CN114197060A - 一种碳碳复合材料整体埚托、直筒埚邦及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳碳复合材料整体埚托、直筒埚邦及其制备方法，整体埚托包括厚度最厚的埚托盘底部分和四周向上翻的外延，整体结构从埚托盘底中心部分到四周，逐步变薄，向上翻部分最薄，并设计有凹凸槽以跟对应的直筒埚邦形成组合。本发明的制备方法充分利用结构合理化后，两种碳碳件所需厚度和力学性能要求不一样的特点，选择不同的长纤维丝密缠增强方式及后续制备方式，令力学性能要求高，易于损耗的部分得到加强，力学性能要求低，不易损耗的部分则化繁为简，使得总的埚邦，埚托系统使用性能得到提高，总体制备成本更低，同时两种性能密度要求不同的结构件也更有利于排产。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳碳复合材料整体埚托、直筒埚邦及其制备方法。
背景技术
目前在单晶硅的制备过程中,需要用到碳/碳复合材料的坩埚等产品，碳/碳坩埚其作为受力件，单晶硅制备热场中的主要损耗材料，使用寿命的长短，直接影响单炉次的运行成本和设备的安全隐患。随着光伏行业本身对成本效益比的追求，硅片尺寸是不断增大的，与之相配套的单晶设备，碳碳及石墨热场的尺寸也在不断增大，这就为这些材料的制备带来了新的难点。以最近几年为例，这种热场件的增大基本保持了每年4英寸的速度，在这种情况下，传统意义上仍在使用的石墨热场件继续被替代，整个单晶炉内的热场愈发向纯碳碳复合材料的方向发展。这种情况下，一些原有的结构构建方式就显得不再合理。
以埚托，埚邦这两大件为例，由厚度较高，形状类似于盘状的埚托，直筒部分与R角部分为主要结构的埚邦组成。就力学分布而言，埚托主要承重，拉晶时还向炉子内部的硅料部分提供扭转的力，因此力学性能要求高，厚度较厚。R角埚邦的主要目的则是要将内部软化后的石英束缚在原区域内，所以直筒壁主要受到由内向外的压力，R角部分不但受到压力还受到重力作用。相比较而言，这些部分，对力学性能要求由低到高排列分别为，埚邦直筒部分，埚邦R角部分，埚托部分，相比而言后两者在厚度和力学强度要求上更为接近。并且，由于碳碳复合材料特殊的制备方法，纤维预制体在制备过程中必须要在边沿留有大量余量，最终切除浪费，这点埚邦R角边沿部分，埚托边沿部分尤其浪费严重。很显然，原有的R角埚邦+埚托结构，不但力学分布不合理，而且成本高昂。
描述现有R角埚邦的结构的专利有《一种大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法》(申请号：201210420408.4)，描述现有埚托结构的专利有《一种低成本制备碳/碳分体式结构埚托的方法》(申请号：202111364001.0)。这两种热场件都是使用了针刺的网胎碳布铺层预制体，在制备初期，使用特殊形状的木模进行内部固定，交替铺层，针刺，并在层间加入部分缠绕丝。预制体制备完成后使用沉积作为主要的增密手段。专利中的R角坩埚及传统的带R角埚邦，由于R角位置的厚度及力学要求跟直筒位置差距甚远，故不得不在铺层时通过大量人工对R角位置进行补充铺层，在长纤维缠绕环节，则不得不使用环向缠绕，米字缠绕等多种缠绕方式，制备工艺繁琐。且在化学气相沉积增密过程中，为照顾R角部分与直筒部分的一致性，不得不在沉积方式上进行特殊调整，同样工艺繁琐。
现有技术最大的不合理性即这两大件在结构上的不合理性，R角埚邦的R角部分在力学要求上，厚度上更接近于埚托，与直筒部分则相距甚远，虽然复合材料具有可设计性，可以针对性的进行补强，但是这种变化为预制体制备及后续的增密工艺都带来了极大困难。埚托部分则为了能够与埚邦R角部分相匹配，在边沿部分专门制备了突出的承接台，造成了大量的材料浪费。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种碳碳复合材料整体埚托、直筒埚邦及其制备方法。
本发明可通过以下技术方案予以实现：
一种碳碳复合材料整体埚托，包括厚度最厚的埚托盘底部分和四周向上翻的外延，整体结构从埚托盘底中心部分到四周，逐步变薄，向上翻部分最薄，并设计有凹凸槽以跟对应的直筒埚邦形成组合。
本发明还提出一种碳碳复合材料整体埚托的制备方法，包括以下步骤：
1)制作锅盖形的木模模型，用泡沫垫贴平及包裹木模，对泡沫垫多余部分进行裁剪；
2)用碳纤维的平纹布和碳纤维网胎，在所述步骤1)包裹好的泡沫垫上进行紧密铺层；
3)用连续碳纤维丝在铺层好的平纹布及碳纤维网胎上进行缠绕，俯视来看，使用两切点线型进行缠绕；
4)对经过步骤3)处理过的预制体进行针刺，通过旋转机台调整针刺均匀性；
