CN114230323A - 一种石英陶瓷坩埚的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石英陶瓷坩埚的制作方法，包括以下步骤：步骤1，制备石英陶瓷坩埚坯体：将石英砂粉末经过球磨后，以注浆成型的方式制备得到石英陶瓷坩埚坯体；步骤2，制备致密涂层液：称取氮化硅/硅化铌包覆微球与硅溶胶混合均匀，制备得到致密涂层液；步骤3，制备石英陶瓷坩埚：将致密涂层液涂覆于石英陶瓷坩埚坯体的表面，干燥处理后，得到石英陶瓷坩埚。石英砂粉末的粒径为50～100μm，纯度不小于99.99％。本发明制备石英陶瓷坩埚的方法工艺简便，制备得到的石英陶瓷坩埚具有更好的使用性。

Description

一种石英陶瓷坩埚的制作方法
技术领域
本发明涉及石英陶瓷领域，具体涉及一种石英陶瓷坩埚的制作方法。
背景技术
石英陶瓷坩埚也称石英玻璃陶瓷坩埚，大多为方形。石英陶瓷坩埚具有结构精细、热导率低、热膨胀系数小、尺寸精度高、高温不变形、热震稳定性好、电性能好、耐化学侵蚀性好等特点，主要用于多晶硅熔炼铸锭使用。石英陶瓷坩埚是多晶硅铸锭炉的关键材料，作为装载多晶硅原料的容器。此种石英陶瓷坩埚要求在1500℃以上的高温下连续工作50小时以上，才能生产多晶硅锭。
石英陶瓷坩埚在用于多晶硅熔炼铸锭使用时，由于其使用条件极其苛刻，对坩埚的纯度、强度、外观缺陷、内在质量、高温性能、热振稳定性、尺寸精度等都有极其严格的要求。而石英陶瓷坩埚在高温条件下很容易被多晶硅熔融原料侵蚀，从而产生结晶脱落，因此，在铸锭的定向凝固阶段，为了保证晶锭的质量，同时也防止温度过高时硅料熔化会渗透到坩埚中去，需要在坩埚内壁涂覆一层耐高温且均匀导热的致密涂层。目前致密涂层主要采用的是氮化硅和硅溶胶制备而成。氮化硅虽然具有更高的熔点以及较高的导热系数，但是在与硅溶胶制备成涂层烧结的过程中却经常出现涂层开裂现象，从而导致整个石英陶瓷坩埚的耐高温性变差，并且很难再次使用，造成了极大的浪费。
发明内容
针对现有技术中存在的氮化硅和硅溶胶制备而成的陶瓷涂层容易出现开裂以及在高温熔体流动过程中很容易脱落并进入硅料内部的问题，本发明的目的是提供一种石英陶瓷坩埚的制作方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种石英陶瓷坩埚的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制备石英陶瓷坩埚坯体：
将石英砂粉末经过球磨后，以注浆成型的方式制备得到石英陶瓷坩埚坯体；
步骤2，制备致密涂层液：
称取氮化硅/硅化铌包覆微球与硅溶胶混合均匀，制备得到致密涂层液；
步骤3，制备石英陶瓷坩埚：
将致密涂层液涂覆于石英陶瓷坩埚坯体的表面，干燥处理后，得到石英陶瓷坩埚。
优选地，所述步骤1中，石英砂粉末的粒径为50～100μm，纯度不小于99.99％。
优选地，所述步骤1中，球磨的过程为：将石英砂粉末、粘结剂和去离子水按照质量比为10:0.5～1:2～3混合至球磨机内，使用氧化锆珠进行球磨，球料比为2～3:1，球磨速度为200～500rpm，球磨时间为2～4h。
优选地，所述粘结剂由质量浓度为20％的二氧化硅溶胶和甲基纤维素按照3～5:1混合后得到。
优选地，所述步骤1中，注浆成型过程是通过将球磨后的浆料浇注至石膏模具中，室温下干燥处理20～24h后，置于60～100℃下干燥处理10～15h，再置于石墨炉内烧结处理，即得到石英陶瓷坩埚坯体。
优选地，所述烧结处理的过程为：先升温至300～350℃，保温处理1～2h，再升温至750～800℃，保温处理1～2h，之后升温至1100～1200℃，保温处理3～5h，随炉冷却至室温后，得到石英陶瓷坩埚坯体。
优选地，所述步骤2中，硅溶胶中二氧化硅的质量浓度为20％～30％，氮化硅/硅化铌包覆微球与二氧化硅溶胶的质量比为1:5～10。
优选地，所述氮化硅/硅化铌包覆微球的粒径为10～50μm。
