CN115141029A - 一种碳/碳坩埚托杆的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及碳纤维复合材料技术领域，特别涉及一种碳/碳坩埚托杆的制备方法，包括：通过环刺针刺方法制得筒状杆体预制体；通过板状针刺方法制得板状碳纤维预制体；对筒状杆体预制体和板状碳纤维预制体进行固化处理；对固化的筒状杆体预制体进行气相增密处理，至密度达到大于等于第一预设密度，得到筒状托杆杆体；对固化的板状碳纤维预制体进行切削加工，得到多个托杆头预制体；基于预设浸渍增密方法对托杆头预制体进行液相增密处理，至托杆头预制体的体积密度达到大于等于第二预设密度，得到托杆头胚体；在托杆头胚体上形成第二中空结构，得到托杆头；对托杆头和筒状托杆杆体进行组装处理，得到碳/碳坩埚托杆。本申请有效提高成品率。

Description

一种碳/碳坩埚托杆的制备方法

技术领域

本申请涉及电池技术领域，特别涉及一种碳/碳坩埚托杆的制备方法。

背景技术

坩埚托杆通常应用于高温高压环境，用于支撑盛放反应物质的坩埚，如将其置于单晶炉的炉腔中，一端承载单晶炉坩埚，另一端与驱动装置连接，进而在驱动装置带动下，在炉腔内转动或上下移动，因此，坩埚托杆在耐高温高压的同时，还需具有良好的承重强度。为满足上述性能，目前少量工作利用碳/碳材料制备坩埚托杆，通常对厚度足够的碳/碳厚板进行增密，然后切削一体成型，然而由于坩埚托杆的长度和变径需求，整板加工方式的成品率低，仅为35～45%，并且，无论采用什么方式增密，碳/碳厚板都易出现内外密度不均匀和增密周期过长等问题。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本申请提供一种碳/碳坩埚托杆的制备方法，能够有效提升成品率，提高出料率，同时可提高托杆密度均匀性，降低生产周期。具体技术方案如下：

一方面，本申请提供一种碳/碳坩埚托杆的制备方法，包括以下步骤：

通过环刺针刺方法制得筒状杆体预制体，所述筒状杆体预制体包括层叠设置的碳纤维编织布和碳纤维网胎，所述筒状杆体预制体具有第一中空结构；

通过板状针刺方法制得板状碳纤维预制体，所述板状碳纤维预制体包括层叠设置的碳纤维编织布和碳纤维网胎，所述板状碳纤维预制体中碳纤维网胎的克重高于所述筒状杆体预制体中碳纤维网胎的克重；

对所述筒状杆体预制体和所述板状碳纤维预制体进行固化处理，得到固化的筒状杆体预制体和固化的板状碳纤维预制体；

采用气相沉积法对所述固化的筒状杆体预制体进行气相增密处理，至所述固化的筒状杆体预制体的体积密度达到大于等于第一预设密度，得到筒状托杆杆体；

对所述固化的板状碳纤维预制体进行切削加工，得到多个托杆头预制体；

基于预设浸渍增密方法对所述托杆头预制体进行液相增密处理，至所述托杆头预制体的体积密度达到大于等于第二预设密度，得到托杆头胚体；

在所述托杆头胚体上形成第二中空结构，得到托杆头，所述第二中空结构的径向尺寸小于所述第一中空结构的径向尺寸；对所述托杆头和所述筒状托杆杆体进行组装处理，得到所述碳/碳坩埚托杆。

具体地，所述筒状杆体预制体中碳纤维编织布的克重为300～400g/m²，所述筒状杆体预制体中碳纤维网胎的克重为60～120g/m²；

所述板状碳纤维预制体中碳纤维编织布的克重为300～400g/m²，所述板状碳纤维预制体中碳纤维网胎的克重为100～150g/m²。

具体地，所述第一中空结构的直径为40～70mm，所述第二中空结构的直径为10mm～14mm。

具体地，所述对所述托杆头和所述筒状托杆杆体进行组装处理，得到所述碳/碳坩埚托杆包括：

在所述筒状托杆杆体的内壁上加工形成内螺纹，所述内螺纹位于所述筒状托杆杆体的轴向上的一端，在所述托杆头的外壁上加工形成与所述内螺纹相匹配的螺牙；

基于所述内螺纹和所述螺牙对所述托杆头和所述筒状托杆杆体进行组装，得到所述碳/碳坩埚托杆。

具体地，所述第一预设密度为1.4～1.8 g/cm³，所述第二预设密度为1.4～1.8 g/cm³。

具体地，所述采用气相沉积法对所述固化的筒状杆体预制体进行气相增密处理，至所述固化的筒状杆体预制体的体积密度达到大于等于第一预设密度，得到筒状托杆杆体包括：

将所述固化的筒状杆体预制体置于气相沉积反应室中，通入惰性气体与碳源气体的混合气体，在预设沉积温度和预设气压下，对所述固化的筒状杆体预制体进行气相增密处理，至所述固化的筒状杆体预制体的体积密度达到大于等于所述第一预设密度，得到所述筒状托杆杆体；