5)交替重复以上步骤：2)或3)或4)，直至达到预制体厚度尺寸；
6)对制备好的预制体进行增密处理；
7)对制备好的半成品进行高温热处理；
8)机械加工获得成品。
进一步地，所述步骤2)中平纹布为T700级别的碳布，丝束是3k，6k，12k或24k；网胎使用T700级别的碳丝。
进一步地，所述步骤4)中针刺，直至达到针刺密度(20-40)针/cm2。
进一步地，所述步骤6)中增密处理，增密至密度不低于1.4g/cm3，增密方式为化学气相沉积或液相浸渍。
进一步地，所述步骤7)中热处理温度为1800-2500℃。
本发明还提出一种碳碳复合材料直筒埚邦，所述直筒埚邦为厚度均匀的直筒状，底部设有凹凸槽以跟对应的整体埚托形成组合。
本发明还提出一种碳碳复合材料直筒埚邦的制备方法，包括以下步骤：
1)制作圆筒形的木模模型，用泡沫垫贴平及包裹木模，对多余部分进行裁剪；
2)用碳纤维的平纹布和碳纤维网胎，在步骤1)包裹好的泡沫垫上进行紧密铺层；
3)用连续碳纤维丝在铺层好的平纹布及碳纤维网胎上进行环向缠绕；
4)对铺层好或密缠好的预制体进行针刺，通过旋转机台调整针刺均匀性；
5)交替重复以上步骤：2)或3)或4)，直至达到预制体厚度尺寸；
6)对制备好的预制体进行增密处理；
7)对制备好的半成品进行高温热处理；
8)机械加工获得成品。
进一步地，所述步骤2)中平纹布为T700级别的碳布，丝束可以是3k，6k，12k或24k；网胎使用T700级别的碳丝。
进一步地，所述步骤3)中环向缠绕，从侧面看，斜向夹角为2°-20°。
进一步地，所述步骤4)中针刺，直至达到针刺密度(20-40)针/cm2。
进一步地，所述步骤6)中增密处理，增密至密度不低于1.2g/cm3，增密方式为化学气相沉积或液相浸渍。
进一步地，所述步骤7)中热处理温度为1800-2500℃。
有益效果
本发明所使用的方法，对传统的R角埚邦，埚托件进行了结构合理化，针对合理化后的整体埚托和直角埚邦，分别提出了两种不同的制备方法，充分利用结构合理化后，两种碳碳件所需厚度和力学性能要求不一样的特点，选择不同的长纤维丝密缠增强方式及后续制备方式，令力学性能要求高，易于损耗的部分得到加强，力学性能要求低，不易损耗的部分则化繁为简。使得总的埚邦，埚托系统使用性能得到提高，总体制备成本更低，同时两种性能要求不同的结构件也更有利于排产。
附图说明
图1为本发明直筒埚邦的结构示意图；
图2为本发明整体埚托的结构示意图；
图3为本发明中制备整体埚托的缠绕示意图；
图4为本发明中制备直筒埚邦的缠绕示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
如图2所示，本发明的一种整体埚托2，它包括厚度最后的埚托盘底部分，也包括四周向上翻的外延，整体结构从埚托盘底中心部分到四周，逐步变薄，向上翻部分最薄，并设计有凹凸槽以跟对应的直筒埚邦形成组合。
如图1所示，本发明的一种直筒埚邦1，该埚邦没有常规埚邦的斜角或R角部分，为厚度均匀的直筒状，底部设有凹凸槽以跟对应的整体埚托形成组合。
一种碳碳复合材料整体埚托的制备方法，包括以下步骤：
1)制作锅盖形的木模模型，用泡沫垫贴平及包裹木模，对泡沫垫多余部分进行裁剪；
2)用碳纤维的平纹布和碳纤维网胎，在步骤1)包裹好的泡沫垫上进行紧密铺层，平纹布为T700级别的碳布，丝束可以是3k,6k,12k或24k；网胎使用的是T700级别的碳丝；
3)用连续碳纤维丝在铺层好的平纹布及碳纤维网胎上进行缠绕，俯视来看，使用两切点线型进行缠绕，如图3所示；
4)对铺层好或密缠好的预制体进行针刺，通过旋转机台调整针刺均匀性，直至达到针刺密度(20-40)针/cm2；
5)交替重复以上步骤：2)或3)或4)，直至达到预制体厚度尺寸；
6)对制备好的预制体进行增密处理，增密至密度不低于1.4g/cm3，增密方式可以是化学气相沉积也可以是液相浸渍；
7)对制备好的半成品进行高温热处理，热处理温度为1800-2500℃；
8)机械加工获得成品。
一种碳碳复合材料直筒埚邦的制备方法，包括：
1)制作圆筒形的木模模型，用泡沫垫贴平及包裹木模，对泡沫垫多余部分进行裁剪；
2)用碳纤维的平纹布和碳纤维网胎，在步骤1)包裹好的泡沫垫上进行紧密铺层，平纹布为T700级别的碳布，丝束可以是3k,6k,12k或24k；网胎使用的是T700级别的碳丝；
3)用连续碳纤维丝在铺层好的平纹布及碳纤维网胎上进行环向缠绕，从侧面看，斜向夹角为2°-20°，如图4所示；
4)对铺层好或密缠好的预制体进行针刺，通过旋转机台调整针刺均匀性，直至达到针刺密度(20-40)针/cm2；