优选地，所述步骤2中，氮化硅/硅化铌包覆微球与硅溶胶通过超声处理1～3h混合均匀。
优选地，所述步骤3中，致密涂层液是通过喷涂的方式涂覆于石英陶瓷坩埚坯体的表面。
优选地，所述步骤3中，致密涂层液涂覆于石英陶瓷坩埚坯体的表面之前，将石英陶瓷坩埚坯体置于烘箱中升温至50～60℃。
优选地，所述步骤3中，干燥处理的条件为：先在避光条件下室温放置12～24h后，再置于石墨炉内升温至450～550℃，保温1～2h，之后再升温至1100～1200℃，保温2～4h，随炉冷却即可。
优选地，所述步骤3中，致密涂层液的涂覆厚度为500～1000μm。
优选地，所述氮化硅/硅化铌包覆微球的制备方法为：
S1.称取五氧化二铌粉末与二氧化硅粉末按照质量比为1:1.2～1.4混合至行星球磨仪中，在惰性气体的保护下球磨8～12h，得到球磨粉料；
S2.将球磨粉料压实后置于石墨炉内，在惰性气体的保护下，先升温至900～1000℃保温1～2h后，通入氢气，升温至1175～1250℃，继续保温处理2～3h，冷却至室温后，得到硅化铌粉末；
S3.将聚氧乙烯醚加入至去离子水中，然后加入丙烯酸甲酯和苯乙烯，混合均匀后，再加入硅化铌粉末，超声混合均匀，通入惰性气体作为保护气，加入过硫酸钠，升温至65～80℃，搅拌反应4～6h，得到硅化铌/共聚物复合微球混液；
S4.向乙醇溶液中滴加氨水，在室温下搅拌混合均匀，缓慢加入硅化铌/共聚物复合微球混液，继续混合均匀，之后在不断搅拌的条件下以20～30滴/分钟的速度滴加正硅酸乙酯，滴加完毕后，继续在室温下搅拌10～15h，之后过滤收集固体颗粒，依次使用纯化水和无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；
S5.将二氧化硅核壳微球混合至去离子水中，调节混合液的pH至2.5～3.5，超声处理0.5～1h后，滴加正硅酸乙酯，搅拌混合3～5h后，过滤收集固体颗粒，使用无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；
S6.将二氧化硅核壳微球置于石墨炉内，通入氮气作为保护气，先升温至550～650℃，保温1～2h后，继续升温至1200～1300℃，保温处理3～5h，之后降温至550～650℃，通入氧气，保持石墨炉内氧气与氮气的体积比为3:1，保温处理3～5h后，冷却至室温后，得到氮化硅/硅化铌包覆微球。
优选地，所述S1中，五氧化二铌粉末与二氧化硅粉末的粒径均为200～500nm。
优选地，所述S3中，丙烯酸甲酯、苯乙烯、聚氧乙烯醚与去离子水的质量比为1:0.5～0.8:0.02～0.05:10～20；硅化铌粉末与去离子水的质量比为1:8～15。
优选地，所述S4中，乙醇溶液的质量分数为60％～70％，氨水的质量分数为25％；乙醇溶液、氨水、正硅酸乙酯与硅化铌/共聚物复合微球混液的质量比为1:0.1～0.3:1.6～2.4:3～5。
优选地，所述S5中，二氧化硅核壳微球、正硅酸乙酯与去离子水的质量比为1:0.12～0.18:10～15。
本发明的有益效果为：
本发明公开了一种石英陶瓷坩埚的制作方法，主要过程为：先通过石英砂粉末制备出石英陶瓷坩埚坯体，再通过氮化硅/硅化铌包覆微球与硅溶胶制备出致密涂层液，最后将致密涂层液涂覆在石英陶瓷坩埚的内表面，烘干后得到石英陶瓷坩埚。本发明制备石英陶瓷坩埚的方法工艺简便，制备得到的石英陶瓷坩埚具有更好的耐腐蚀性和耐高温性，从而具有更好的耐用性。
本发明突出的特点在于制备的致密涂层在常规方法上进行了改进。先制备出了硅化铌，然后通过壳核包覆法在硅化铌的表面形成氮化硅层，从而形成了以氮化硅为外壳、以硅化铌为内核的微球结构。其中，在硅化铌作为内核的形成过程中，使用丙烯酸甲酯和苯乙烯形成的共聚物与硅化铌结合形成微球状，之后再进行外壳的包覆；而在制备氮化硅外壳的过程中，是先通过硅源制备出二氧化硅包裹层(S4步骤为直接制备二氧化硅包覆层，S5步骤再次加入硅源是为了进一步修补微球)，再通过3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO的反应(碳来源于有机物)，使二氧化硅形成氮化硅，而后续再次通入氧气是为了除去聚合物产生的未反应完全的碳元素。