其中，在所述气相沉积反应室中，所述固化的筒状杆体预制体的轴向沿所述混合气体的气流方向布置。

具体地，所述预设沉积温度为950℃～1100℃，所述预设气压为4.2～4.4KPa，所述气相增密处理的处理时间为120～200h。

具体地，所述基于预设浸渍增密方法对所述托杆头预制体进行液相增密处理，至所述托杆头预制体的体积密度达到大于等于第二预设密度，得到托杆头胚体包括：

将所述托杆头预制体在预制树脂液中进行浸渍处理，然后基于程序升温处理对浸渍后的托杆头预制体进行碳化增密，循环执行所述浸渍处理和所述碳化增密的步骤，至所述托杆头预制体的体积密度达到大于等于所述第二预设密度，得到所述托杆头坯体。

具体地，所述在所述托杆头胚体上形成第二中空结构，得到托杆头之前，所述方法还包括：

对所述筒状托杆杆体和所述托杆头胚体进行高温加热处理；

所述在所述托杆头胚体上形成第二中空结构，得到托杆头包括：

对高温加热处理后的托杆头胚体进行切削加工，得到所述多个托杆头。

具体地，所述对所述筒状杆体预制体和所述板状碳纤维预制体进行固化处理，得到固化的筒状杆体预制体和固化的板状碳纤维预制体包括：

将预制胶液涂抹于所述筒状杆体预制体的外表面，固化一定时间后，得到所述固化的筒状杆体预制体；

对所述板状碳纤维预制体进行热压固化处理，得到所述固化的板状碳纤维预制体。

另一方面，本申请提供一种碳/碳坩埚托杆，所述碳/碳坩埚托杆采用上述制备方法制得。

另一方面，本申请提供一种单晶炉，所述单晶炉包括如上所述的碳/碳坩埚托杆。

基于上述技术方案，本申请具有以下有益效果：

本申请采用分体式设计，对杆体部分采用环刺工艺形成的筒状预制体，托杆头部分采用板状针刺工艺形成的板状预制体，满足不同内径和形状加工需求，极大提升原料利用率和成品率，成品率可达85～90%以上，且两种预制体可采用不同增密工艺，环刺工艺制成的筒状杆体预制体在后续气相增密过程中，更易致密，显著缩短了生产周期，降低了生产成本。托杆头部的预制体采用平板针刺成型工艺，一件托杆头部的预制体可加工几十件碳/碳托杆头部，对比整板加工整体托杆，对机加工设备及能力的要求大大降低，进一步降低加工成本，提高加工效率。

本申请制得的碳/碳坩埚托杆的承重强度可达600公斤以上，密度可达1.6g/cm³以上，良品率可达95%以上，原料利用率可达85～90%以上。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本申请实施例提供的一种碳/碳坩埚托杆的制备方法的方法流程示意图；

图2是本申请实施例提供的一个碳/碳坩埚托杆的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的另一碳/碳坩埚托杆的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一个筒状托杆预制体的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一个筒状托杆杆体的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一个托杆头的结构示意图；

附图标记：10-筒状杆体预制体，20-筒状托杆杆体，21-第一中空结构，22-内螺纹，30-托杆头，31-第二中空结构，32-螺牙。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

对于以下定义的术语，除非在权利要求书或本说明书中的其他地方给出一个不同的定义，否则应当应用这些定义。所有数值无论是否被明确指示，在此均被定义为由术语“约”修饰。术语“约”大体上是指一个数值范围，本领域的普通技术人员将该数值范围视为等同于所陈述的值以产生实质上相同的性质、功能、结果等。由一个低值和一个高值指示的一个数值范围被定义为包括该数值范围内包括的所有数值以及该数值范围内包括的所有子范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

以下介绍本申请实施例提供的碳/碳坩埚托杆的制备方法，包括下述步骤：

一方面，本申请提供一种碳/碳坩埚托杆的制备方法，请参考图1，包括以下步骤S1-S7。

S1：通过环刺针刺方法制得筒状杆体预制体10。

其中，筒状杆体预制体10包括层叠设置的碳纤维编织布和碳纤维网胎，筒状杆体预制体10具有第一中空结构21。

具体地，碳纤维编织布中的纤维长度大于碳纤维网胎中的纤维长度。碳纤维编织布中的纤维长度可以实现至少环绕筒状杆体预制体一圈，碳纤维网胎的纤维长度可以35～55mm，针刺处理后，其碳纤维长度可以为25～40mm。碳纤维编织布可以包括但不限于平板式编织碳布、经纬编织碳布或无纬编织碳布等。

一个实施例中，可以将单层的碳纤维编织布和单层的碳纤维网胎进行层叠铺设，即一层碳纤维编织布上设置一层碳纤维网胎形成碳纤维单元层，多个碳纤维单元层形成筒状杆体预制体10；如此，通过单层叠层循环铺设，有利于提高预制体的密度均匀性和纤维度均匀性。

具体地，第一中空结构21沿筒状杆体预制体10的轴向设置，在筒状杆体预制体10形成中空的孔道。一些实施例中，如图4所示，第一中空结构21可以包括沿筒状杆体预制体10轴向设置的一个圆柱孔道，圆柱孔道贯通筒状杆体预制体10的中部。另一些实施例中，第一中空结构21可以包括多个沿筒状杆体预制体10轴向设置的圆柱孔道，每一圆柱孔道的外壁为筒状碳纤维柱，筒状碳纤维柱可以由层叠设置的碳纤维编织布和碳纤维网胎围合形成，多个筒状碳纤维柱相邻粘接设置，形成具有多个圆柱孔道的第一中空结构21。如此，能够提高碳/碳坩埚托杆的承重强度，同时确保碳/碳坩埚托杆的轻质化。

