CN117947500A - 一种单晶炉底加热器的制备方法及单晶炉底加热器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及碳碳复合材料技术领域，具体公开了一种单晶炉底加热器的制备方法及单晶炉底加热器，单晶炉底加热器的制备方法包括以下步骤：制备捏合料；制备球磨料；制备改性长丝碳纤维预浸布：裁切，在预浸布表面包裹一层球磨料；装填预压：重复铺设捏合料和改性长丝碳纤维预浸布，预压，得到坯体，沿坯体厚度方向形成多个针孔，得到扎孔坯体；模压成型：将扎孔坯体进行模压处理，再进行高温热处理，得到模压坯体；后处理：将模压坯体依次进行碳化处理、石墨化处理和气相沉积，得到单晶炉底加热器。本申请的制备方法具有降低底加热器表面出现开裂炸皮现象的概率的优点。
Description
技术领域
本发明涉及单晶炉加热设备技术领域，尤其是涉及一种单晶炉底加热器的制备方法及单晶炉底加热器。
背景技术
单晶正常生长离不开加热器,加热器已成为当前直拉单晶炉的重要系统之一,加热器的主要作用是为石英坩埚提供热量，使硅料融化，同时为单晶硅的生长提供合适的热场环境。单晶炉中的底加热器与主加热器共同为坩埚供热，可有效缩短硅料化料时间，提高直拉单晶炉的效率。目前，底加热器大多采用石墨制成，石墨强度低、抗热震性差、使用寿命短，而碳碳复合材料具有密度低、比强度高、耐磨损、耐高温、热膨胀系数小等优良性能，是替代石墨制品的理想替代品。
相关技术中公开了一种单晶炉底加热器的制备方法，采用碳布和碳纤维制备底加热器，然后用树脂反复浸渍碳化对底加热器进行增密处理，最后经过石墨化得到底加热器。
针对上述相关技术，由于多次浸渍增加了树脂的用量，树脂在碳化分解时产生大量气体，容易导致底加热器表面出现开裂炸皮现象。
发明内容
为了降低底加热器表面出现开裂炸皮现象的概率，本申请提供一种单晶炉底加热器的制备方法。
第一方面，本申请提供一种单晶炉底加热器的制备方法，采用如下的技术方案：
一种单晶炉底加热器的制备方法，包括以下步骤：
制备捏合料：将增碳剂、沥青包覆短切碳纤维、酚醛树脂、碳化硅、硅粉、羧甲基纤维素和水进行捏合，烘干，粉碎，得到捏合料；
制备球磨料：将酚醛树脂和碳化硅进行干法球磨，得到球磨料；
制备改性长丝碳纤维预浸布：按照底加热器的形状对长丝碳纤维预浸布进行裁切，在裁切后的长丝碳纤维预浸布表面包裹一层球磨料，得到改性长丝碳纤维预浸布；
装填预压：在底加热器模具内铺设一层捏合料，再铺设一层改性长丝碳纤维预浸布，重复铺设捏合料和改性长丝碳纤维预浸布，铺设完毕后进行预压，得到坯体，沿坯体厚度方向形成多个针孔，针孔贯穿整个坯体，得到扎孔坯体；
模压成型：将扎孔坯体进行模压处理，再进行高温热处理，得到模压坯体；
后处理：将模压坯体依次进行碳化处理、石墨化处理和气相沉积，得到单晶炉底加热器。
通过采用上述技术方案，由于扎孔坯体在模压处理进行了高温热处理，能够充分去除坯体中的水分，释放出酚醛树脂固化时的残余应力，降低后续碳化处理时开裂炸皮的概率；由于采用沥青包覆短切碳纤维，坯体在高温热处理时，少量沥青会软化渗入坯体内较大的缝隙，优化孔隙结构，改善力学性能；由于本申请对预压后的坯体进行扎孔，坯体在模压成型后依然保留有较多的针孔，为酚醛树脂碳化时产生的小分子气体提供排出的通道，进一步降低坯体碳化开裂炸皮的概率；由于长丝碳纤维预浸布表面包裹了一层球磨料，球磨料中的酚醛树脂起到提高预浸布层与捏合料层之间结合力的作用，降低两层材料的分层概率，另外，球磨料中的部分酚醛树脂在模压处理时融化粘结在针孔内壁，既能够使针孔直径变小，避免针孔太大对底加热器的力学性能和导电性能造成不利影响。因此，本申请具有降低底加热器表面出现开裂炸皮现象的概率的效果。
可选的，装填预压步骤中，每层捏合料的厚度占总厚度的8-12％，
可选的，所述捏合料的各原料重量份数如下：
增碳剂50-70份；
沥青包覆短切碳纤维5-15份；
酚醛树脂10-25份；
碳化硅1-5份；
硅粉1-3份；
羧甲基纤维素0.8-1.2份；
水30-40份。
通过采用上述技术方案，增碳剂能够改变底加热器的纤维组织结构，提高底加热器的强度、韧性和耐磨性；沥青包覆短切碳纤维提高了底加热器的弯曲强度；酚醛树脂作为粘接剂，与其他原料结合，能够提高底加热器的力学性能和热稳定性；碳化硅和硅粉提高了底加热器的密度与抗腐蚀能力；羧甲基纤维素的分子结构中含有羧甲基基团，可以与碳纤维表面产生化学键合，形成化学交联的网络结构，增强碳纤维之间的相互作用力。这种化学交联的结构可以显著提高复合材料的抗拉强度、抗压强度和弹性模量等力学性能，在上述配比范围内，能够提高底加热器的力学性能。
可选的，所述沥青包覆短切碳纤维的制备方法包括以下步骤：
预处理：将短切碳纤维置于惰性气氛中，升温至550-650℃，恒温4-6h，得到预处理碳纤维；包覆处理：将预处理碳纤维和粉末沥青混合后振动3-5min，在85-95℃下加热1-2min，得到沥青包覆短切碳纤维。
通过采用上述技术方案，预处理步骤能够去除短切碳纤维表面的上浆剂，提高沥青与短切碳纤维的结合力；粉末沥青通过物理吸附的方式吸附在短切碳纤维表面，控制较短的加热时间，既能够使粉末沥青软化浸润并包裹在短切碳纤维表面，也不会使预处理碳纤维粘连成团。
可选的，所述粉末沥青和预处理碳纤维的质量比为(4-6)：100。
通过采用上述技术方案，粉末沥青的量太少，不能使针孔直径变小，对底加热器的力学性能和导电性能造成不利影响；粉末沥青的量太多，在包覆处理中的加热步骤时，会导致预处理碳纤维粘连成团，影响使用。
可选的，所述球磨料中酚醛树脂和碳化硅的质量比为(8-9)：(1-2)。
通过采用上述技术方案，酚醛树脂作为预浸布层与捏合料层的粘接剂，降低两层材料的分层概率；碳化硅提高了底加热器的密度与抗腐蚀能力，因此，酚醛树脂的用量大于碳化硅的用量；此外，部分酚醛树脂在模压处理时融化粘结在针孔内壁，既能够使针孔直径变小，也不会使针孔被堵塞，避免针孔太大对底加热器的力学性能和导电性能造成不利影响。
可选的，在制备改性长丝碳纤维预浸布的步骤中，在裁切之前，先对长丝碳纤维预浸布进行真空处理：将长丝碳纤维预浸布在真空度为-0.01MPa的环境中处理5-7h。
通过采用上述技术方案，真空处理能够充分去除长丝碳纤维预浸布中预浸树脂中的气泡，避免气泡在碳化阶段膨胀逸出，降低坯体碳化时开裂炸皮的概率。
可选的，在裁切后的长丝碳纤维预浸布表面包裹一层球磨料的具体方法包括以下步骤：
将球磨料均匀洒在第一离型纸上表面，再铺设长丝碳纤维预浸布，在长丝碳纤维预浸布的上表面再洒一层球磨料，再铺设第二离型纸，压实；或将球磨料均匀洒在第一离型纸上表面，再铺设长丝碳纤维预浸布，再铺设第二离型纸，压实，取出长丝碳纤维预浸布，再将球磨料均匀洒在第一离型纸上表面，再铺设翻面后的长丝碳纤维预浸布，再铺设第二离型纸，压实。
通过采用上述技术方案，在长丝碳纤维预浸布的两面均匀包裹足够量的球磨料，降低预浸布层与捏合料层的分层概率。
可选的，所述预压的压力为4-6MPa，时间为20-40s。
通过采用上述技术方案，预压步骤将捏合料和改性长丝碳纤维预浸布压实，有利于后续进行扎孔形成针孔，预压压力太大会导致坯体密度太高，不利于扎孔和气体的逸出，预压压力太小，难以将物料压实。
可选的，所述针孔的直径为0.5-2mm，针孔的密度为25-100个/cm2。
通过采用上述技术方案，针孔直径太大，会降低底加热器的力学性能；针孔直径太小，在模压成型后容易被堵住，坯体碳化时容易开裂炸皮；针孔密度太大，会降低底加热器的力学性能；针孔密度太小，气体逸出的通道太少，坯体碳化时容易开裂炸皮。
可选的，所述模压处理的压力为8-15MPa，温度为120-180℃，时间为20-40min。
通过采用上述技术方案，模压的压力太大，或者温度太高，会导致针孔被堵塞，气体逸出的通道太少，坯体碳化时容易开裂炸皮；模压的压力太小，或者温度太低，针孔没有被压缩变小，底加热器的力学性能会变差。
可选的，所述高温热处理的温度为240-260℃，时间为20-50h。
通过采用上述技术方案，在上述温度和时间范围内，既可以充分去除坯体中的水分，也能够使沥青包覆短切碳纤维表面的沥青充分软化并粘结在针孔内壁，既能够使针孔直径变小，也不会使针孔被堵塞，避免针孔太大对底加热器的力学性能和导电性能造成不利影响。
可选的，所述增碳剂选自石墨、石油焦、石墨烯、单壁碳纳米管、和淀粉中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，当增碳剂中含有石油焦时，因为石油焦的挥发分较大，其在酚醛树脂碳化之前分解，可在坯体内产生微孔，降低坯体碳化炸皮的概率；淀粉可以起到造孔剂的作用，降低坯体碳化炸皮的概率；石墨烯的片层结构与单壁碳纳米管的结构也有利于气体的逸出，同时石墨烯和单壁碳纳米管可增加底加热器的导热、导电和力学性能。
第二方面，本申请提供一种单晶炉底加热器的制备方法的制备方法，采用如下的技术方案：
一种单晶炉底加热器，其特征在于：采用上述的单晶炉底加热器的制备方法制得。
通过采用上述技术方案，制得的底加热器既不会出现开裂炸皮现象，而且具有较好的力学性能、导电性和抗氧化性。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用高温热处理、沥青包覆短切碳纤维和扎孔，为酚醛树脂碳化时产生的小分子气体提供排出的通道，降低坯体碳化开裂炸皮的概率。
2、本申请中优选在长丝碳纤维预浸布表面包裹了一层球磨料，球磨料中的酚醛树脂起到提高预浸布层与捏合料层之间结合力的作用，降低两层材料的分层概率。
3、本申请采用捏合料、球磨料和长丝碳纤维预浸布制备底加热器，提高了底加热器的力学性能、导电性和抗氧化性。
4、本申请采用模压成型工艺，不需要浸渍增密，缩短生产周期，降低生产成本。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
下述的长丝碳纤维预浸布是由T700碳纤维负载酚醛树脂后制得，酚醛树脂的质量占碳纤维质量的40％。
实施例
实施例1
一种单晶炉底加热器的制备方法，包括以下步骤：
制备捏合料：将50kg增碳剂、5kg沥青包覆短切碳纤维、10kg酚醛树脂、1kg碳化硅、1kg硅粉、0.8kg羧甲基纤维素和30kg水在捏合机中进行捏合，转速30rpm，捏合时间1h，增碳剂为石墨，烘干，粉碎后过1.5mm筛网，得到捏合料；
制备球磨料：将8kg酚醛树脂和2kg碳化硅进行干法球磨，得到球磨料；
制备改性长丝碳纤维预浸布：按照底加热器的形状对长丝碳纤维预浸布进行裁切，在裁切后的长丝碳纤维预浸布表面包裹一层球磨料：将球磨料均匀洒在第一离型纸上表面，再铺设长丝碳纤维预浸布，再铺设第二离型纸，压实，取出长丝碳纤维预浸布，再将球磨料均匀洒在第一离型纸上表面，再铺设翻面后的长丝碳纤维预浸布，再铺设第二离型纸，压实，球磨料与改性长丝碳纤维预浸布的质量比为8:100，得到改性长丝碳纤维预浸布；
装填预压：在底加热器模具内铺设一层捏合料，再铺设一层改性长丝碳纤维预浸布，重复铺设捏合料和改性长丝碳纤维预浸布，每层捏合料的厚度占总厚度的8％，铺设完毕后进行预压，预压的压力为4MPa，时间为40s，得到坯体，采用针板沿坯体厚度方向扎设多个针孔，针孔贯穿整个坯体，针孔的直径为0.5mm，针孔的密度为100个/cm2，得到扎孔坯体；
模压成型：将扎孔坯体进行模压处理，模压处理的压力为8MPa，温度为120℃，时间为40min，再进行高温热处理，高温热处理的温度为240℃，时间为50h，得到模压坯体；
后处理：将模压坯体依次进行碳化处理：以20℃/h的升温速率升温至900℃，碳化4h，再进行石墨化处理：在2100℃下处理6h；再进行气相沉积：以氢气为稀释气体，以天然气为碳源气体，氮气流量0.6m3/h，天然气通入量25L/h，炉内压力1500Pa，沉积10h，得到单晶炉底加热器。
其中，沥青包覆短切碳纤维的制备方法包括以下步骤：
预处理：将短切碳纤维置于氮气气氛中，升温至550℃，恒温6h，得到预处理碳纤维；
包覆处理：将10kg预处理碳纤维和0.4kg粉末沥青混合后振动3min，粉末沥青的目数为300目，沥青的软化点为85℃，在85℃下加热2min，得到沥青包覆短切碳纤维。
上述的酚醛树脂均为粉末状2123酚醛树脂。
实施例2
一种单晶炉底加热器的制备方法，包括以下步骤：
制备捏合料：将60kg增碳剂、10kg沥青包覆短切碳纤维、18kg酚醛树脂、3kg碳化硅、2kg硅粉、1kg羧甲基纤维素和35kg水在捏合机中进行捏合，转速30rpm，捏合时间2h，增碳剂为石墨烯，烘干，粉碎后过1.5mm筛网，得到捏合料；
制备球磨料：将8.5kg酚醛树脂和1.5kg碳化硅进行干法球磨，得到球磨料；
制备改性长丝碳纤维预浸布：按照底加热器的形状对长丝碳纤维预浸布进行裁切，在裁切后的长丝碳纤维预浸布表面包裹一层球磨料：将球磨料均匀洒在第一离型纸上表面，再铺设长丝碳纤维预浸布，在长丝碳纤维预浸布的上表面再洒一层球磨料，再铺设第二离型纸，压实，球磨料与改性长丝碳纤维预浸布的质量比为10:100，得到改性长丝碳纤维预浸布；
装填预压：在底加热器模具内铺设一层捏合料，再铺设一层改性长丝碳纤维预浸布，重复铺设捏合料和改性长丝碳纤维预浸布，每层捏合料的厚度占总厚度的10％，铺设完毕后进行预压，预压的压力为5MPa，时间为30s，得到坯体，采用针板沿坯体厚度方向扎设多个针孔，针孔贯穿整个坯体，针孔的直径为0.5mm，针孔的密度为50个/cm2，得到扎孔坯体；
模压成型：将扎孔坯体进行模压处理，模压处理的压力为8MPa，温度为120℃，时间为30min，再进行高温热处理，高温热处理的温度为250℃，时间为35h，得到模压坯体；
后处理：将模压坯体依次进行碳化处理：以20℃/h的升温速率升温至900℃，碳化5h，再进行石墨化处理：在2200℃下处理4h；再进行气相沉积：以氢气为稀释气体，以天然气为碳源气体，氮气流量0.8m3/h，天然气通入量28L/h，炉内压力2500Pa，沉积15h，得到单晶炉底加热器。
其中，沥青包覆短切碳纤维的制备方法包括以下步骤：
预处理：将短切碳纤维置于氮气气氛中，升温至600℃，恒温5h，得到预处理碳纤维；
包覆处理：将10kg预处理碳纤维和0.5kg粉末沥青混合后振动4min，粉末沥青的目数为300目，沥青的软化点为85℃，在90℃下加热1.5min，得到沥青包覆短切碳纤维。
上述的酚醛树脂均为粉末状2123酚醛树脂。
实施例3
一种单晶炉底加热器的制备方法，包括以下步骤：
制备捏合料：将70kg增碳剂、15kg沥青包覆短切碳纤维、25kg酚醛树脂、5kg碳化硅、3kg硅粉、1.2kg羧甲基纤维素和40kg水在捏合机中进行捏合，转速30rpm，捏合时间3h，增碳剂为石墨，烘干，粉碎后过1.5mm筛网，得到捏合料；
制备球磨料：将9kg酚醛树脂和1kg碳化硅进行干法球磨，得到球磨料；
制备改性长丝碳纤维预浸布：按照底加热器的形状对长丝碳纤维预浸布进行裁切，在裁切后的长丝碳纤维预浸布表面包裹一层球磨料：将球磨料均匀洒在第一离型纸上表面，再铺设长丝碳纤维预浸布，再铺设第二离型纸，压实，取出长丝碳纤维预浸布，再将球磨料均匀洒在第一离型纸上表面，再铺设翻面后的长丝碳纤维预浸布，再铺设第二离型纸，压实，球磨料与改性长丝碳纤维预浸布的质量比为12:100，得到改性长丝碳纤维预浸布；
装填预压：在底加热器模具内铺设一层捏合料，再铺设一层改性长丝碳纤维预浸布，重复铺设捏合料和改性长丝碳纤维预浸布，每层捏合料的厚度占总厚度的12％，铺设完毕后进行预压，预压的压力为6MPa，时间为20s，得到坯体，采用针板沿坯体厚度方向扎设多个针孔，针孔贯穿整个坯体，针孔的直径为0.5mm，针孔的密度为25个/cm2，得到扎孔坯体；
模压成型：将扎孔坯体进行模压处理，模压处理的压力为8MPa，温度为120℃，时间为20min，再进行高温热处理，高温热处理的温度为260℃，时间为20h，得到模压坯体；
后处理：将模压坯体依次进行碳化处理：以20℃/h的升温速率升温至900℃，碳化6h，再进行石墨化处理：在2300℃下处理2h；再进行气相沉积：以氢气为稀释气体，以天然气为碳源气体，氮气流量1m3/h，天然气通入量30L/h，炉内压力4000Pa，沉积20h，得到单晶炉底加热器。
其中，沥青包覆短切碳纤维的制备方法包括以下步骤：
预处理：将短切碳纤维置于氮气气氛中，升温至650℃，恒温4h，得到预处理碳纤维；
包覆处理：将10kg预处理碳纤维和0.6kg粉末沥青混合后振动5min，粉末沥青的目数为300目，沥青的软化点为85℃，在95℃下加热1min，得到沥青包覆短切碳纤维。
上述的酚醛树脂均为粉末状2123酚醛树脂。
实施例4
与实施例2的不同之处在于，模压处理的压力为11MPa。
实施例5
与实施例2的不同之处在于，模压处理的压力为15MPa。
实施例6
与实施例2的不同之处在于，模压处理的压力为6MPa。
实施例7
与实施例2的不同之处在于，模压处理的压力为18MPa。
实施例8
与实施例4的不同之处在于，模压处理的温度为150℃。
实施例9
与实施例4的不同之处在于，模压处理的温度为180℃。
实施例10
与实施例4的不同之处在于，模压处理的温度为100℃。
实施例11
与实施例4的不同之处在于，模压处理的温度为200℃。
实施例12
与实施例8的不同之处在于，针孔的直径为1mm。
实施例13
与实施例8的不同之处在于，针孔的直径为2mm。
实施例14
与实施例8的不同之处在于，针孔的直径为0.3mm。
实施例15
与实施例8的不同之处在于，针孔的直径为3mm。
实施例16
与实施例1的不同之处在于，在制备改性长丝碳纤维预浸布的步骤中，在裁切之前，先对长丝碳纤维预浸布进行真空处理：将长丝碳纤维预浸布在真空度为-0.01MPa的环境中处理6h。
对比例
对比例1
一种单晶炉底加热器的制备方法，包括以下步骤：
制备捏合料：将60kg增碳剂、10kg短切碳纤维、18kg酚醛树脂、3kg碳化硅、2kg硅粉、1kg羧甲基纤维素和35kg水在捏合机中进行捏合，转速30rpm，捏合时间2h，增碳剂为石墨烯，烘干，粉碎后过1.5mm筛网，得到捏合料；
装填预压：在底加热器模具内铺设一层捏合料，再铺设一层长丝碳纤维预浸布，重复铺设捏合料和长丝碳纤维预浸布，每层捏合料的厚度占总厚度的8％，铺设完毕后进行模压处理，模压处理的压力为8MPa，温度为120℃，时间为40min，得到模压坯体；
后处理：将模压坯体依次进行碳化处理：以20℃/h的升温速率升温至900℃，碳化5h，再进行石墨化处理：在2200℃下处理4h；再进行气相沉积：以氢气为稀释气体，以天然气为碳源气体，氮气流量0.8m3/h，天然气通入量28L/h，炉内压力2500Pa，沉积15h，得到单晶炉底加热器。
上述的酚醛树脂均为粉末状2123酚醛树脂。
对比例2
一种单晶炉底加热器的制备方法，包括以下步骤：
制备捏合料：将60kg增碳剂、10kg短切碳纤维、18kg酚醛树脂、3kg碳化硅、2kg硅粉、1kg羧甲基纤维素和35kg水在捏合机中进行捏合，转速30rpm，捏合时间2h，增碳剂为石墨烯，烘干，粉碎后过1.5mm筛网，得到捏合料；
装填预压：在底加热器模具内铺设一层捏合料，再铺设一层长丝碳纤维预浸布，重复铺设捏合料和长丝碳纤维预浸布，每层捏合料的厚度占总厚度的10％，铺设完毕后进行预压，预压的压力为5MPa，时间为30s，得到坯体，采用针板沿坯体厚度方向扎设多个针孔，针孔贯穿整个坯体，针孔的直径为0.5mm，针孔的密度为50个/cm2，得到扎孔坯体；
模压成型：将扎孔坯体进行模压处理，模压处理的压力为8MPa，温度为120℃，时间为30min，再进行高温热处理，高温热处理的温度为250℃，时间为35h，得到模压坯体；
后处理：将模压坯体依次进行碳化处理：以20℃/h的升温速率升温至900℃，碳化5h，再进行石墨化处理：在2200℃下处理4h；再进行气相沉积：以氢气为稀释气体，以天然气为碳源气体，氮气流量0.8m3/h，天然气通入量28L/h，炉内压力2500Pa，沉积15h，得到单晶炉底加热器。
上述的酚醛树脂均为粉末状2123酚醛树脂。
对比例3
与对比例2的不同之处在于，将短切碳纤维替换为等重量的沥青包覆短切碳纤维，沥青包覆短切碳纤维的制备方法包括以下步骤：
预处理：将短切碳纤维置于氮气气氛中，升温至600℃，恒温5h，得到预处理碳纤维；
包覆处理：将10kg预处理碳纤维和0.5kg粉末沥青混合后振动4min，粉末沥青的目数为300目，沥青的软化点为85℃，在90℃下加热1.5min，得到沥青包覆短切碳纤维。
对比例4
与实施例2的不同之处在于，模压成型步骤中没有高温热处理步骤。
性能检测试验
检测方法
(1)裂纹条数：取实施例1-16和对比例1-4制得的单晶炉底加热器，每个实施例或对比例均取3个，观察单晶炉底加热器表面肉眼可见的裂纹，计算平均裂纹条数。
(2)弯曲强度测试：按照GB/T 40398.2-2021炭-炭复合炭素材料试验方法第2部分：弯曲性能试验中规定的方法测试实施例1-16和对比例1-4制得的单晶炉底加热器的弯曲强度。
(3)电阻率测试：按照GB/T 24525-2009炭素材料电阻率测定方法中规定的方法测试实施例1-16和对比例1-4制得的单晶炉底加热器的电阻率。
合格的单晶炉底加热器性能要求：平均裂纹条数≤3条，弯曲强度≥70MPa，电阻率：25-30μΩ·m。
表1测试结果
结合实施例2和对比例1-4并结合表1可以看出，对比例1采用普通的模压法制备底加热器，平均裂纹条数最多，弯曲强度低于合格要求，电阻率高于合格要求，对比例2在对比例1的基础上增加了预压步骤并开设针孔，平均裂纹条数明显下降，但是弯曲强度下降，电阻率变高，说明针孔为酚醛树脂碳化时产生的小分子气体提供了排出的通道，降低坯体碳化开裂炸皮的概率，但是针孔也会对底加热器的力学性能和导电性能造成不利影响，对比例3在对比例2的基础上将短切碳纤维的表面包裹一层沥青，平均裂纹条数下降，弯曲强度升高，电阻率降低，可能是因为高温热处理使沥青包覆短切碳纤维表面的沥青充分软化并粘结在针孔内壁，既能够使针孔直径变小，也不会使针孔被堵塞，避免针孔太大对底加热器的力学性能和导电性能造成不利影响，对比例4与实施例2相比，没有高温热处理步骤，平均裂纹条数变多，弯曲强度下降，电阻率变高，可能是因为高温热处理能够去除坯体中的水分，释放出酚醛树脂固化时的残余应力，降低后续碳化处理时开裂炸皮的概率。
结合实施例1-16并结合表1可以看出，实施例1-3的制备方法相同，参数不同，以实施例2的综合效果较好，说明制备参数会影响底加热器的力学性能和导电性能，实施例4-5依次增加模压压力，平均裂纹条数降低为0，弯曲强度先大幅上升后略有上升，电阻率逐渐降低，综合考虑，实施例4的效果较好，实施例6模压压力太小，弯曲强度下降，电阻率变高，可能是因为模压的压力太小，针孔没有被压缩变小，底加热器的力学性能和导电性能变差；实施例7的模压压力太大，平均裂纹条数变多，弯曲强度下降，电阻率略有下降，可能是因为模压的压力太大，导致针孔被堵塞，气体逸出的通道太少，坯体碳化时容易开裂炸皮，电阻率下降可能是因为密度增大导致；实施例8-9依次增大模压温度，平均裂纹条数为0，弯曲强度先大幅上升后略有上升，电阻率逐渐降低，综合考虑，实施例8的效果较好，实施例10模压温度太低，弯曲强度下降，电阻率略有上升，可能是因为模压温度太低，针孔没有被压缩变小，底加热器的力学性能和导电性能变差；实施例11模压温度太高，平均裂纹条数变多，弯曲强度下降，电阻率略有下降，可能是因为模压温度太高，导致针孔被堵塞，气体逸出的通道太少，坯体碳化时容易开裂炸皮，电阻率下降可能是因为密度增大导致，因此，模压处理的压力优选为8-15MPa，温度优选为120-180℃。实施例12-13依次增大针孔的直径，平均裂纹条数为0，弯曲强度先上升后略有下降，电阻率逐渐升高，实施例14降低了针孔的直径，平均裂纹条数变多，弯曲强度下降，电阻率下降，实施例15增大了针孔的直径，平均裂纹条数为0，弯曲强度大幅下降，电阻率大幅升高，可能是因为针孔直径太大，会降低底加热器的力学性能；针孔直径太小，在模压成型后容易被堵住，坯体碳化时容易开裂炸皮，因此，针孔直径优选为0.5-2mm；实施例16在实施例1的基础上对长丝碳纤维预浸布增加了真空处理步骤，平均裂纹条数降低为0，弯曲强度上升，电阻率下降，可能是因为真空处理能够充分去除长丝碳纤维预浸布中预浸树脂中的气泡，避免气泡在碳化阶段膨胀逸出，降低坯体碳化时开裂炸皮的概率，且提高了底加热器的力学性能和导电性能。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种单晶炉底加热器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
制备捏合料：将增碳剂、沥青包覆短切碳纤维、酚醛树脂、碳化硅、硅粉、羧甲基纤维素和水进行捏合，烘干，粉碎，得到捏合料；
制备球磨料：将酚醛树脂和碳化硅进行干法球磨，得到球磨料；
制备改性长丝碳纤维预浸布：按照底加热器的形状对长丝碳纤维预浸布进行裁切，在裁切后的长丝碳纤维预浸布表面包裹一层球磨料，得到改性长丝碳纤维预浸布；
装填预压：在底加热器模具内铺设一层捏合料，再铺设一层改性长丝碳纤维预浸布，重复铺设捏合料和改性长丝碳纤维预浸布，铺设完毕后进行预压，得到坯体，沿坯体厚度方向形成多个针孔，针孔贯穿整个坯体，得到扎孔坯体；
模压成型：将扎孔坯体进行模压处理，再进行高温热处理，得到模压坯体；
后处理：将模压坯体依次进行碳化处理、石墨化处理和气相沉积，得到单晶炉底加热器。
2.根据权利要求1所述的一种单晶炉底加热器的制备方法，其特征在于：所述捏合料的各原料重量份数如下：
增碳剂50-70份；
沥青包覆短切碳纤维5-15份；
酚醛树脂10-25份；
碳化硅1-5份；
硅粉1-3份；
羧甲基纤维素0.8-1.2份；
水30-40份。
3.根据权利要求1所述的一种单晶炉底加热器的制备方法，其特征在于：所述沥青包覆短切碳纤维的制备方法包括以下步骤：
预处理：将短切碳纤维置于惰性气氛中，升温至550-650℃，恒温4-6h，得到预处理碳纤维；
包覆处理：将预处理碳纤维和粉末沥青混合后振动3-5min，在85-95℃下加热1-2min，得到沥青包覆短切碳纤维。
4.根据权利要求3述的一种单晶炉底加热器的制备方法，其特征在于：所述粉末沥青和预处理碳纤维的质量比为（4-6）：100。
5.根据权利要求1所述的一种单晶炉底加热器的制备方法，其特征在于：所述球磨料中酚醛树脂和碳化硅的质量比为（8-9）：（1-2）。
6.根据权利要求1所述的一种单晶炉底加热器的制备方法，其特征在于：在制备改性长丝碳纤维预浸布的步骤中，在裁切之前，先对长丝碳纤维预浸布进行真空处理：将长丝碳纤维预浸布在真空度为-0.01MPa的环境中处理5-7h。
7.根据权利要求1所述的一种单晶炉底加热器的制备方法，其特征在于：所述针孔的直径为0.5-2mm，针孔的密度为25-100个/cm2。
8.根据权利要求1所述的一种单晶炉底加热器的制备方法，其特征在于：所述模压处理的压力为8-15MPa，温度为120-180℃，时间为20-40min。
9.根据权利要求1所述的一种单晶炉底加热器的制备方法，其特征在于：所述高温热处理的温度为240-260℃，时间为20-50h。
10.一种单晶炉底加热器，其特征在于：采用权利要求1-9中任意一项所述的单晶炉底加热器的制备方法制得。
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