本发明中制备的氮化硅/硅化铌包覆微球，硅化铌的导热性能够稍低于氮化硅，但是差距并不大，这也是维持该微球能够稳定的原因。同时，该氮化硅/硅化铌包覆微球能够稳定的存在于脱模层中，更加不容易掉入硅料内部，影响到铸锭的纯度。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明，对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
本发明设计氮化硅/硅化铌包覆微球的原因，是考虑到氮化硅与硅溶胶制备成涂层容易开裂的原因，很可能是氮化硅的导热性与氧化硅的导热性差别较大，结合性不好，因此在高温条件下热应力不能均匀传递，从而导致开裂现象。本发明所制备的氮化硅为外壳、硅化铌为内核的微球结构，不仅增加了其与氧化硅的接触面积，增大了导热性，而且使氮化硅的热量能够通过内部传递给硅化铌，缓冲了热应力的产生，两种作用相结合，从而使热量的传递更加的均匀，不仅避免了氮化硅层的开裂现象，还有助于晶锭的生长。
下面结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种石英陶瓷坩埚的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制备石英陶瓷坩埚坯体：
将粒径为50～100μm、纯度不小于99.99％的石英砂粉末、粘结剂和去离子水按照质量比为10:0.8:2.5混合至球磨机内，使用氧化锆珠进行球磨，球料比为2.5:1，球磨速度为300rpm，球磨时间为3h，之后将球磨后的浆料浇注至石膏模具中，室温下干燥处理22h后，置于80℃下干燥处理12h，再置于石墨炉内烧结处理，即先升温至325℃，保温处理1.5h，再升温至750℃，保温处理1.5h，之后升温至1200℃，保温处理4h，随炉冷却至室温后，得到石英陶瓷坩埚坯体；其中，粘结剂由质量浓度为20％的二氧化硅溶胶和甲基纤维素按照4:1混合后得到；
步骤2，制备致密涂层液：
称取氮化硅/硅化铌包覆微球与硅溶胶通过超声处理2h混合均匀，制备得到致密涂层液；其中，二氧化硅溶胶中二氧化硅的质量浓度为25％，氮化硅/硅化铌包覆微球与二氧化硅溶胶的质量比为1:8；氮化硅/硅化铌包覆微球的粒径为10～50μm；
步骤3，制备石英陶瓷坩埚：
先将石英陶瓷坩埚坯体置于烘箱中升温至50℃，之后将致密涂层液喷涂于石英陶瓷坩埚坯体的表面，喷涂厚度为800μm，在避光条件下室温放置24h后，再置于石墨炉内升温至550℃，保温2h，之后再升温至1200℃，保温4h，随炉冷却即可，得到石英陶瓷坩埚。
氮化硅/硅化铌包覆微球的制备方法为：
S1.称取200～500nm的五氧化二铌粉末与200～500nm的二氧化硅粉末按照质量比为1:1.3混合至行星球磨仪中，在惰性气体的保护下球磨10h，得到球磨粉料；
S2.将球磨粉料压实后置于石墨炉内，在惰性气体的保护下，先升温至1000℃保温1.5h后，通入氢气，升温至1250℃，继续保温处理3h，冷却至室温后，得到硅化铌粉末；
S3.将聚氧乙烯醚加入至去离子水中，然后加入丙烯酸甲酯和苯乙烯，混合均匀后，再加入硅化铌粉末，超声混合均匀，通入惰性气体作为保护气，加入过硫酸钠，升温至80℃，搅拌反应5h，得到硅化铌/共聚物复合微球混液；丙烯酸甲酯、苯乙烯、聚氧乙烯醚与去离子水的质量比为1:0.6:0.03:15；硅化铌粉末与去离子水的质量比为1:12；
S4.向乙醇溶液中滴加氨水，在室温下搅拌混合均匀，缓慢加入硅化铌/共聚物复合微球混液，继续混合均匀，之后在不断搅拌的条件下以20～30滴/分钟的速度滴加正硅酸乙酯，滴加完毕后，继续在室温下搅拌12h，之后过滤收集固体颗粒，依次使用纯化水和无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；乙醇溶液的质量分数为65％，氨水的质量分数为25％；乙醇溶液、氨水、正硅酸乙酯与硅化铌/共聚物复合微球混液的质量比为1:0.2:2:4；