5)交替重复以上步骤：2)或3)或4)，直至达到预制体厚度尺寸；
6)对制备好的预制体进行增密处理，增密至密度不低于1.2g/cm3，增密方式可以是化学气相沉积也可以是液相浸渍；
7)对制备好的半成品进行高温热处理，热处理温度为1800-2500℃；
8)机械加工获得成品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种碳碳复合材料整体埚托，其特征在于，包括厚度最厚的埚托盘底部分和四周向上翻的外延，整体结构从埚托盘底中心部分到四周，逐步变薄，向上翻部分最薄，并设计有凹凸槽以跟对应的直筒埚邦形成组合。
2.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料整体埚托的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制作锅盖形的木模模型，用泡沫垫贴平及包裹木模，对泡沫垫多余部分进行裁剪；
2)用碳纤维的平纹布和碳纤维网胎，在所述步骤1)包裹好的泡沫垫上进行紧密铺层；
3)用连续碳纤维丝在铺层好的平纹布及碳纤维网胎上进行缠绕，俯视来看，使用两切点线型进行缠绕；
4)对经过步骤3)处理过的预制体进行针刺，通过旋转机台调整针刺均匀性；
5)交替重复以上步骤：2)或3)或4)，直至达到预制体厚度尺寸；
6)对制备好的预制体进行增密处理；
7)对制备好的半成品进行高温热处理；
8)机械加工获得成品。
3.根据权利要求2所述的碳碳复合材料整体埚托的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中平纹布为T700级别的碳布，丝束是3k，6k，12k或24k；网胎使用T700级别的碳丝。
4.根据权利要求2所述的碳碳复合材料整体埚托的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中针刺，直至达到针刺密度(20-40)针/cm2。
5.根据权利要求2所述的碳碳复合材料整体埚托的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中增密处理，增密至密度不低于1.4g/cm3，增密方式为化学气相沉积或液相浸渍。
6.根据权利要求2所述的碳碳复合材料整体埚托的制备方法，其特征在于，所述步骤7)中热处理温度为1800-2500℃。
7.一种碳碳复合材料直筒埚邦，其特征在于，所述直筒埚邦为厚度均匀的直筒状，底部设有凹凸槽以跟对应的整体埚托形成组合。
8.根据权利要求7所述的一种碳碳复合材料直筒埚邦的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制作圆筒形的木模模型，用泡沫垫贴平及包裹木模，对泡沫垫多余部分进行裁剪；
2)用碳纤维的平纹布和碳纤维网胎，在步骤1)包裹好的泡沫垫上进行紧密铺层；
3)用连续碳纤维丝在铺层好的平纹布及碳纤维网胎上进行环向缠绕；
4)对铺层好或密缠好的预制体进行针刺，通过旋转机台调整针刺均匀性；
5)交替重复以上步骤：2)或3)或4)，直至达到预制体厚度尺寸；
6)对制备好的预制体进行增密处理；
7)对制备好的半成品进行高温热处理；
8)机械加工获得成品。
9.根据权利要求8所述的碳碳复合材料直筒埚邦的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中平纹布为T700级别的碳布，丝束可以是3k，6k，12k或24k；网胎使用T700级别的碳丝。
10.根据权利要求8所述的碳碳复合材料直筒埚邦的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中环向缠绕，从侧面看，斜向夹角为2°-20°。
11.根据权利要求8所述的碳碳复合材料直筒埚邦的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中针刺，直至达到针刺密度(20-40)针/cm2。
12.根据权利要求8所述的碳碳复合材料直筒埚邦的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中增密处理，增密至密度不低于1.2g/cm3，增密方式为化学气相沉积或液相浸渍。
13.根据权利要求8所述的碳碳复合材料直筒埚邦的制备方法，其特征在于，所述步骤7)中热处理温度为1800-2500℃。
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