具体地，针刺复合过程中，碳纤维网胎中的部分碳纤维提供Z向层间的连接，形成限位销钉结构，加强连接强度。

具体地，环刺针刺方法可以为圆管环刺工艺。可以通过环刺设备对多个碳纤维单元层进行针刺复合，得到上述筒状杆体预制体10，针刺密度可以为35～40刺/cm²，针刺深度可以为12～17mm。如此，通过对多个碳纤维单元层进行环刺加工，以制得筒状杆体预制体10，托杆杆体部分一步成型，无需后续的板体切削成型，在提高成品率的同时，显著降低角料裁切量，提高原料利用率，原料利用率可达85～90%以上，相较于现有的整板切削利用率，能够提升45-50%以上。并且，碳纤维单元层本身即具备大量气孔，针刺加工后，在碳纤维编织布和碳纤维网胎层间形成均匀布置的针刺孔隙，形成本体气孔和针刺孔隙的三维增密网络，有利于后续增密过程中含碳物质的浸润，以及含碳物质在层间的流动，降低表层结壳几率，提高增密效果，使其密度可达1.4 g/cm³以上，部分条件下，还可以达到1.8 g/cm³以上，同时降低增密时长需求，可以在120h完成增密处理。

实际应用中，筒状杆体预制体的内外径比例（第一中空结构的直径与筒状杆体预制体的外径间的比）为35～55%。具体地，第一中空结构21的直径可以为40～70mm，筒状杆体预制体10的外径可以为110～130mm。具体地，第一中空结构21的直径即筒状杆体预制体10内径可以例如为40mm，41mm，42 mm，43 mm，44 mm，45 mm，46 mm，61 mm，62 mm，63 mm，64mm，65 mm，66 mm，67 mm，68 mm，69 mm，70 mm等，需要说明的是，第一中空结构21的直径可以是40～70mm间的任意点值，本申请在此不做枚举。筒状杆体预制体10的外径可以例如为110mm，111mm，112 mm，113 mm，114 mm，115 mm，116 mm，121 mm，122 mm，123 mm，124 mm，125 mm，126 mm，127 mm，128 mm，129 mm，130 mm等，需要说明的是，筒状杆体预制体10的外径可以是110～130mm间的任意点值，本申请在此不做枚举。如此，通过合理设置第一中空结构21的直径和筒状杆体预制体10的外径，形成适当的壁厚/中空内径比，能够使托杆杆体在满足承重需求的同时降低原料用量，协同优化托杆承重性、抗热震性、制备成本和轻质性，进而提高坩埚托杆整体的力学性能和使用寿命。具体地，相比于切削一体成型的筒状碳纤维杆体，本申请的杆体承重强度可以提高30%以上，使用寿命可以提高40%以上。

具体地，筒状杆体预制体10中的长短纤维比例为(3-6):1，优选地，该长短纤维比例在为 (3-4):1。

具体地，筒状杆体预制体10中碳纤维编织布的克重为300～400g/m²，筒状杆体预制体10中碳纤维网胎的克重为60～120g/m²。通过设置克重至上述范围，能够在预制体内形成具有高支撑强度和韧性的三维纤维网络结构，制得的筒状托杆杆体的抗拉强度高于200MPa，抗折强度高于165MPa。

具体地，筒状杆体预制体10中碳纤维编织布的克重的下限值可以为300 g/m²，305g/m²，310 g/m²，315 g/m²，320 g/m²等，筒状杆体预制体10中碳纤维编织布的克重的上限值可以为400g/m²，395g/m²，390 g/m²，385 g/m²，380 g/m²等。

具体地，筒状杆体预制体10中碳纤维网胎的克重的下限值可以为60g/m²，55g/m²，50 g/m²，45 g/m²，40 g/m²等，筒状杆体预制体10中碳纤维网胎的克重的上限值可以为120g/m²，115g/m²，110 g/m²，105 g/m²，100g/m²等。

S2：通过板状针刺方法制得板状碳纤维预制体。

具体地，板状碳纤维预制体包括层叠设置的碳纤维编织布和碳纤维网胎，板状碳纤维预制体中碳纤维网胎的克重高于筒状杆体预制体10中碳纤维网胎的克重。碳纤维编织布和碳纤维网胎形成板状碳纤维预制体的碳纤维单元层。一个实施例中，与筒状杆体预制体10相类似的，碳纤维单元层可以包括一层碳纤维编织布和一层碳纤维网胎，以提高预制体密度均匀度和纤维度均匀性。

具体地，板状碳纤维预制体的厚度可以基于碳/碳坩埚托杆的托杆头30的尺寸需求设置，每一板状碳纤维预制体能够形成多个托杆头30坯体，如可以形成30-50件托杆头30坯体。如此，单独加工和制备托杆头30坯体所需的预制体，无需对托杆整体进行外径变径和内径变径的成型切削，满足托杆头30成型需求的同时，降低托杆整体的同轴度加工要求和形变控制要求，显著降低加工难度，进而提高成品率。同时，相较于现有的单次仅能形成一个托杆头30部的成型工艺，上述技术方案可一次性形成多个托杆头30部，提高加工效率，更有利于批量化产业生产。