S5.将二氧化硅核壳微球混合至去离子水中，调节混合液的pH至2.5～3.5，超声处理1h后，滴加正硅酸乙酯，搅拌混合4h后，过滤收集固体颗粒，使用无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；二氧化硅核壳微球、正硅酸乙酯与去离子水的质量比为1:0.15:12；
S6.将二氧化硅核壳微球置于石墨炉内，通入氮气作为保护气，先升温至600℃，保温2h后，继续升温至1250℃，保温处理4h，之后降温至600℃，通入氧气，保持石墨炉内氧气与氮气的体积比为3:1，保温处理4h后，冷却至室温后，得到氮化硅/硅化铌包覆微球。
实施例2
一种石英陶瓷坩埚的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制备石英陶瓷坩埚坯体：
将粒径为50～100μm、纯度不小于99.99％的石英砂粉末、粘结剂和去离子水按照质量比为10:0.5:2混合至球磨机内，使用氧化锆珠进行球磨，球料比为2:1，球磨速度为200rpm，球磨时间为2h，之后将球磨后的浆料浇注至石膏模具中，室温下干燥处理20h后，置于60℃下干燥处理15h，再置于石墨炉内烧结处理，即先升温至300℃，保温处理2h，再升温至750℃，保温处理2h，之后升温至1100℃，保温处理5h，随炉冷却至室温后，得到石英陶瓷坩埚坯体；其中，粘结剂由质量浓度为20％的二氧化硅溶胶和甲基纤维素按照4:1混合后得到；
步骤2，制备致密涂层液：
称取氮化硅/硅化铌包覆微球与硅溶胶通过超声处理1h混合均匀，制备得到致密涂层液；其中，二氧化硅溶胶中二氧化硅的质量浓度为20％，氮化硅/硅化铌包覆微球与二氧化硅溶胶的质量比为1:8；氮化硅/硅化铌包覆微球的粒径为10～50μm；
步骤3，制备石英陶瓷坩埚：
先将石英陶瓷坩埚坯体置于烘箱中升温至50℃，之后将致密涂层液喷涂于石英陶瓷坩埚坯体的表面，喷涂厚度为500μm，在避光条件下室温放置12h后，再置于石墨炉内升温至450℃，保温1h，之后再升温至1100℃，保温2h，随炉冷却即可，得到石英陶瓷坩埚。
氮化硅/硅化铌包覆微球的制备方法为：
S1.称取200～500nm的五氧化二铌粉末与200～500nm的二氧化硅粉末按照质量比为1:1.2混合至行星球磨仪中，在惰性气体的保护下球磨8h，得到球磨粉料；
S2.将球磨粉料压实后置于石墨炉内，在惰性气体的保护下，先升温至900℃保温2h后，通入氢气，升温至1175℃，继续保温处理3h，冷却至室温后，得到硅化铌粉末；
S3.将聚氧乙烯醚加入至去离子水中，然后加入丙烯酸甲酯和苯乙烯，混合均匀后，再加入硅化铌粉末，超声混合均匀，通入惰性气体作为保护气，加入过硫酸钠，升温至65℃，搅拌反应6h，得到硅化铌/共聚物复合微球混液；丙烯酸甲酯、苯乙烯、聚氧乙烯醚与去离子水的质量比为1:0.5:0.02:10；硅化铌粉末与去离子水的质量比为1:8；
S4.向乙醇溶液中滴加氨水，在室温下搅拌混合均匀，缓慢加入硅化铌/共聚物复合微球混液，继续混合均匀，之后在不断搅拌的条件下以20～30滴/分钟的速度滴加正硅酸乙酯，滴加完毕后，继续在室温下搅拌10h，之后过滤收集固体颗粒，依次使用纯化水和无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；乙醇溶液的质量分数为60％，氨水的质量分数为25％；乙醇溶液、氨水、正硅酸乙酯与硅化铌/共聚物复合微球混液的质量比为1:0.1:1.6:3；
S5.将二氧化硅核壳微球混合至去离子水中，调节混合液的pH至2.5～3.5，超声处理0.5h后，滴加正硅酸乙酯，搅拌混合3h后，过滤收集固体颗粒，使用无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；二氧化硅核壳微球、正硅酸乙酯与去离子水的质量比为1:0.12:10；
S6.将二氧化硅核壳微球置于石墨炉内，通入氮气作为保护气，先升温至550℃，保温2h后，继续升温至1200℃，保温处理5h，之后降温至550℃，通入氧气，保持石墨炉内氧气与氮气的体积比为3:1，保温处理5h后，冷却至室温后，得到氮化硅/硅化铌包覆微球。
实施例3
一种石英陶瓷坩埚的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制备石英陶瓷坩埚坯体：
将粒径为50～100μm、纯度不小于99.99％的石英砂粉末、粘结剂和去离子水按照质量比为10:1:3混合至球磨机内，使用氧化锆珠进行球磨，球料比为3:1，球磨速度为500rpm，球磨时间为4h，之后将球磨后的浆料浇注至石膏模具中，室温下干燥处理24h后，置于100℃下干燥处理15h，再置于石墨炉内烧结处理，即先升温至350℃，保温处理2h，再升温至800℃，保温处理1h，之后升温至1200℃，保温处理3h，随炉冷却至室温后，得到石英陶瓷坩埚坯体；其中，粘结剂由质量浓度为20％的二氧化硅溶胶和甲基纤维素按照5:1混合后得到；
步骤2，制备致密涂层液：
称取氮化硅/硅化铌包覆微球与硅溶胶通过超声处理3h混合均匀，制备得到致密涂层液；其中，二氧化硅溶胶中二氧化硅的质量浓度为30％，氮化硅/硅化铌包覆微球与二氧化硅溶胶的质量比为1:10；氮化硅/硅化铌包覆微球的粒径为10～50μm；
步骤3，制备石英陶瓷坩埚：
先将石英陶瓷坩埚坯体置于烘箱中升温至60℃，之后将致密涂层液喷涂于石英陶瓷坩埚坯体的表面，喷涂厚度为1000μm，在避光条件下室温放置24h后，再置于石墨炉内升温至550℃，保温1h，之后再升温至1200℃，保温2h，随炉冷却即可，得到石英陶瓷坩埚。
氮化硅/硅化铌包覆微球的制备方法为：
S1.称取200～500nm的五氧化二铌粉末与200～500nm的二氧化硅粉末按照质量比为1:1.4混合至行星球磨仪中，在惰性气体的保护下球磨12h，得到球磨粉料；
S2.将球磨粉料压实后置于石墨炉内，在惰性气体的保护下，先升温至1000℃保温1h后，通入氢气，升温至1250℃，继续保温处理2h，冷却至室温后，得到硅化铌粉末；
S3.将聚氧乙烯醚加入至去离子水中，然后加入丙烯酸甲酯和苯乙烯，混合均匀后，再加入硅化铌粉末，超声混合均匀，通入惰性气体作为保护气，加入过硫酸钠，升温至80℃，搅拌反应4h，得到硅化铌/共聚物复合微球混液；丙烯酸甲酯、苯乙烯、聚氧乙烯醚与去离子水的质量比为1:0.8:0.05:20；硅化铌粉末与去离子水的质量比为1:15；
S4.向乙醇溶液中滴加氨水，在室温下搅拌混合均匀，缓慢加入硅化铌/共聚物复合微球混液，继续混合均匀，之后在不断搅拌的条件下以20～30滴/分钟的速度滴加正硅酸乙酯，滴加完毕后，继续在室温下搅拌15h，之后过滤收集固体颗粒，依次使用纯化水和无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；乙醇溶液的质量分数为70％，氨水的质量分数为25％；乙醇溶液、氨水、正硅酸乙酯与硅化铌/共聚物复合微球混液的质量比为1:0.3:2.4:5；
S5.将二氧化硅核壳微球混合至去离子水中，调节混合液的pH至2.5～3.5，超声处理1h后，滴加正硅酸乙酯，搅拌混合5h后，过滤收集固体颗粒，使用无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；二氧化硅核壳微球、正硅酸乙酯与去离子水的质量比为1:0.18:15；
S6.将二氧化硅核壳微球置于石墨炉内，通入氮气作为保护气，先升温至650℃，保温1h后，继续升温至1300℃，保温处理5h，之后降温至650℃，通入氧气，保持石墨炉内氧气与氮气的体积比为3:1，保温处理3h后，冷却至室温后，得到氮化硅/硅化铌包覆微球。
对比例1
一种石英陶瓷坩埚的制作方法，包括以下步骤：
