DE102013206993B4 - Process for coating shaped bodies of fused silica - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum zumindest bereichsweisen Aufbringen einer Siliciumnitridschutzschicht auf Formkörpern aus Quarzgut, bei dem eine wässrige Suspension auf die Oberfläche des Formkörpers zumindest einmalig zumindest bereichsweise aufgetragen und der Formkörper anschließend mindestens einmal thermisch behandelt wird, wobei die wässrige Suspension a) Siliciumnitrid-Partikel, b) mindestens ein organisches kationisches oder pseudokationisches Dispergier-/Verflüssigungsmittel, und/oder mindestens ein anionisches basisches Dispergier-/Verflüssigungsmittel, c) mindestens ein organisches Bindemittel, d) mindestens ein Plastifizierungsmittel, e) ad 100 Gew.-% Wasser, umfasst und der pH-Wert der wässrigen Suspension zwischen 7,5 und 11 liegt.Method for applying a protective layer of silicon nitride at least in regions to molded articles made of quartz material, in which an aqueous suspension is applied to the surface of the molded article at least once at least in regions and the molded article is then thermally treated at least once, the aqueous suspension a) silicon nitride particles, b) at least an organic cationic or pseudocationic dispersing / liquefying agent, and / or at least one anionic basic dispersing / liquefying agent, c) at least one organic binder, d) at least one plasticizer, e) ad 100% by weight water, and the pH Value of the aqueous suspension is between 7.5 and 11.
Description
Es wird ein Verfahren zur Beschichtung von Formkörpern aus Quarzgut vorgeschlagen, bei dem eine Suspension welche Siliciumnitrid-Partikel, Dispergiermittel/-Verflüssigungsmittel, Bindemittel, Plastifizierungsmittel und Wasser enthält und einen pH-Wert im Bereich von 7,5 bis 11 aufweist, eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren zur Beschichtung von Formkörpern aus Quarzgut wird die Suspension auf die Oberfläche eines Formkörpers zumindest einmalig und zumindest bereichsweise aufgetragen und der Formkörper anschließend mindestens einmal thermisch behandelt. Zudem werden Formkörper aus Quarzgut beschrieben, die eine Siliciumnitridschutzschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 700 μm aufweisen und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind.A method for coating fused silica moldings is proposed, in which a suspension containing silicon nitride particles, dispersants / plasticizers, binders, plasticizers and water and having a pH in the range of 7.5 to 11 is used. In this method for coating shaped bodies of fused silica, the suspension is applied to the surface of a shaped body at least once and at least in some areas, and then the molding is thermally treated at least once. In addition, moldings of fused silica are described, which have a silicon nitride protective layer with a layer thickness of at least 700 microns and can be produced by the novel process.
In der Fotovoltaikindustrie und in ihren Entwicklungslabors sowie in den Laboratorien der Kristallzüchtungsinstitute werden für die Züchtung von Si-Kristallen nach dem Verfahren der ”Gerichteten Erstarrung” Quarzguttiegel verschiedener Dimensionen eingesetzt. Diese Tiegel müssen vor ihrer Verwendung mit einer Trennschicht versehen werden. Diese Trennschicht verhindert die Reaktion der Siliziumschmelze mit dem Quarzgut und auch das Eindringen der niederviskosen Schmelze in die Poren des Quarzguts.In the photovoltaic industry and in its development laboratories as well as in the laboratories of the crystal growing institutes, quartz vitreous crucibles of various dimensions are used for the growth of Si crystals according to the method of "directional solidification". These crucibles must be provided with a separating layer before use. This separating layer prevents the reaction of the silicon melt with the quartz material and also the penetration of the low-viscosity melt into the pores of the quartz material.
Die Trennschicht darf durch die Siliziumschmelze nicht benetzbar sein und muss das, durch die Anomalie des Siliziums bedingte, Volumenwachstum des Kristalls wahrend der Kristallisation ermöglichen. Somit wird auch die mögliche Entstehung von Materialspannungen innerhalb des gezüchteten Ingots reduziert und die Rißbildung verhindert.The separation layer must not be wettable by the silicon melt and must allow, due to the anomaly of the silicon, volume growth of the crystal during crystallization. Thus, the possible formation of material stresses within the grown ingot is reduced and prevents cracking.
Desweiteren muss die Trennschicht einen hohen Reinheitsgrad aufweisen, da sie während des gesamten Kristallisationsprozesses in unmittelbarem Kontakt mit der Si-Schmelze bzw. mit dem Si-Kristall ist.Furthermore, the separation layer must have a high degree of purity, since it is in direct contact with the Si melt or with the Si crystal during the entire crystallization process.
Ein weiteres spezielles Problem der Trennschicht bzw. Beschichtung ist die Diffusionspermeabilität für Verunreinigungen, die hauptsachlich aus dem Tiegel stammen. Während des Kristallwachstums diffundieren aus der Innenseite des Tiegels Sauerstoff, Übergangsmetalle und weitere Verunreinigungen in die bereits vorhandene feste Phase des Si-Kristalls, was die Qualität des Si-Kristalls in den Randbereichen maßgeblich beeinträchtigt.Another special problem of the release layer or coating is the diffusion permeability to impurities, which originate mainly from the crucible. During the crystal growth, oxygen, transition metals and other impurities diffuse from the inside of the crucible into the already existing solid phase of the Si crystal, which significantly affects the quality of the Si crystal in the edge regions.
Einige Kristallzüchter der Fotovoltaikindustrie, aber vor allem einige deren Entwicklungslabors, sowie die der Kristallzüchtungsinstitute, verwenden zur Beschichtung der Quarzguttiegel einfache Suspensionen, die in der Regel aus einer wässrigen Suspension mit hoch reinem Si3N4-Pulver und Additiven zur besseren Verarbeitung bestehen. Diese Suspensionen werden meist durch Sprühen auf die Innenseite der Tiegel aufgetragen und anschließend bei unterschiedlichen Temperaturen gebrannt. Die so entstandene Si3N4-Beschichtung eignet sich für den unmittelbaren Einsatz vor Ort, d. h. die Beschichtung erfolgt beim Anwender vor dem Bestücken des Tiegels für die Kristallisation.Some crystal growers in the photovoltaic industry, but especially some of their development laboratories, as well as crystal growing institutes, use simple suspensions to coat the silica gobs, which usually consist of an aqueous suspension of high purity Si 3 N 4 powder and additives for better processing. These suspensions are usually applied by spraying on the inside of the crucible and then fired at different temperatures. The resulting Si 3 N 4 coating is suitable for immediate use on site, ie the coating is carried out by the user before the crucible for crystallization.
Nachteilig bei dieser Art der Beschichtung ist erstens, dass die Beschichtung nicht transportfähig ist, da sie aufgrund der relativ geringeren Haftung bei leichten Erschütterungen zum Abplatzen von der Tiegelwand neigt und zweitens, dass sie eine geringe Kohäsion und Oberflächenhärte aufweist und beim Bestücken des Tiegels durch Berührung mit den Si-Stücken Teile der Beschichtung abplatzen und später in die Si-Schmelze gelangen.A disadvantage of this type of coating is, first, that the coating is not transportable, since it tends due to the relatively lower adhesion to slight shocks to flake off the crucible wall and second, that it has a low cohesion and surface hardness and when loading the crucible by touching With the Si pieces flake off parts of the coating and later get into the Si melt.
Die von den Tiegelherstellern zur Verfügung gestellten bereits beschichteten Tiegel ”ready to use crucible” weisen im Allgemeinen eine gute, transportfähige Oberflächenhaftung der Beschichtung auf. Die Beschichtung selbst aber ist häufig mangelhaft. Sie hat eine raue, leicht zerbröckelnde Oberfläche oder eine in sich schwache Konsistenz und Festigkeit, was, wie bereits erwähnt, häufig zum Abplatzen der Beschichtung bei der Tiegelbestockung führt.The ready-to-use crucible already provided by the crucible manufacturers generally has a good, transportable surface adhesion of the coating. However, the coating itself is often deficient. It has a rough, slightly crumbling surface or a weak consistency and firmness, which, as already mentioned, often leads to the popping of the coating in the Tiegelbestockung.
Bestimmte Eigenschaften werden auch durch Zugabe von Additiven bzw. durch die Anwendung von Verfahren erzielt, die Verunreinigungen in der Beschichtung hinterlassen. Einige der verwendeten bzw. vorgeschlagenen Verfahren sind technisch sehr aufwendig und teuer.Certain properties are also achieved by the addition of additives or by the use of methods that leave impurities in the coating. Some of the methods used or proposed are technically very complicated and expensive.
Weitere Lösungswege sind in der
Die
Aus der
Die
Ausgehend von diesem Stand der Technik war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Beschichtung von Formkörpern aus Quarzgut bereitzustellen. Based on this prior art, it was the object of the present invention to provide an improved method for coating molded articles of fused silica.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren zur Beschichtung von Formkörpern aus Quarzgut gemäß Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungsformen dargestellt.The object is achieved by the method for coating shaped bodies made of fused silica according to claim 1. In the dependent claims preferred embodiments are shown.
Die erfindungsgemäß beim Verfahren eingesetzte wässrige Suspension zur Beschichtung von Formkörpern aus Quarzgut umfasst dabei
- a) Siliciumnitrid-Partikel,
- b) mindestens ein organisches (pseudokationisches oder kationisches) Dispergier-/Verflüssigungsmittel, und/oder mindestens ein basisches anionisches Dispergier-/Verflüssigungsmittel
- c) mindestens ein organisches Bindermittel
- d) mindestens ein Plastifizierungsmittel
- e) ad 100 Gew.-% Wasser,
- a) silicon nitride particles,
- b) at least one organic (pseudo cationic or cationic) dispersing / liquefying agent, and / or at least one basic anionic dispersing / liquefying agent
- c) at least one organic binder
- d) at least one plasticizer
- e) ad 100% by weight of water,
Der pH-Wert der Suspension in dem Bereich pH 7,5–11 ist dafür verantwortlich, dass es beim Auftragen der Suspension auf die Oberfläche eines Formkörpers aus Quarzgut zu einer sehr guten Anbindung der Moleküle des organischen kationischen bzw. pseudokationischen und/oder anionischen basischen Dispergier-/Verflüssigungsmittels an der „sauren” Oberfläche des Quarzguts als auch an der Oberfläche der Si3N4-Partikel kommt. Folglich wird eine gute Benetzung der Quarzgutoberfläche durch die Si3N4-Suspension erzielt.The pH of the suspension in the range of pH 7.5-11 is responsible for the fact that when applying the suspension to the surface of a shaped body of fused silica to a very good binding of the molecules of the organic cationic or pseudokationischen and / or anionic basic Dispersing / liquefying agent on the "acidic" surface of the quartz material as well as on the surface of the Si 3 N 4 particles comes. Consequently, good wetting of the fused silica surface by the Si 3 N 4 suspension is achieved.
Bevorzugt weist die Suspension einen pH-Wert zwischen 8 und 11 auf, da in diesem Bereich der oben beschriebene Bindungseffekt d. h. die Adhäsion der Suspensionsbestandteile an der Oberfläche des Formkörpers verstärkt auftritt.Preferably, the suspension has a pH between 8 and 11, since in this area the binding effect d. H. the adhesion of the suspension components to the surface of the molded article occurs more intensively.
Die erfindungsgemäße eingesetzte Suspension hat darüberhinaus den Vorteil, dass eine tief gehende Infiltration der Suspension in das poröse Quarzgut (> 700 μm Infiltrationstiefe) und dadurch eine großflächige chemisch/physikalische Bindung der Bestandteile der Suspension mit dem Quarzgut ermöglicht wird. Hieraus ergibt sich eine hohe Haftung der Bestandteile an der Oberfläche des Quarzgutes, was nach thermischer Behandlung des Quarzguts zu einer hohen Haftung der resultierenden Schutzschicht führt. Ferner werden die Poren des Quarzguts mit Si3N4-Teilchen verschlossen, wodurch eine glatte, nicht-pulvrige Oberfläche bzw. Schutzschicht entsteht.The suspension used according to the invention also has the advantage that a deep infiltration of the suspension into the porous fused silica (> 700 microns infiltration depth) and thus a large-scale chemical / physical bonding of the components of the suspension is made possible with the fused silica. This results in a high adhesion of the constituents to the surface of the quartz material, which leads to a high adhesion of the resulting protective layer after thermal treatment of the quartz. Furthermore, the pores of the quartz material are sealed with Si 3 N 4 particles, whereby a smooth, non-powdery surface or protective layer is formed.
Die erfindungsgemäße eingesetzte Suspension kann so stark in den Formkörper eindringen, dass die entstehende Gesamtschicht im Quarzgut eine Tiefe von mindestens 700 μm aufweisen kann. Durch die enorme Tiefe und durch eine Konzentrationsverschiebung in diesem Bereich wird die Diffusion von Teilchen des Quarzguts durch die Schicht gehemmt. Falls der beschichtete Formkörper aus Quarzgut als Tiegel zur Aufnahme von flüssigem oder kristallinem Silizium verwendet wird, wird somit einer Kontamination des Siliziums mit Verunreinigungen des Quarzguts entgegengewirkt.The suspension used according to the invention can penetrate into the molding body so strongly that the resulting overall layer in the quartz material can have a depth of at least 700 μm. Due to the enormous depth and a concentration shift in this area, the diffusion of particles of the quartz material through the layer is inhibited. If the coated molded body of fused quartz is used as a crucible for receiving liquid or crystalline silicon, a contamination of the silicon with impurities of the quartz material is thus counteracted.
Die Siliciumnitrid-Partikel können zu 10 bis 40 Gew.-%, bevorzugt zu 15,0 bis 35,0 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension enthalten sein.The silicon nitride particles may be contained at 10 to 40 wt .-%, preferably at 15.0 to 35.0 wt .-%, based on the total suspension.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weisen die Siliciumnitrid-Partikel
- a) eine mittlere Teilchengrößenverteilung d10 von 0,20 bis 0,40 μm, d50 von 0,50 bis 1,49 μm, bevorzugt von 0,50 bis 0,90 μm und/oder d90 von 1,10 bis 3,90 μm, bevorzugt von 1,50 bis 2,50 μm auf, bestimmt nach dem Laserbeugungsverfahren gemäß ASTM B 822, und/oder
- b) eine spezifische Oberfläche von 4,67 bis 15,00 m2/g, bevorzugt von 8 bis 13 m2/g auf, bestimmt nach dem Gasadsorptionsverfahren gemäß ASTM D 3663.
- a) an average particle size distribution d 10 of 0.20 to 0.40 μm, d 50 of 0.50 to 1.49 μm, preferably of 0.50 to 0.90 μm and / or d 90 of 1.10 to 3 , 90 microns, preferably from 1.50 to 2.50 microns, determined by the laser diffraction method according to ASTM B 822, and / or
- b) a specific surface area of from 4.67 to 15.00 m 2 / g, preferably from 8 to 13 m 2 / g, determined by the gas adsorption process according to ASTM D 3663.
Das Verflüssigungsmittel kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus basischen anionischen Dispergiermitteln sowie aus nichtschäumenden, alkalifreien pseudokationischen/kationischen Dispergier-/Verflüssigungsmitteln insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Aminoalkoholen. Ein besonders bevorzugtes Verflüssigungsmittel ist 2-Amino-2-methylpropanol.The liquefying agent may be selected from the group consisting of basic anionic dispersants and non-foaming, alkali-free pseudokationischen / cationic dispersing / liquefying agents in particular be selected from the group consisting of amino alcohols. A particularly preferred liquefying agent is 2-amino-2-methylpropanol.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform ist das mindestens ein organisches (kationisches oder pseudokationisches) Dispergier-/Verflüssigungsmittel und/oder das mindestens ein anionisches basisches Dispergier-/Verflüssigungsmittel zu 0,01 bis 10 Gew.-%, bevorzugt zu 0,1 bis 2 Gew.-%, besonders bevorzugt zu 0,16 bis 0,3 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, in der Suspension enthalten.In a further preferred embodiment, the at least one organic (cationic or pseudo-cationic) dispersing / liquefying agent and / or the at least one anionic basic dispersing / liquefying agent is from 0.01 to 10% by weight, preferably from 0.1 to 2% by weight .-%, more preferably at 0.16 to 0.3 wt .-%, based on the total suspension, in the suspension.
Das mindestens eine in der erfindungsgemäßen eingesetzten Suspension enthaltene mindestens organische Bindemittel bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus in Wasser löslichen oder in Wasser dispergierbaren hydrophilen Polymeren, insbesondere Polyethylenglycole, Polypropylenglycole, Polybutylenglycole, Polyvinylalkohole, Polyvinylbutyrale, Polyvinylpyrrolidone, Polyvinylacetate sowie partiell oder vollverseifte Polyvinylacetate, insbesondere PVA M145000 vollhydrolysiert.The at least one in the suspension according to the invention contained at least organic binder preferably selected from the group consisting of water-soluble or water-dispersible hydrophilic polymers, in particular polyethylene glycols, polypropylene glycols, polybutylene glycols, polyvinyl alcohols, polyvinyl butyrals, polyvinyl pyrrolidones, polyvinyl acetates and partially or fully saponified polyvinyl acetates, in particular Fully hydrolyzed PVA M145000.
Das mindestens eine organische Bindemittel kann zu 0,01 bis 20 Gew.-%, bevorzugt zu 0,1 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt zu 1,0 bis 3,4 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, enthalten sein. The at least one organic binder may contain from 0.01 to 20% by weight, preferably from 0.1 to 5% by weight, more preferably from 1.0 to 3.4% by weight, based on the total suspension, be included.
Das Plastifizierungsmittel stellt dabei insbesondere einen mehrwertigen Alkohol dar, insbesondere Propantriol. Bevorzugt ist das Plastifizierungsmittel in einer Menge von 0,1 bis 6,0 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,5 bis 3,0 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, enthalten.The plasticizer is in particular a polyhydric alcohol, in particular propane triol. The plasticizer is preferably present in an amount of from 0.1 to 6.0% by weight, more preferably from 0.5 to 3.0% by weight, based on the total suspension.
Ferner ist bevorzugt, dass die Suspension eine dynamische Viskosität von 20 bis 50 mPa·s aufweist, bestimmt mit einem Rotationsviskosimeter mit einer Tauchmesseinrichtung gemäß DIN 53019. Eine Viskosität in diesem Bereich wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Eindringtiefe der erfindungsgemäßen Suspension in ein Quarzgut aus.Furthermore, it is preferred that the suspension has a dynamic viscosity of 20 to 50 mPa · s, determined by means of a rotational viscometer with an immersion measuring device according to DIN 53019. A viscosity in this range has a particularly advantageous effect on the penetration depth of the suspension according to the invention into a fused silica.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum zumindest bereichsweisen Aufbringen einer Siliciumnitridschutzschicht auf Formkörpern aus Quarzgut bereitgestellt, bei dem die zuvor beschriebene Suspension auf die Oberfläche eines Formkörpers zumindest einmalig zumindest bereichsweise aufgetragen und der Formkörper anschließend mindestens einmal thermisch behandelt wird.According to the invention, a method is provided for at least partially applying a silicon nitride protective layer on molded articles made of fused quartz, in which the suspension described above is applied at least once at least partially to the surface of a shaped body and the shaped body is subsequently thermally treated at least once.
Während der Aufbringung der Suspension auf den Formkörper aus Quarzgut, welcher sich bevorzugt im Grünzustand befindet, kommt es bevorzugt zu einer Neutralisierung der Silanol-Gruppen des Quarzgutoberfläche durch Moleküle des basischen Dispergier-/Verflüssigungsmittels, was zur eine Entstehung einer monomolekularen Schicht aus organischen Molekülen des basischen Dispergiermittels an der Quarzgutoberfläche, die auch modifiziert sein kann, führt. Infolge einer Bildung von zahlreichen Wasserstoff-Brücken und höheren Affinität zwischen bereits durch basischen Dispergier-/Verflüssigungsmittel modifizierten Si3N4 Partikeln und ggf. modifizierter Quarzgutoberfläche findet danach eine gute Haftung des hergestellten Beschichtung zu der Quarzgutoberfläche bzw. in den Poren statt.During the application of the suspension to the shaped body of fused silica, which is preferably in the green state, it is preferable to neutralize the silanol groups of Quarzgutoberfläche by molecules of the basic dispersing / liquefying agent, resulting in the formation of a monomolecular layer of organic molecules of the basic dispersant on the fused silica surface, which may also be modified. As a result of formation of numerous hydrogen bonds and higher affinity between already modified by basic dispersing / liquefying agent Si 3 N 4 particles and optionally modified Quarzgutoberfläche then good adhesion of the coating produced to the Quarzgutoberfläche or in the pores instead.
In der thermischen Behandlung, bevorzugt ein Brennvorgang unter oxidierenden Bedingungen, wird eine dauerhafte chemische Adhäsion zwischen der Quarzgutoberfläche und der Beschichtung erzeugt. Während dieses Schrittes entstehen Si-O-Si Bindungen infolge einer chemischen Polykondensationsreaktion zwischen reaktionsfähigen Silanol-Gruppen des Quarzgutes und des Si3N4-Pulvers unter Abspaltung von Wasser. Dies bewirkt eine kovalente chemische Verbindung der Si3N4-Beschichtung mit der Quarzgutoberfläche, so dass sich eine gute Abriebfestigkeit der Beschichtung ergibt.In the thermal treatment, preferably a firing process under oxidizing conditions, a permanent chemical adhesion between the fused silica surface and the coating is produced. During this step Si-O-Si bonds are formed as a result of a chemical polycondensation reaction between reactive silanol groups of the quartz material and the Si 3 N 4 powder with elimination of water. This causes a covalent chemical bond of the Si 3 N 4 coating with the fused silica surface, resulting in a good abrasion resistance of the coating.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Oberfläche der Beschichtung ist glatt und weist eine geringe Benetzbarkeit gegenüber Si-Schmelze auf. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Kontaktierung der Tiegeloberfläche mit flüssigem oder kristallinem Silizium. Zudem hat das Verfahren den Vorteil, dass es einfach und kostengünstig durchführbar ist.The surface of the coating produced by the method according to the invention is smooth and has a low wettability to Si melt. This is particularly advantageous in contacting the crucible surface with liquid or crystalline silicon. In addition, the method has the advantage that it is easy and inexpensive to carry out.
Das Quarzgut des in dem Verfahren eingesetzten Formkörpers kann porös sein und vorzugsweise eine Porosität von mindestens 8%, bevorzugt 8 bis 25%, besonders bevorzugt von 10 bis 15% aufweisen. Weiterhin bevorzugt ist, dass das Quarzgut nach der thermischen Behandlung einen mittleren Porendurchmesser von 0,05 bis 0,8 μm, bevorzugt 0,1 bis 0,4 μm, insbesondere 0,15 bis 0,25 μm, aufweist.The fused silica of the molding used in the process may be porous and preferably have a porosity of at least 8%, preferably 8 to 25%, particularly preferably from 10 to 15%. It is further preferred that the fused silica after the thermal treatment has an average pore diameter of 0.05 to 0.8 .mu.m, preferably 0.1 to 0.4 .mu.m, in particular 0.15 to 0.25 microns.
Die Suspension kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens 500 μm, bevorzugt 700 bis 1000 μm in den Formkörper infiltriert werden.The suspension can be infiltrated into the molding in the process according to the invention at least 500 .mu.m, preferably 700 to 1000 .mu.m.
Besonders bevorzugt ist der Formkörper aus Quarzgut ein Grünkörper. Als Grünkörper wird erfindungsgemäß ein ungebrannter Rohling verstanden. Hierbei ist erstens vorteilhaft, dass durch die Verwendung eines Grünkörpers höhere Infiltrationstiefen der erfindungsgemäßen eingesetzten Suspension in den Formkörper möglich werden. Zweitens hat die Beschichtung eines Grünkörpers anstatt eines gebrannten Formkörpers den Vorteil, dass in nur einem Arbeitsschritt Grünkörper und Beschichtung gebrannt werden können (ökonomischer Vorteil). Drittens werden durch den gemeinsamen Brennprozess von Grünkörper und Beschichtung die Poren des Grünkörpers im Bereich der Beschichtung besser geschlossen und dadurch die Si3N4-Partikel innerhalb des Quarzguts d. h. unterhalb der Oberfläche des Quarzguts fest verankert.Particularly preferably, the molded body made of fused silica is a green body. As a green body is understood according to the invention an unfired blank. In this case, it is firstly advantageous that higher infiltration depths of the suspension according to the invention into the shaped body become possible by using a green body. Second, the coating of a green body instead of a fired molded body has the advantage that in only one step green body and coating can be fired (economic advantage). Thirdly, the common firing process of green body and coating better closes the pores of the green body in the area of the coating and thereby firmly anchors the Si 3 N 4 particles within the quartz material, ie below the surface of the quartz material.
Die thermische Behandlung kann bei Temperaturen von 1000 bis 1300°C, bevorzugt von 1100 bis 1200°C und/oder über einen Zeitraum von 2 bis 5 h, bevorzugt von 3 bis 4 h, durchgeführt werden.The thermal treatment can be carried out at temperatures from 1000 to 1300 ° C., preferably from 1100 to 1200 ° C. and / or over a period of from 2 to 5 h, preferably from 3 to 4 h.
Die thermische Behandlung kann ferner unter oxidativen Bedingungen durchgeführt werden, was eine Oxidation der obersten Si3N4-Schicht der Beschichtung auf dem Formkörper bewirkt. Diese oxidierte Schicht schützt wiederum die darunter liegenden Schichten vor weiterer Oxidation, so dass die volle Trennfunktion der Beschichtung erhalten bleibt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine reine Si3N4-Schicht an der inneren Oberfläche des Formkörpers verbleibt.The thermal treatment can also be carried out under oxidative conditions, which causes oxidation of the top Si 3 N 4 layer of the coating on the molding. This oxidized layer in turn protects the underlying layers from further oxidation so that the full separation function of the coating is maintained. This can ensure that a pure Si 3 N 4 layer remains on the inner surface of the molding.
Zusammenfassend werden die Siliziumnitrid-Partikel der erfindungsgemäßen Suspension fest und chemisch-kovalent in der Quarzgutoberfläche verankert. Als Folge entsteht aus der auf den Quarzkörper aufgetragenen erfindungsgemäßen Suspension nach der thermischen Behandlung eine gut haftende, nicht-pulvrige und berührungsfeste Schicht auf dem Quarzkörper.In summary, the silicon nitride particles of the suspension according to the invention become solid and chemically covalent in the fused silica surface anchored. As a result, a well-adherent, non-powdery and touch-resistant layer on the quartz body is formed from the suspension according to the invention applied to the quartz body after the thermal treatment.
Der Auftrag der Suspension auf den Formkörper kann mittels Streichen, Sprühen, Spritzen, Tauchen des Formkörpers in die Suspension und/oder durch elektrostatischen Auftrag erfolgen. Die erfindungsgemäß eingesetzten Suspension kann auch mit einer speziell ausgestatteten Sprühvorrichtung aufgetragen werden, mit welcher eine Kontamination der Suspension mit Metallen verhindert wird. Das Eindringen der Beschichtung in die Poren kann durch ein sprühnebelerzeugendes Verfahren in Nass/Nass-Technik unterstützt werden, wodurch die Infiltrationstiefe der erfindungsgemäßen eingesetzten Suspension in den Formkörper weiter gesteigert werden kann.The order of the suspension on the molding can be done by brushing, spraying, spraying, dipping the molding in the suspension and / or by electrostatic application. The suspension used according to the invention can also be applied with a specially equipped spraying device with which contamination of the suspension with metals is prevented. The penetration of the coating into the pores can be assisted by a spray-fogging process in wet / wet technique, whereby the depth of infiltration of the suspension according to the invention used in the molding can be further increased.
Nach Auftrag der Suspension und vor der thermischen Behandlung erfolgt bevorzugt eine Trocknung des Formkörpers, vorzugsweise bei Temperaturen von 20°C bis 150°C und insbesondere bei einer Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60%.After application of the suspension and before the thermal treatment is preferably carried out a drying of the shaped body, preferably at temperatures of 20 ° C to 150 ° C and in particular at a humidity of 40 to 60%.
Weiterhin ist bevorzugt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine geschlossene Siliciumnitridschutzschicht auf der Substratoberfläche von mindestens 50 μm Schichtdicke erzeugt wird.Furthermore, it is preferred that a closed silicon nitride protective layer is produced on the substrate surface of at least 50 μm layer thickness by the method according to the invention.
Das Quarzgut kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus amorphem SiO2, bevorzugt schmelzgegossenem SiO2 mit einem kristallinen Phasenanteil von < 0,5%.The fused silica may be selected from the group consisting of amorphous SiO 2 , preferably melt-cast SiO 2 having a crystalline phase content of <0.5%.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Formkörper ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schmelztiegeln, Transportrollen für Behandlungsöfen, Ofenauskleidung und Chargingestelle.In a preferred embodiment, the molded article is selected from the group consisting of crucibles, conveyor rollers for treatment furnaces, furnace lining and charging station.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich somit Formkörper aus gesintertem Quarzgut bereitstellen, insbesondere ein Schmelztiegel oder eine Rolle, umfassend eine zumindest bereichsweise auf der Oberfläche des Formkörpers ausgebildete Siliciumnitridschutzschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 50 μm, herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.The method according to the invention thus makes it possible to provide shaped bodies of sintered fused silica, in particular a crucible or a roll, comprising a silicon nitride protective layer formed at least in regions on the surface of the molded body with a layer thickness of at least 50 μm, which can be produced by the method according to the invention.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Suspension bzw. das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich prinzipiell für das Beschichten aller porösen keramischen Werkstoffe mit einer Porosität im Bereich von 8–25% je nach Porenverteilung anwenden, z. B. auch Rollen aus Quarzgut, Alumosilikaten, SiC-Werkstoffen und weiteren unter der Voraussetzung, dass sich an der Bauteil-Oberflache Silanolgruppen befinden oder künstlich erzeugen lassen.The suspension used according to the invention or the method according to the invention can in principle be used for coating all porous ceramic materials having a porosity in the range of 8-25%, depending on the pore distribution, eg. As well as rolls of fused quartz, aluminosilicates, SiC materials and others on the assumption that silanol groups are located on the component surface or can be artificially produced.
Anhand der nachfolgenden Figur und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.Reference to the following figure and examples, the subject invention is to be explained in more detail, without wishing to limit this to the specific embodiments shown here.
Beispiel 1example 1
1. Herstellung eines Formkörpers1. Production of a shaped body
Auf einen nicht gesinterten (ungebrannten) Roh-Quarzguttiegel (grüner Formkörper), wurde eine speziell formulierte Si3N4-Suspension auf die Innenseite des porösen Roh-Quarzguttiegels aufgebracht, wobei diese den porösen Quarzguttiegel zumindest in einer gewissen Schichttiefe infiltriert und dort „chemisch” adsorbiert. Im Anschluss wurde die erzeugte Beschichtung durch einheitliches Mono-Sintern ausgehärtet.On a non-sintered (green) raw quartz crucible (green body), a specially formulated Si 3 N 4 suspension was applied to the inside of the porous raw quartz glass crucible, which infiltrates the porous quartz crucible at least at a certain layer depth and there "chemically "Adsorbed. Subsequently, the produced coating was cured by uniform mono-sintering.
Die hierfür eingesetzte Suspension bestand aus pulverförmigem Siliziumnitrid, das in einer wässrigen Lösung dispergiert vorlag, wobei die Suspension ein organisches, aminogruppenhaltiges Verflüssigungsmittel, nämlich 2-Amino-2-methylpropanol mit einem Massenanteil von 0,20%, enthielt. Zusätzliche Bestandteile der Suspension waren ein organisches temporäres Bindemittel (vollverseifte Polyvinylacetate) mit einem Massenanteil von 3%, und 0,5% Plastifizierungsmittel (Propantriol). Der Massenanteil des Si3N4-Pulvers betrug 30,0%. Der pH-Wert der Si3N4-Suspension lag im basischen Bereich (pH = 9).The suspension used for this consisted of powdered silicon nitride, which was dispersed in an aqueous solution, the suspension containing an organic, amino group-containing liquefaction agent, namely 2-amino-2-methylpropanol with a weight fraction of 0.20%. Additional components of the suspension were an organic temporary binder (fully hydrolyzed polyvinyl acetates) with a mass fraction of 3%, and 0.5% plasticizer (propanetriol). The mass fraction of Si 3 N 4 powder was 30.0%. The pH of the Si 3 N 4 suspension was in the basic range (pH = 9).
Die Suspension wurde durch Sprühen auf die innere Oberfläche eines nicht gesinterten Quarzgut-Tiegels aufgetragen (Grünkörper). Nach der Beschichtung wurde der Tiegel getrocknet und anschließend unter oxidative Atmosphäre bei einer Temperatur von 1150°C während 4 h gesintert. Nach dem Mono-Sintern der beschichteten Si3N4-Suspension mit dem Substrat bildete sich endgültig eine gut haftende, nicht pulvrige und berührungs- und mechanisch feste Schicht aus.The suspension was applied by spraying on the inner surface of a non-sintered fused silica crucible (green body). After coating, the crucible was dried and then sintered under an oxidative atmosphere at a temperature of 1150 ° C. for 4 hours. After the mono-sintering of the coated Si 3 N 4 suspension with the substrate, a well-adhering, non-powdery and contact-resistant and mechanically strong layer finally formed.
2. Verwendung des erfindungsgemäßen Formkörpers2. Use of the molding according to the invention
Der Tiegel wurde mit Silicium bestückt und gemäß der in der PV-Industrie angewandte Methode der gerichteten Erstarrung ein Ingot aus multikristallinem Silizium gezüchtet. Nach dem Verfahren, das ca. 48 h dauerte und bei dem eine Temperatur von 1480°C erreicht wurde, konnte der Ingot problemlos und ohne jegliche Anhaftung an der Tiegeloberfläche entformt werden.The crucible was filled with silicon and a multicrystalline silicon ingot was grown according to the directional solidification method used in the PV industry. After the procedure, which lasted about 48 hours and reached a temperature of 1480 ° C, the ingot could be removed from the crucible without any problems and without any adhesion.
Beispiel 2Example 2
1. Herstellung eines Formkörpers1. Production of a shaped body
Ein runder gesinterter Quarzgutrohling wird durch Drehen oder durch Drehen und Schleifen bearbeitet. Es entstand eine Quarzgutrolle mit einem Durchmesser von 50 mm und eine Länge von 2430 mm, die für einen Behandlungsofen geeignet war.A round sintered fused silica blank is machined by turning or by turning and grinding. The result was a Quarzgutrolle with a diameter of 50 mm and a length of 2430 mm, which was suitable for a treatment furnace.
Nach Abdecken beider Enden (ca. 2 × 80 mm), an denen später die metallischen Rollkappen befestigt werden, wurde die Oberfläche der Quarzgutrolle mit einer Si3N4-Suspension beschichtet. Die hierfür eingesetzte Suspension bestand aus pulverförmigem Siliziumnitrid, das in einer wässrigen Lösung dispergiert vorlag, die ein organisches, aminogruppenhaltiges Verflüssigungsmittel, nämlich 2-Amino-2-methylpropanol mit einem Massenanteil von 0,20%, enthielt. Zusätzliche Bestandteile der Lösung waren ein organisches temporäres Bindemittel (vollverseifte Polyvinylacetate) mit einem Massenanteil von 1,0%, und 1,0% Propantriol (Plastifizierungsmittel). Der Massenanteil des Si3N4-Pulvers betrug 20,0%. Der pH-Wert der Si3N4 Suspension lag im basischen Bereich (pH = 10).After covering both ends (about 2 × 80 mm), to which later the metallic roller caps are attached, the surface of the quartz glass roll was coated with a Si 3 N 4 suspension. The suspension used for this consisted of powdered silicon nitride, which was dispersed in an aqueous solution containing an organic, amino group-containing liquefaction agent, namely 2-amino-2-methylpropanol with a weight fraction of 0.20%. Additional components of the solution were an organic temporary binder (fully hydrolyzed polyvinyl acetates) of 1.0% by mass, and 1.0% propanetriol (plasticizer). The mass fraction of the Si 3 N 4 powder was 20.0%. The pH of the Si 3 N 4 suspension was in the basic range (pH = 10).
Die Suspension wurde durch Sprühen auf die Oberfläche der Quarzgutrolle aufgetragen. Nach der Beschichtung wurde die Rolle getrocknet und anschließend unter oxidative Atmosphäre bei einer Temperatur von 1100°C während 15 min gebrannt. Nach dem Brennen der Quarzgutrolle mit der Si3N4-Beschichtung bildete sich endgültig eine gut haftende, nicht pulvrige und berührungs- und mechanisch feste Schicht aus.The suspension was applied to the surface of the quartz glass roll by spraying. After the coating, the roll was dried and then fired under an oxidative atmosphere at a temperature of 1100 ° C for 15 minutes. After firing the quartz glass roll with the Si 3 N 4 coating, a well-adhering, non-powdery, contact-resistant and mechanically strong layer finally formed.
2. Verwendung des Formkörpers2. Use of the molding
Die beschichtete Rolle wurde in einem Wärmebehandlungsofen eingesetzt, in dem Al-Si-beschichtete Bleche vor dem Presshärten bei Temperaturen oberhalb 800°C behandelt wurden.The coated roll was used in a heat treatment furnace in which Al-Si coated sheets were treated prior to press-hardening at temperatures above 800 ° C.
Es wurde beobachtet, dass die Si3N4-Beschichtung eine chemische Reaktion zwischen der flüssigen Al-Si-Beschichtung und den Rollen verhinderte. Gewöhnlich bilden sich hier Metall-/Metalloxidmischungen, die sich auf der Quarzgutrolle aufbauen, den Quarzgut infiltrieren und später, durch vorzeitigen Ausfall der Rollen, zu Transportstörungen führen. Darüber hinaus wird gelegentlich die Qualität der Blechbeschichtung durch den Kontakt mit der infiltrierten Quarzgutrolle beeinträchtigt.It was observed that the Si 3 N 4 coating prevented a chemical reaction between the liquid Al-Si coating and the rolls. Usually, metal / metal oxide mixtures are formed here, which build up on the quartz glass roll, infiltrate the fused silica and later, due to premature failure of the rolls, lead to transport problems. In addition, occasionally the quality of the sheet coating is affected by contact with the infiltrated quartz glass roll.
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