具体地，板状针刺方法可以为平板针刺工艺。将碳纤维单元层层叠铺设于平板针刺设备上，通过平板针刺处理，得到板状碳纤维预制体。其中，针刺密度可以为30～35刺/cm2，针刺深度10～15mm。结合筒状杆体预制体10加工过程中的针刺密度和针刺深度，能够在两种预制体中形成足量增密物质通道的同时，避免过度破坏碳纤维单元层中的纤维强度和长纤维量，降低托杆成品内部缺陷量，提高承重强度和抗震性，降低碎裂几率，提高使用寿命。针刺密度和针刺深度过大的情况下，预制体碳纤维破坏率过高，降低长纤维含量，并提高缺陷率；针刺密度和针刺深度过小的情况下，降低增密通道量，影响增密均匀性，进而影响托杆成品的密度均匀性，且不利于层间结合强度。

具体地，板状碳纤维预制体中的长短纤维比为(2-4):1，短纤维的比例高于前述筒状杆体预制体。优选地，该长短纤维比例为 (3-3.5):1。

具体地，板状碳纤维预制体中碳纤维编织布的克重为300～400g/m²，板状碳纤维预制体中碳纤维网胎的克重为100～150g/m²。通过设置克重至上述范围，能够在预制体内形成具有高支撑强度和韧性的三维纤维网络结构，所制得的托杆头的抗折强度≥145MPa，在长短纤维比例为 (3-3.5):1时，抗拉强度≥210MPa，抗折强度≥180MPa。同时通过提高碳纤维网胎的克重至上述范围，能够在确保其强度需求的同时提高短纤维含量，短纤维层在多次液相浸渍增密过程中，不容易脆化，在长纤维层之间形成很好的过渡层，避免后续螺牙32加工过程中的“崩牙”问题，提高良品率。

具体地，板状碳纤维预制体中碳纤维编织布的克重的下限值可以为300 g/m²，305g/m²，310 g/m²，315 g/m²，320 g/m²等，板状碳纤维预制体中碳纤维编织布的克重的上限值可以为400g/m²，395g/m²，390 g/m²，385 g/m²，380 g/m²等。

具体地，板状碳纤维预制体中碳纤维网胎的克重的下限值可以为100g/m²，95g/m²，90 g/m²，85 g/m²，80 g/m²等，板状碳纤维预制体中碳纤维网胎的克重的上限值可以为150g/m²，145g/m²，140 g/m²，135 g/m²，130g/m²等。

S3：对筒状杆体预制体10和板状碳纤维预制体进行固化处理，得到固化的筒状杆体预制体10和固化的板状碳纤维预制体。

通过固化处理对筒状杆体预制体10和板状碳纤维预制体进行初步定型，降低后续加工过程中的形变量，有利于提高成品率。

实际应用中，S3可以具体包括下述步骤S31和S32。

S31：将预制胶液涂抹于筒状杆体预制体10的外表面，固化一定时间后，得到固化的筒状杆体预制体10。

具体地，将预制胶液均匀涂抹于筒状杆体预制体10的周向表面和轴向上两端的端面上，常温静置1～4h，或者，在120～160℃条件下，静置0.5～1H，形成固化的筒状杆体预制体10。

具体地，筒状杆体预制体10的重量与涂抹的预制胶液的重量间的比为(20～25) :1。如此，通过控制胶量与预制体重量间的比例于上述范围，能够在满足固化需求的同时，尽量降低胶量，使胶体渗入预制体内部，有利于后续增密处理过程。

具体地，预制胶液基于环氧树脂制得，具体可以由环氧树脂中的A组分和B组分以预设比例配置而成，预设比例可以为(3～4):1，A组份为低分子量高环氧值的环氧树脂，如E-51等，B组份为固化剂，成份为脂肪族或者芳香族胺，比如二乙烯三胺、三乙烯四胺、二乙醇胺等。或者，预制胶液可以由酚醛树脂、固化剂和溶剂混合配制而成，固化剂可以包括但不限于甲苯磺酸等，溶剂可以包括但不限于酒精等，酚醛树脂、固化剂和溶剂的重量比可以为(8～10) : (0.5～1.5) : (1～2)。如此，通过上述胶量和配比的预制胶液进行固化，增强筒状杆体预制体10的强度，防止外力导致的预制体形变或凹坑，提高成品率。并且，通过涂胶固化方式能够避免长度较长的筒状预制体的变形量，有利于其整体同轴性，避免后续与托杆头30的组装错配。

S32：对板状碳纤维预制体进行热压固化处理，得到固化的板状碳纤维预制体。

具体地，相较于板状碳纤维预制，热压固化后形成的固化的板状碳纤维预制体的压缩量可以为15～30%。如此，通过热压固化至上述压缩量，实现板状碳纤维预制体的初步增密，且保留足够的液相增密浸润性。压缩量过高不利于后续的增密过程，且会造成不可逆形变，降低成品率，若压缩量过低，则增加加密时长和加密量需求，提高时间成本且不利于轻质化。

实际应用中，可以在预设压力条件下通过程序升温处理对板状碳纤维预制体进行热压固化。一些实施例中，热压固化处理可以具体包括：将板状碳纤维预制体置于热压固化反应室中，控制反应室内温度由室温匀速升温至(100±5)℃，加热功率可以为120-180KW，优选为150KW；在(100±5)℃条件下保温50～80min，以确保反应室内和板状碳纤维预制体中各部分的温度均匀性，避免热压过程的热应力形变；控制反应室内温度由(100±5)℃匀速升温至(110±5)℃，升温时长为10～15min，逐步匀速升压至预设压力，进行加压操作，预设压力可以为15±1MPa；在该预设压力和(110±5)℃条件下保温1.5-2h；从(110±5)℃匀速升温至(130±5)℃，加热功率为100KW，并在(130±5)℃保温5h；降温降压后，得到固化的板状碳纤维预制体。在热压固化过程中，持续通入惰性气体，如氮气等，且在加热前对反应室进行抽真空处理，至真空度达到预设真空度。如此，通过程序升温和程序升压处理，在上述温度梯度、压力梯度、时长条件下进行热压固化操作，能够避免温升过快或温度不均匀造成的热压应力形变和破损，以及协同提高固化反应速率的稳定性和固化效率，优化固化效果的同时降低固化时长。

S4：采用气相沉积法对固化的筒状杆体预制体10进行气相增密处理，至固化的筒状杆体预制体10的体积密度达到大于等于第一预设密度，得到筒状托杆杆体20。

实际应用中，S4可以具体包括：将固化的筒状杆体预制体10置于气相沉积反应室中，通入惰性气体与碳源气体的混合气体，在预设沉积温度和预设气压下，对固化的筒状杆体预制体10进行气相增密处理，至固化的筒状杆体预制体10的体积密度达到大于等于第一预设密度，得到筒状托杆杆体20。通过气相沉积法对筒状杆体预制体10进行增密，使碳源气体进入第一中空结构21，以同时从外壁和内壁渗入预制体中，增大有效增密面积和增密效率，增密时长可降低至120h。同时，通过气相增密方法能够降低加压需求，确保筒状预制体的定型效果，避免过压造成的形变问题。

其中，在气相沉积反应室中，固化的筒状杆体预制体10的轴向沿混合气体的气流方向布置。具体的，筒状杆体预制体10的第一中空结构21的轴向与气流方向同向。如此，通过设置气流方向与筒状杆体预制体10的轴向同向，能够确保第一中空结构21中碳源气体的进入量和均匀度，优化增密效果。

具体地，在增密过程中，控制气相沉积反应室中的碳源气体的气流沿筒状杆体预制体10的第一中空结构进入，向上后再沿外壁循环向下，筒状杆体预制体10的外壁靠近反应室壁，反应室壁的温度较高，如此，气流先流入筒状杆体预制体10内，避免外壁气流裂解速度过快，造成的外壁、内壁沉积速度不均衡，降低外壁表面封孔几率，提高沉积效率。

具体地，第一预设密度为1.4～1.8 g/cm³。

具体地，惰性气体可以包括但不限于氮气等，碳源气体可以包括但不限于CH4等，碳源气体与惰性气体间的比例可以为(23～28):(7～11) m³/h，优选为26:8 m³/h。

具体地，预设沉积温度为950℃～1100℃，优选为1050℃，预设气压为4.2～4.4KPa，气相增密处理的处理时间为100～200h，优选地，气相增密处理的处理时间为100～140h或120h～140h等。现有工艺如板状碳纤维预制体整体切削工艺的增密时长普遍需要300h以上，本申请通过设置具有第一中空结构21的筒状碳纤维预制体结构、并分别控制筒状碳纤维预制体的内外径参数、针刺密度、针刺深度、碳纤维编织布的克重和碳纤维网胎的克重至上述范围，能够协同降低增密时长和增密压力要求，将增密效率提高30%以上。

S5：对固化的板状碳纤维预制体进行切削加工，得到多个托杆头预制体。

实际应用中，可以基于托杆头30的尺寸和形状需求对固化的板状碳纤维预制体进行切削加工，得到多个托杆头预制体。如此，可以一次性形成多个托杆头预制体，提高加工效率，且基于上述方式形成托杆头预制体，能够满足各种不同的形状需求，提高对不同坩埚的匹配适配性，降低加工刀具等设备要求。一些实施例中，托杆头30为椎台状，相应的，托杆头预制体也为椎台状。

具体地，托杆头预制体的外径尺寸中，大径可以为90～100mm，最小外径可以为38～50mm。

S6：基于预设浸渍增密方法对托杆头预制体进行液相增密处理，至托杆头预制体的体积密度达到大于等于第二预设密度，得到托杆头胚体。

具体地，第二预设密度为1.4～1.8 g/cm³。

实际应用中，S6可以具体包括：将托杆头预制体在预制树脂液中进行浸渍处理，然后基于程序升温处理对浸渍后的托杆头预制体进行碳化增密，循环执行浸渍处理和碳化增密的步骤，至托杆头预制体的体积密度达到大于等于第二预设密度，得到托杆头坯体。

具体地，预制树脂液可以包括但不限于酚醛树脂液等。浸渍处理的处理过程可以包括：树脂吸入完毕后，关闭树脂阀门，然后打开压力阀门，氮气加压到1.6-1.9 MPa，优选为1.7MPa，保压1-2.5h，优选为2h。期间浸渍温度由40-55℃匀速升至195-225℃，优选为由50℃匀速升至200℃，分4-5段升温，每段用时约40-60min；将托杆头预制体取出，去除多余树脂液后，静置，得到浸渍后的托杆头预制体，形成硬质状态。具体地，通过浸渍炉进行树脂液浸渍，浸渍炉和储胶罐连接，可以通过管道、阀门和压力控制，使储胶罐的预制树脂液流入或者流出浸渍炉。

碳化增密可以具体包括：将浸渍后的托杆头预制体置于碳化反应室中，在碳化反应室中形成真空环境（如0.1MPa以下）后通入保护气体至常压，程序升温进行碳化。上述程序升温的过程可以具体包括：控制碳化反应室内由室温均匀升温至第一碳化温度220℃，然后均匀升温至第二碳化温度650℃，上述升温时长为14～16h；然后控制温度由第二碳化温度650℃均匀升温至第三碳化温度850℃，升温时长为7～8h；在第三碳化温度下保温3～5.5h，优选为4h；自由降温后，得到托杆头坯体。其中，第一碳化温度可以为200～240℃，优选为220℃；第二碳化温度可以为600～680℃，优选为650℃；第三碳化温度可以为780～880℃，优选为850℃。

需要说明的是，在升温和降温过程中，持续通入保护气体；在进行程序升温前，对碳化反应室进行真空检测，先进行抽真空处理至碳化反应室中的真空度达-0.094MPa以上，关闭阀门及真空泵，保真空1h，若压升率小于等于0.002MPa/h，则充氮气至常压，打开放气阀，进行后续的程序升温处理。

如此，通过控制板状碳纤维预制体的针刺密度、针刺深度，以及托杆头预制体的液相增密的各条件参数和梯度均匀升温处理，能够使预制体均匀排气，缓慢释放热应力，从而获得层间结合良好，变形微小的托杆头坯体。并且，在增密前进行板状碳纤维预制体的切削操作，降低切削难度和设备要求的同时，显著缩短后续的增密周期和提高托杆头胚体的密度均匀性。具体地，循环执行浸渍处理和碳化增密的步骤的周期数达到1-2个周期后，托杆头预制体的体积密度可达1.4g/cm³以上，3-4个周期后，可达1.8g/cm³以上。

S7：在托杆头胚体上形成第二中空结构31，得到托杆头30，第二中空结构31的径向尺寸小于所述第一中空结构21的径向尺寸。

实际应用中，可以基于托杆头30的内径需求对板状碳纤维坯体进行切削加工，形成第二中空结构。如此，在增密后进行内径加工，避免增密过程中的胚体形变，并提高内径加工的良品率，降低内壁瑕疵量，确保具备加工余量。一些实施例中，第二中空结构31沿托杆头30的轴向设置，可以与托杆头30同轴，其它结构特征与前述的第一中空结构21相类似，在此不再赘述。

具体地，第二中空结构31的直径即托杆头30的内径为10mm～14mm。第二中空结构31的径向尺寸小于第一中空结构21的径向尺寸。需要说明的是，托杆头30的内径可以为10mm～14mm中的任意点值，如10mm，11mm，12mm，13mm或14mm等。

具体地，托杆头30的外径尺寸中，大径可以为90～100mm，最小外径可以为38～50mm。

实际应用中，在S7之前，方法还可以包括：对筒状托杆杆体20和托杆头胚体进行高温加热处理。相应的，S7可以具体包括：对高温加热处理后的托杆头胚体进行切削加工，得到多个托杆头30。

具体地，通过高温加热处理，能够进一步对筒状托杆杆体20和托杆头胚体进行石墨化，提高纯化度和适当软质化，有利于提高其抗震性能和机加工，降低加工刀具的磨损。

具体地，高温加热处理可以具体包括：将筒状托杆杆体20和托杆头胚体置于高温处理室中，高温处理室中为惰性气体环境，通过程序升温至2000-2400℃，保温进行高温石墨化，降温后可得纯化的筒状托杆杆体20和托杆头胚体。一个实施例中，上述程序升温过程可以包括：控制高温处理室中温度由室温均匀升温至(2200±20)℃，升温时长为30h，在(2200±20)℃下保温3-5.5h，优选为5h。降温过程可以为自由降温，或降温至一定温度后如800℃，进行强制冷却。

具体地，高温处理室中的惰性气体可以为氩气等，高温处理室中的气压可以为2.8-3.1KPa，可以在温度达到1700-1800℃后，充入氩气保护，并持续抽真空，保持压力为2.8-3.1KPa，优选为3KPa，至保温3-5.5h后，停止抽真空并降温。

S8：对托杆头30和筒状托杆杆体20进行组装处理，得到碳/碳坩埚托杆。

本申请实施例中，托杆头30与筒状托杆杆体20可以插接、卡接、粘接或螺接等。

一些实施例中，托杆头30与筒状托杆杆体20螺接，相应的，S7可以具体包括下述步骤：

S81：在筒状托杆杆体20的内壁上加工形成内螺纹22，内螺纹22位于筒状托杆杆体20的轴向上的一端，在托杆头30的外壁上加工形成与内螺纹22相匹配的螺牙32；

S82：基于内螺纹22和螺牙32对托杆头30和筒状托杆杆体20进行组装，得到碳/碳坩埚托杆。

请参考图2-图3，第一中空结构21为贯通筒状托杆杆体20的通道，内螺纹22形成在第一中空结构21沿轴向上的一端端缘处。螺牙32形成于托杆头30轴向的一端端缘外壁上，如椎台的底面一端的端缘外壁上。相应的，托杆头30和筒状托杆杆体20螺接后，形成碳/碳坩埚托杆。如此，通过分体式可拆卸连接结构加工和组装，满足易耗损的托杆头30更换需求，降低使用成本。

综上，基于本申请的技术方案，采用分体式设计，对杆体部分采用环刺工艺形成的筒状预制体，托杆头部分采用板状针刺工艺形成的板状预制体，极大提升成品率，成品率可达85～90%以上，且环刺工艺制成的筒状杆体预制体在后续增密过程中，更易致密，显著缩短了生产周期，降低了生产成本。托杆头部的预制体采用平板针刺成型工艺，一件托杆头部的预制体可加工几十件碳/碳托杆头部，对比整板加工整体托杆，对机加工设备及能力的要求大大降低，进一步降低加工成本，提高加工效率。

另一方面，本申请提供一种碳/碳坩埚托杆，碳/碳坩埚托杆采用上述制备方法制得。

具体地，请参考图5-图6，碳/碳坩埚托杆包括托杆头30和筒状托杆杆体20，筒状托杆杆体20具有第一中空结构21，具有第二中空结构31。

具体地，第一中空结构21沿轴向贯通筒状托杆杆体20；第二中空结构31沿轴向贯通托杆头30。

可选地，筒状托杆杆体20为中空圆柱筒状；托杆头30为椎台状。

可选地，第一中空结构21的直径即筒状托杆杆体20的内径为40～70mm，第二中空结构31的直径即托杆杆体的内径为10mm～14mm。

可选地，筒状托杆杆体20的外径为110～130mm，托杆头30的外径为托杆头30的径可以为90～100mm，最小外径可以为38～50mm。

可选地，筒状托杆杆体20和托杆头30的长度可以基于实际需求设定，如筒状托杆杆体20长度可以为900mm-1200mm，托杆头30的长度可以为100mm-150mm。

可选地，筒状托杆杆体20的轴向上一端的内壁上形成有内螺纹22，托杆头30的径向尺寸较大的一端的端缘外壁上形成有与内螺纹22匹配的螺牙32，筒状托杆杆体20和托杆头30，通过该内螺纹22和螺牙32螺接。

另一方面，本申请提供一种单晶炉，单晶炉包括如上的碳/碳坩埚托杆。

以下结合上述技术方案介绍本申请的实施例和对比例。

实施例1-5对比例1-2中的碳/碳坩埚托杆采用下述方法制得：

S100：通过环刺针刺方法制得筒状杆体预制体10；

S200：通过平板针刺方法制得板状碳纤维预制体；

具体地，S100和S200中的针刺密度为35～40刺/cm2，针刺深度为12-17mm；

S300：将预制胶液均匀涂抹于筒状杆体预制体10外表面，在120～160℃条件下，静置0.5～1H，形成固化的筒状杆体预制体10；

S400：通过程序升温对板状碳纤维预制体进行热压固化处理，得到固化的板状碳纤维预制体。热压固化条件同前述步骤S32，在此不做赘述；

S500：采用气相沉积法对固化的筒状杆体预制体10进行气相增密处理，至固化的筒状杆体预制体10的体积密度达到大于等于第一预设密度，得到筒状托杆杆体20；采用的碳源气体和相关条件如上述S4，在此不做赘述；

S600：对固化的板状碳纤维预制体进行切削加工，得到多个托杆头预制体；

S700：基于预设浸渍增密方法对托杆头预制体进行液相增密处理，至托杆头预制体的体积密度达到大于等于第二预设密度，得到托杆头胚体。其中，预设浸渍增密方法同上述S6，在此不做赘述；

S800：在托杆头胚体上形成第二中空结构31，得到托杆头30；

S900：在筒状托杆杆体20的内壁上加工形成内螺纹22，在托杆头30的外壁上加工形成与内螺纹22相匹配的螺牙32；

S1000：通过内螺纹22和螺牙32组装筒状托杆杆体20和托杆头30，形成碳/碳坩埚托杆。

对比例3中的碳/碳坩埚托杆的制备方法包括：提供碳纤维板状预制体，对碳纤维板状预制体进行固化、气相增密和整体切削加工，形成与实施例1-5中相同外径和长度的碳/碳坩埚托杆。固化与实施例1-5中的热压固化处理相同，气相增密条件与实施例1-5中相同。

实施例1-5和对比例的相关参数见表1，表中，A为筒状杆预制体中碳纤维编织布的克重，B为筒状杆预制体中碳纤维网胎的克重，C为板状碳纤维预制体中碳纤维编织布的克重，D为板状碳纤维预制体中碳纤维编网胎的克重，单位均为g/m²，H为气相增密处理时长，单位为h，R为筒状杆体预制体10的内径与外径间的比。

采用的材料参数测试方法具体如下：

1）力学性能测试采用万能测试机，抗折强度和抗拉强度的测试标准选用GB/T1449-2005和GB/T 33501-2017。

2）体积密度的测试方法：通过CAD等绘图软件读取碳/碳坩埚托杆体积，控制成品机加工精度为±0.02mm，称取碳/碳坩埚托杆重量计算得到体积密度。

表1

综上，本申请具有以下有益效果：本申请采用分体式设计，对杆体部分采用环刺工艺形成的筒状预制体，托杆头部分采用板状针刺工艺形成的板状预制体，满足不同内径和形状加工需求，极大提升原料利用率和成品率，成品率可达85～90%，且两种预制体可采用不同增密工艺，环刺工艺制成的筒状杆体预制体在后续气相增密过程中，更易致密，显著缩短了生产周期，降低了生产成本。托杆头部的预制体采用平板针刺成型工艺，一件托杆头部的预制体可加工几十件碳/碳托杆头部，对比整板加工整体托杆，对机加工设备及能力的要求大大降低，进一步降低加工成本，提高加工效率。

本申请制得的碳/碳坩埚托杆的承重强度可达600公斤以上，密度可达1.6g/cm³以上，良品率可达95%以上，原料利用率可达85～90%以上，碳/碳坩埚托杆的抗拉强度可达200MPa以上，抗折强度可达165MPa以上，密度均匀度可达95%以上。

上述说明已经充分揭露了本申请的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本申请的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本申请的权利要求书的范围。相应地，本申请的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种碳/碳坩埚托杆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过环刺针刺方法制得筒状杆体预制体（10），所述筒状杆体预制体（10）包括层叠设置的碳纤维编织布和碳纤维网胎，所述筒状杆体预制体（10）具有第一中空结构（21）；

通过板状针刺方法制得板状碳纤维预制体，所述板状碳纤维预制体包括层叠设置的碳纤维编织布和碳纤维网胎，所述板状碳纤维预制体中碳纤维网胎的克重高于所述筒状杆体预制体（10）中碳纤维网胎的克重；

对所述筒状杆体预制体（10）和所述板状碳纤维预制体进行固化处理，得到固化的筒状杆体预制体（10）和固化的板状碳纤维预制体；

采用气相沉积法对所述固化的筒状杆体预制体（10）进行气相增密处理，至所述固化的筒状杆体预制体（10）的体积密度达到大于等于第一预设密度，得到筒状托杆杆体（20）；

对所述固化的板状碳纤维预制体进行切削加工，得到多个托杆头预制体；

基于预设浸渍增密方法对所述托杆头预制体进行液相增密处理，至所述托杆头预制体的体积密度达到大于等于第二预设密度，得到托杆头胚体；

在所述托杆头胚体上形成第二中空结构（31），得到托杆头（30），所述第二中空结构（31）的径向尺寸小于所述第一中空结构（21）的径向尺寸；

对所述托杆头（30）和所述筒状托杆杆体（20）进行组装处理，得到所述碳/碳坩埚托杆。

2.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述筒状杆体预制体（10）中碳纤维编织布的克重为300～400g/m²，所述筒状杆体预制体（10）中碳纤维网胎的克重为60～120g/m²；

所述板状碳纤维预制体中碳纤维编织布的克重为300～400g/m²，所述板状碳纤维预制体中碳纤维网胎的克重为100～150g/m²。

3.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述第一中空结构（21）的直径为40～70mm，所述第二中空结构（31）的直径为10mm～14mm。

4.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述对所述托杆头（30）和所述筒状托杆杆体（20）进行组装处理，得到所述碳/碳坩埚托杆包括：

在所述筒状托杆杆体（20）的内壁上加工形成内螺纹（22），所述内螺纹（22）位于所述筒状托杆杆体（20）的轴向上的一端，在所述托杆头（30）的外壁上加工形成与所述内螺纹（22）相匹配的螺牙（32）；

基于所述内螺纹（22）和所述螺牙（32），对所述托杆头（30）和所述筒状托杆杆体（20）进行组装，得到所述碳/碳坩埚托杆。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一预设密度为1.4～1.8 g/cm³，所述第二预设密度为1.4～1.8 g/cm³。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述采用气相沉积法对所述固化的筒状杆体预制体（10）进行气相增密处理，至所述固化的筒状杆体预制体（10）的体积密度达到大于等于第一预设密度，得到筒状托杆杆体（20）包括：

将所述固化的筒状杆体预制体（10）置于气相沉积反应室中，通入惰性气体与碳源气体的混合气体，在预设沉积温度和预设气压下，对所述固化的筒状杆体预制体（10）进行气相增密处理，至所述固化的筒状杆体预制体（10）的体积密度达到大于等于所述第一预设密度，得到所述筒状托杆杆体（20）；

其中，在所述气相沉积反应室中，所述固化的筒状杆体预制体（10）的轴向沿所述混合气体的气流方向布置。

7.根据权利要求6中所述的制备方法，其特征在于，所述预设沉积温度为950℃～1100℃，所述预设气压为4.2～4.4KPa，所述气相增密处理的处理时间为120～200h。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述基于预设浸渍增密方法对所述托杆头预制体进行液相增密处理，至所述托杆头预制体的体积密度达到大于等于第二预设密度，得到托杆头胚体包括：

将所述托杆头预制体在预制树脂液中进行浸渍处理，然后基于程序升温处理对浸渍后的托杆头预制体进行碳化增密，循环执行所述浸渍处理和所述碳化增密的步骤，至所述托杆头预制体的体积密度达到大于等于所述第二预设密度，得到所述托杆头坯体。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述托杆头胚体上形成第二中空结构（31），得到托杆头（30）之前，所述方法还包括：

对所述筒状托杆杆体（20）和所述托杆头胚体进行高温加热处理；

所述在所述托杆头胚体上形成第二中空结构（31），得到托杆头（30）包括：

对高温加热处理后的托杆头胚体进行切削加工，得到所述多个托杆头（30）。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述对所述筒状杆体预制体（10）和所述板状碳纤维预制体进行固化处理，得到固化的筒状杆体预制体（10）和固化的板状碳纤维预制体包括：

将预制胶液涂抹于所述筒状杆体预制体（10）的外表面，固化一定时间后，得到所述固化的筒状杆体预制体（10）；

对所述板状碳纤维预制体进行热压固化处理，得到所述固化的板状碳纤维预制体。

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