制备石英陶瓷坩埚坯体：
将粒径为50～100μm、纯度不小于99.99％的石英砂粉末、粘结剂和去离子水按照质量比为10:0.8:2.5混合至球磨机内，使用氧化锆珠进行球磨，球料比为2.5:1，球磨速度为300rpm，球磨时间为3h，之后将球磨后的浆料浇注至石膏模具中，室温下干燥处理22h后，置于80℃下干燥处理12h，再置于石墨炉内烧结处理，即先升温至325℃，保温处理1.5h，再升温至750℃，保温处理1.5h，之后升温至1200℃，保温处理4h，随炉冷却至室温后，得到石英陶瓷坩埚坯体；其中，粘结剂由质量浓度为20％的二氧化硅溶胶和甲基纤维素按照4:1混合后得到；二氧化硅溶胶中二氧化硅的质量浓度为25％。
对比例2
一种石英陶瓷坩埚的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，制备石英陶瓷坩埚坯体：
将粒径为50～100μm、纯度不小于99.99％的石英砂粉末、粘结剂和去离子水按照质量比为10:0.8:2.5混合至球磨机内，使用氧化锆珠进行球磨，球料比为2.5:1，球磨速度为300rpm，球磨时间为3h，之后将球磨后的浆料浇注至石膏模具中，室温下干燥处理22h后，置于80℃下干燥处理12h，再置于石墨炉内烧结处理，即先升温至325℃，保温处理1.5h，再升温至750℃，保温处理1.5h，之后升温至1200℃，保温处理4h，随炉冷却至室温后，得到石英陶瓷坩埚坯体；其中，粘结剂由质量浓度为20％的二氧化硅溶胶和甲基纤维素按照4:1混合后得到；
步骤2，制备致密涂层液：
称取氮化硅微球与硅溶胶通过超声处理2h混合均匀，制备得到致密涂层液；其中，氧化硅溶胶中二氧化硅的质量浓度为25％，氮化硅微球与二氧化硅溶胶的质量比为1:8；氮化硅微球的粒径为10～50μm；
步骤3，制备石英陶瓷坩埚：
先将石英陶瓷坩埚坯体置于烘箱中升温至50℃，之后将致密涂层液喷涂于石英陶瓷坩埚坯体的表面，喷涂厚度为800μm，在避光条件下室温放置24h后，再置于石墨炉内升温至550℃，保温2h，之后再升温至1200℃，保温4h，随炉冷却即可，得到石英陶瓷坩埚。
为了更加清楚的说明本发明，将本发明实施例1～3以及对比例1～2所制备得到的石英陶瓷坩埚进行性能上的检测对比，耐压强度按照标准GB/T 4740-1999进行检测，耐腐蚀按照标准JC/T 2138-2012检测，酸液腐蚀率是在80℃、3mol/L的硫酸中浸泡100h减少的重量，碱液腐蚀率是在80℃、6mol/L的硫酸中浸泡100h减少的重量，高温烧结是在1500℃下进行烧结12h，观察是否开裂。结果如表1所示：
表1不同石英陶瓷坩埚的性能比较
Figure BDA0003426399310000091
由表1能够看出，本发明实施例1～3制备的石英陶瓷坩埚具有更好的耐酸腐蚀、耐碱腐蚀和高温耐压强度，且在1500℃烧结下也并未出现开裂，说明耐腐蚀性和耐高温性均有所提升，具有更好的耐用性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备石英陶瓷坩埚坯体：
将石英砂粉末经过球磨后，以注浆成型的方式制备得到石英陶瓷坩埚坯体；
步骤2，制备致密涂层液：
称取氮化硅/硅化铌包覆微球与硅溶胶混合均匀，制备得到致密涂层液；
步骤3，制备石英陶瓷坩埚：
将致密涂层液涂覆于石英陶瓷坩埚坯体的表面，干燥处理后，得到石英陶瓷坩埚。
2.根据权利要求1所述的一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，所述步骤1中，石英砂粉末的粒径为50～100μm，纯度不小于99.99％。
3.根据权利要求1所述的一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，所述步骤1中，球磨的过程为：将石英砂粉末、粘结剂和去离子水按照质量比为10:0.5～1:2～3混合至球磨机内，使用氧化锆珠进行球磨，球料比为2～3:1，球磨速度为200～500rpm，球磨时间为2～4h。
4.根据权利要求3所述的一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，所述粘结剂由质量浓度为20％的二氧化硅溶胶和甲基纤维素按照3～5:1混合后得到。
5.根据权利要求1所述的一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，所述步骤1中，注浆成型过程是通过将球磨后的浆料浇注至石膏模具中，室温下干燥处理20～24h后，置于60～100℃下干燥处理10～15h，再置于石墨炉内烧结处理，即得到石英陶瓷坩埚坯体。
6.根据权利要求5所述的一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，所述烧结处理的过程为：先升温至300～350℃，保温处理1～2h，再升温至750～800℃，保温处理1～2h，之后升温至1100～1200℃，保温处理3～5h，随炉冷却至室温后，得到石英陶瓷坩埚坯体。
7.根据权利要求1所述的一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，所述步骤2中，硅溶胶中二氧化硅的质量浓度为20％～30％，氮化硅/硅化铌包覆微球与二氧化硅溶胶的质量比为1:5～10。
8.根据权利要求1所述的一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，所述步骤3中，干燥处理的条件为：先在避光条件下室温放置12～24h后，再置于石墨炉内升温至450～550℃，保温1～2h，之后再升温至1100～1200℃，保温2～4h，随炉冷却即可。
9.根据权利要求1所述的一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，所述步骤3中，致密涂层液的涂覆厚度为500～1000μm。
10.根据权利要求1所述的一种石英陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，所述氮化硅/硅化铌包覆微球的制备方法为：
S1.称取五氧化二铌粉末与二氧化硅粉末按照质量比为1:1.2～1.4混合至行星球磨仪中，在惰性气体的保护下球磨8～12h，得到球磨粉料；
S2.将球磨粉料压实后置于石墨炉内，在惰性气体的保护下，先升温至900～1000℃保温1～2h后，通入氢气，升温至1175～1250℃，继续保温处理2～3h，冷却至室温后，得到硅化铌粉末；
S3.将聚氧乙烯醚加入至去离子水中，然后加入丙烯酸甲酯和苯乙烯，混合均匀后，再加入硅化铌粉末，超声混合均匀，通入惰性气体作为保护气，加入过硫酸钠，升温至65～80℃，搅拌反应4～6h，得到硅化铌/共聚物复合微球混液；
S4.向乙醇溶液中滴加氨水，在室温下搅拌混合均匀，缓慢加入硅化铌/共聚物复合微球混液，继续混合均匀，之后在不断搅拌的条件下以20～30滴/分钟的速度滴加正硅酸乙酯，滴加完毕后，继续在室温下搅拌10～15h，之后过滤收集固体颗粒，依次使用纯化水和无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；
S5.将二氧化硅核壳微球混合至去离子水中，调节混合液的pH至2.5～3.5，超声处理0.5～1h后，滴加正硅酸乙酯，搅拌混合3～5h后，过滤收集固体颗粒，使用无水乙醇洗涤三次，干燥处理后，得到二氧化硅核壳微球；
S6.将二氧化硅核壳微球置于石墨炉内，通入氮气作为保护气，先升温至550～650℃，保温1～2h后，继续升温至1200～1300℃，保温处理3～5h，之后降温至550～650℃，通入氧气，保持石墨炉内氧气与氮气的体积比为3:1，保温处理3～5h后，冷却至室温后，得到氮化硅/硅化铌包覆微球。
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