基复合材料保温桶及其制备方法 | |
| CN114455963B (zh) | 一种含有α-Al2O3涂层的炭/炭-碳化硅复合材料坩埚 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |