CN112759423A - 一种涂层炭炭复合材料坩埚及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涂层炭炭复合材料坩埚及其制备方法，所述涂层炭炭复合材料坩埚包括炭炭复合材料坩埚以及附着于炭炭复合材料坩埚内表面碳化硅涂层。所述制备方法为：在炭炭复合材料坩埚本体的内表面涂刷涂层液，再进行高温热处理即得涂层炭炭复合材料坩埚；所述涂层液，树脂、熔融石英砂、硅粉、添加剂组成，按质量比计，树脂：熔融石英砂：硅粉：添加剂＝100:(20～50):(10～30):(2～8)；所述添加剂选自Al2O3、ZnO、Li2O、BaO中的至少一种。本发明制得的碳化硅涂层，可有效的改善了坩埚的表面状态，避免了高温下硅蒸汽、含硅气体及石英坩埚对炭炭复合材料坩埚的反应侵蚀，从而延长了炭炭复合材料坩埚的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于单晶硅拉制炉用热场工装/部件技术领域，具体涉及一种涂层炭炭复合材料坩埚及制备方法。
背景技术
随着单晶硅太阳能电池的迅猛发展，单晶太阳能电池已反超多晶太阳能电池，占据太阳能电池市场的主导地位(单晶太阳能电池市场占有率达50％以上)：拉动了太阳能行业对单晶硅的需求量。作为生产单晶硅(棒)的重要热场材料——炭炭复合材料坩埚，也得到了迅速的发展。
目前，单晶硅炉拉制单晶硅棒时，盛装多晶硅的石英坩埚安放在炭炭复合材料坩埚内。单晶硅棒拉制过程中，炉内温度高达1500℃左右，石英坩埚将***，靠炭炭复合材料坩埚承力。此工况下，高温的硅蒸汽、含硅气体及二氧化硅(石英坩埚的主要成分)均可与炭炭复合材料坩埚发生反应，导致炭炭复合材料坩埚被侵蚀，甚至失效，严重影响炭炭复合材料的坩埚的使用寿命。
如何有效解决在单晶硅棒拉制的工况下炭炭复合材料被侵蚀的问题以延长炭炭复合材料坩埚的使用寿命，是进一步降低单晶硅太阳能电池的成本亟需解决得问题。
在炭炭复合材料坩埚本体上制备二氧化硅/硅涂层，可提高炭炭复合材料坩埚的抗侵蚀能力，有效提高炭炭复合材料坩埚的使用寿命。
专利CN 201220240145.5公开了一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺，采用化学反应法，以二氧化硅和金属硅为原料，控制二者的质量比，在一定温度条件及载气的保护下，在炭炭复合材料坩埚表面生成一层均匀的碳化硅涂层，该涂层的制备避免了坩埚在单晶硅内的腐蚀现象，提高了坩埚的强度和使用寿命；专利CN 201310455254.8公开了一种复合涂层炭/炭复合材料坩埚及其制备方法，采用化学气相沉积工艺在炭/炭复合材料坩埚内表面原位反应生成碳化硅涂层和氮化硅涂层，可有效抑制含硅蒸汽对炭炭坩埚内表面的侵蚀。专利CN 111848201 A公开了一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭坩埚及其制备方法，采用等离子法在坩埚内表面制备碳化硅/硅涂层的坩埚，延长了坩埚的使用寿命。以上专利存在生产成本高，工艺过程难控制的缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种涂层炭炭复合材料坩埚及制备方法。本发明通过在炭炭复合材料坩埚内表面制备涂刷含二氧化硅和硅的涂层液，然后通过高温热处理在炭炭复合材料坩埚内表面制备碳化硅涂层。该发明有效地改善了坩埚的表面状态，避免了高温下硅蒸汽、含硅气体及石英坩埚对炭炭复合材料坩埚的反应侵蚀，从而延长了炭炭复合材料坩埚的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，包括如下步骤：在炭炭复合材料坩埚本体的内表面涂刷涂层液，再进行高温热处理即得炭炭复合材料坩埚；所述涂层液由树脂、熔融石英砂、硅粉、添加剂组成，按质量比计，树脂：熔融石英砂：硅粉：添加剂＝100:(20～50):(10～30):(2～8)；所述添加剂选自Al2O3、ZnO、Li2O、BaO中的至少一种。
在本发明中，采用由树脂、熔融石英砂、硅粉及添加剂组成的涂层液，作为碳化硅前驱体，后经高温处理得到碳化硅涂层。涂层液中，树脂作为粘结剂和物料载体，保证含二氧化硅和硅的涂层液可渗透至坩埚表面的孔隙并滞留在坩埚表面及表面的孔隙内；硅及二氧化硅作为碳化硅涂层制备的原料，二氧化硅同时还作为碳化硅制备的促进剂，保证涂层具备优异的性能；添加剂的作用是有效降低后续热处理的温度。
在实际操作过程中，将熔融石英砂、硅粉、添加剂加入树脂中充分混合均匀即得涂层液。由于树脂为具有粘性的液相，可以使制得的涂层液均匀涂刷于炭炭复合材料坩埚本体的内表面，本发明的涂层液，无需额外增加有机溶剂，与分散剂。发明人发现，反而是加了有机溶剂，将会导致涂层效果更差。
优选的方案，所述涂层液，按质量比计，树脂：熔融石英砂：硅粉：添加剂＝100:(30～40):(15～25):(4～6)。
采用该优选范围内的涂层液，最终碳化硅涂层的性能将更优。
优选的方案，所述树脂为呋喃树脂，树脂的粘度不大于350Pa.S，优选为不大于200Pa.S。所述粘度的测试温度为60℃。
树脂粘度过大将会影响涂层液的流动性，进而影响最终碳化硅涂层厚度的均匀性。
优选的方案，所述熔融石英砂中：SiO2的含量为99.9wt％以上。
优选的方案，所述熔融石英的粒径为6.5～75μm。
在本发明中，熔融石英砂，可降低硅炭反应生成碳化硅的温度，并可提高碳化硅涂层的与坩埚的结合力。
发明人发现，选择熔融石英是至关重要的，使用普通石英制备的碳化硅涂层外观会出现肉眼可见的裂纹，只有采用熔融石英才能获得光滑致密无裂纹的涂层，这是发明人经过大量实验，才意外发现的。
优选的方案，所述的硅粉纯度大于99.5wt％。
优选的方案，所述硅粉的粒径为13～106μm，优选为50～90μm。发明人发现，硅粉的粒径对涂层性能以及制备过程有一定的影响，若粒径过大将导致涂层液不能很好的平铺于坩埚表面和渗透至坩埚表面孔隙，过小将导致涂层液制备困难，还可能由于化学反应的活化能急剧变小而导致后续热处理制备的碳化硅涂层性能出现异常。
优选的方案，所述添加剂的粒径为10～100nm，进一步优选为40～80nm。加入适量的添加剂，可以降低热处理温度以节省涂层制备的能耗。
在实际操作过程中，涂刷需要重复数次，一方面可以进一步增加均匀性，另一方面，使得碳化硅涂层的厚度为100μm～1000μm，发明人发现，当最终所得碳化硅涂层在该范围内，最终涂层炭炭复合材料坩埚的性能最优。
优选的方案，所述高温热处理的温度为1300～1650℃，优选为1400～1550℃，高温热处理的保温时间为0.5～2h。
在本发明中，高温热处理的过程非常重要，在上述范围内的工艺下进行高温热处理，可以使得最终的涂层致密，纯度高，与坩埚本体的结合性能好，最终使得坩埚的性能最佳。
在该热处理温度下，硅粉与树脂炭进行硅炭反应：C+Si＝SiC，生成碳化硅，同时进行反应：SiO2+SiC+C＝2Si+2CO，产生的硅继续硅炭反应生成碳化硅，与SiO2及(树脂)炭进行硅炭反应，使SiO2中的硅及硅粉本身最终生成碳化硅涂层。
在本发明中，发明人意外发现，添加剂(Al2O3、ZnO、Li2O及BaO)除了可有效降低热处理温度，还能促进致密碳化硅涂层的形成。
优选的方案，所述高温热处理的升温速度小于300℃/h，进一步优选为小于200℃/h。
本发明中，需要控制升温速率在上述较慢的速度范围内，升温速率放慢有利于树脂的交联聚合，并最终得到性能良好的碳化硅涂层，在整个热处理升温及保温过程中，通过抽真空的方式控制炉内绝对压力小于800Pa，排出反应挥发物。
优选的方案，所述涂层炭炭复合材料坩埚中碳化硅涂层的厚度为100μm～1000μm。
优选的方案，所述炭炭复合材料坩埚本体的获取过程为：将密度为0.25～0.65g/cm3的碳纤维坩埚预制体增密至密度为1.3～1.7g/cm3；机加工，然后表面清理，烘干备用。
进一步的优选，所述增密为化学气相沉积增密和/或树脂浸渍增密。
本发明还提供上述制备方法所制备的涂层炭炭复合材料坩埚。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明制备的碳化硅涂层性能优异：与坩埚本体结合强度高，涂层厚度均匀，致密。
2.本发明的涂层液配制简单，热处理温度低，综合成本低。
3.本发明制备的碳化硅涂层，有效避免了高温下硅蒸汽、含硅气体侵蚀及石英坩埚对炭炭复合材料坩埚的侵蚀，极大的延长了炭炭复合材料坩埚的寿命。
具体实施方式
以下结合实例对本发明作进一步说明。
实施例1
配取涂层液
将350g粒径为10～70μm熔融石英砂、200g粒径为50～90μm的硅粉及粒径为40～80nm的添加剂ZnO和BaO各25g加入至1000g粘度为50Pa.S的呋喃树脂液体中，充分混合均匀，即获得涂层液；其中，熔融石英砂的纯度大于99.9wt％,硅粉的纯度大于99.5wt％。
涂层坩埚
将密度为0.50g/cm3的碳纤维坩埚预制体通过CVD增密至密度为1.40g/cm3；机加工，然后表面清理，烘干获得炭炭复合材料坩埚本体，然后于炭炭复合材料坩埚本体的内表面进行涂层液的涂刷，然后在真空环境下(炉内绝对压力小于400Pa)，以180℃/h的速度升温至1450℃进行高温热处理，保温1h，即得炭炭复合材料坩埚。
出炉后，经检测，碳化硅涂层均匀致密地覆盖于炭炭复合材料内表面，涂层厚度为800μm，该坩埚用于拉制单晶硅使用，使用次数达84炉次，而不含涂层的炭炭复合材料坩埚用于相同的拉制单晶硅使用时寿命仅有30炉次，实施例1中所制备的坩埚的寿命是未涂层的坩埚的2.8倍。
实施例2
配取涂层液
将450g粒径为10～70μm熔融石英砂、250g粒径为50～90μm的硅粉及粒径为40～90nm的添加剂Al2O3和BaO各30g加入至1000g粘度为100Pa.S的呋喃树脂液体中，充分混合均匀，即获得涂层液；其中，熔融石英砂的纯度大于99.9wt％,硅粉的纯度大于99.5wt％。
涂层坩埚
将密度为0.50g/cm3的碳纤维坩埚预制体通过CVD增密至密度为1.35g/cm3；机加工，然后表面清理，烘干获得炭炭复合材料坩埚本体，然后于炭炭复合材料坩埚本体的内表面进行涂层液的涂刷，然后在真空环境下(炉内绝对压力小于600Pa)，以200℃/h的速度升温至1650℃进行高温热处理，保温2h，即得炭炭复合材料坩埚。
出炉后，经检测，碳化硅涂层均匀致密地覆盖于炭炭复合材料内表面，涂层厚度为750μm，该坩埚用于拉制单晶硅使用，坩埚的寿命是未涂层的坩埚的2.1倍。
实施例3
配取涂层液
将300g粒径为6.5～75μm熔融石英砂、150g粒径为30～90μm的硅粉及粒径为10～80nm的40g添加剂Al2O3加入至1000g粘度为80Pa.S的呋喃树脂液体中，充分混合均匀，即获得涂层液；其中，熔融石英砂的纯度大于99.9wt％,硅粉的纯度大于99.5wt％。
涂层坩埚
将密度为0.50g/cm3的碳纤维坩埚预制体通过CVD增密至密度为1.65g/cm3；机加工，然后表面清理，烘干获得炭炭复合材料坩埚本体，然后于炭炭复合材料坩埚本体的内表面进行涂层液的涂刷，然后在真空环境下(炉内绝对压力小于600Pa)，以100℃/h的速度升温至1300℃进行高温热处理，保温0.5h，即得炭炭复合材料坩埚。
出炉后，经检测，碳化硅涂层均匀致密地覆盖于炭炭复合材料内表面，涂层厚度为700μm，该坩埚用于拉制单晶硅使用，坩埚的寿命是未涂层的坩埚的2.0倍。
实施例4
配取涂层液
将400g粒径为10～70μm熔融石英砂、200g粒径为50～90μm的硅粉及粒径为10～100nm的添加剂ZnO和LiO各20g加入至1000g粘度为350Pa.S的呋喃树脂液体中，充分混合均匀，即获得涂层液；其中，熔融石英砂的纯度大于99.9wt％,硅粉的纯度大于99.5wt％。
涂层坩埚
将密度为0.50g/cm3的碳纤维坩埚预制体通过CVD增密至密度为1.65g/cm3；机加工，然后表面清理，烘干获得炭炭复合材料坩埚本体，然后于炭炭复合材料坩埚本体的内表面进行涂层液的涂刷，然后在真空环境下(炉内绝对压力小于400Pa)，以150℃/h的速度升温至1550℃进行高温热处理，保温1h，即得炭炭复合材料坩埚。
出炉后，经检测，碳化硅涂层均匀致密地覆盖于炭炭复合材料内表面，涂层厚度为710μm，该坩埚用于拉制单晶硅使用，坩埚的寿命是未涂层的坩埚的2.2倍。
实施例5
配取涂层液
将380g粒径为6.5～75μm熔融石英砂、240g粒径为10～100μm的硅粉及粒径为10～90nm的添加剂ZnO、Li2O及BaO各15g加入至1000g粘度为90Pa.S的呋喃树脂液体中，充分混合均匀，即获得涂层液；其中，熔融石英砂的纯度大于99.9wt％,硅粉的纯度大于99.5wt％。
涂层坩埚
将密度为0.50g/cm3的碳纤维坩埚预制体通过CVD增密至密度为1.60g/cm3；机加工，然后表面清理，烘干获得炭炭复合材料坩埚本体，然后于炭炭复合材料坩埚本体的内表面进行涂层液的涂刷，然后在真空环境下(炉内绝对压力小于400Pa)，以300℃/h的速度升温至1400℃进行高温热处理，保温1.5h，即得炭炭复合材料坩埚。
出炉后，经检测，碳化硅涂层均匀致密地覆盖于炭炭复合材料内表面，涂层厚度为620μm，该坩埚用于拉制单晶硅使用，坩埚的寿命是未涂层的坩埚的1.9倍。
对比例1
其他条件与实施例1相同，仅是加入的是普通石英。
出炉后，经检测，碳化硅涂层不均匀，致密性差，有肉眼可见裂纹，该坩埚用于拉制单晶硅，多次使用后，碳化硅涂层与坩埚本体易分离，其寿命是未涂层的坩埚寿命的0.9倍左右。
对比例2
其他条件与实施例1相同，仅是呋喃树脂的粘度为400Pa.S。
出炉后，经检测，碳化硅涂层厚度不均匀，致密性一般，该坩埚用于拉制单晶硅，多次使用后，碳化硅涂层与坩埚本体易分离，其寿命是未涂层的坩埚寿命的1.2倍。
对比例3
其他条件与实施例1相同，仅是未加入任何添加剂。
出炉后，经检测，碳化硅涂层厚度不均匀，致密性差，坩埚局部未覆盖碳化硅涂层，该坩埚用于拉制单晶硅，多次使用后，碳化硅涂层与坩埚本体易分离，出现涂层损伤坩埚本体的现象，其寿命是未涂层的坩埚寿命的0.8倍。
对比例4
其他条件与实施例1相同，仅是添加剂的粒径为1μm～10μm。
出炉后，经检测，碳化硅涂层厚度较均匀，致密性一般，该坩埚用于拉制单晶硅，多次使用后，碳化硅涂层与坩埚本体易分离，其寿命是未涂层的坩埚寿命的1.2倍。
对比例5
其他条件与实施例1相同，仅是高温热处理温度为1700℃。
出炉后，经检测，碳化硅涂层均匀性差，该坩埚用于拉制单晶硅，多次使用后，碳化硅涂层与坩埚本体易分离，其寿命与未涂层的坩埚寿命相当。
对比例6
其他条件与实施例1相同，仅是升温速率为350℃/h。
出炉后，经检测，碳化硅涂层不连续、肉眼可见裂纹多，致密性差，该坩埚用于拉制单晶硅，多次使用后，碳化硅涂层与坩埚本体易分离，其寿命是未涂层的坩埚寿命的0.9倍左右。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，在炭炭复合材料坩埚本体的内表面涂刷涂层液，再进行高温热处理即得涂层炭炭复合材料坩埚；所述涂层液由树脂、熔融石英砂、硅粉、添加剂组成，按质量比计，树脂：熔融石英砂：硅粉：添加剂＝100:(20～50):(10～30):(2～8)；所述添加剂选自Al2O3、ZnO、Li2O、BaO中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，其特征在于：所述涂层液，按质量比计，树脂：熔融石英砂：硅粉：添加剂＝100:(30～40):(15～25):(4～6)。
3.根据权利要求1所述的一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，其特征在于：所述树脂为呋喃树脂，树脂的粘度不大于350Pa.S。
4.根据权利要求1所述的一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，其特征在于：所述熔融石英砂中：SiO2的含量为99.9wt％以上；所述熔融石英的粒径为6.5～75μm。
5.根据权利要求1所述的一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，其特征在于：所述的硅粉纯度大于99.5wt％，所述的硅粉的粒径为13～106μm。
6.根据权利要求1所述的一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，其特征在于：所述添加剂的粒径为10～100nm。
7.根据权利要求1所述的一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，其特征在于：所述高温热处理的温度为1300～1650℃，高温热处理的保温时间为0.5～2h；
所述高温热处理的升温速度小于300℃/h。
8.根据权利要求1所述的一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，其特征在于：所述涂层炭炭复合材料坩埚中碳化硅涂层的厚度为100μm～1000μm。
9.根据权利要求1所述的一种涂层炭炭复合材料坩埚的制备方法，其特征在于：所述炭炭复合材料坩埚本体的获取过程为：将密度为0.25～0.65g/cm3的碳纤维坩埚预制体增密至密度为1.3～1.7g/cm3；机加工，然后表面清理，烘干备用；所述增密为化学气相沉积增密和/或树脂浸渍增密。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的制备方法所制备的涂层炭炭复合材料坩埚。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114368976A (zh) * | 2022-02-08 | 2022-04-19 | 中南大学 | 石英纤维增强炭-二氧化硅复合材料坩埚及其制备方法 |
| CN114409423A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-29 | 烟台凯泊复合材料科技有限公司 | 一种耐高温轻质交替复合陶瓷隔热屏的制备方法 |
| CN114455963A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-10 | 西安超码科技有限公司 | 一种含有α-Al2O3涂层的炭/炭-碳化硅复合材料坩埚 |
| CN114455964A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-10 | 西安超码科技有限公司 | 一种含有氧化铝涂层的C/SiC复合材料坩埚 |
| CN114523734A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-24 | 烟台凯泊复合材料科技有限公司 | 一种耐高温轻质复合陶瓷隔热屏的制备方法 |
| CN115536418A (zh) * | 2022-10-12 | 2022-12-30 | 贵州省紫安新材料科技有限公司 | 一种C-SiC双涂层炭/炭复合材料坩埚的制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101928480A (zh) * | 2010-09-07 | 2010-12-29 | 武汉科技大学 | 一种镁碳砖无铝抗氧化涂层的制备方法 |
| CN202643896U (zh) * | 2012-05-26 | 2013-01-02 | 保定顺天新材料股份有限公司 | 一种炭/炭复合材料坩埚 |
| CN104387093A (zh) * | 2014-10-13 | 2015-03-04 | 瑞泰科技股份有限公司 | 一种用于高炉渣生产矿棉控流的水口及其生产工艺 |
| CN111825477A (zh) * | 2020-08-13 | 2020-10-27 | 中钢南京环境工程技术研究院有限公司 | 一种防氧化碳化硅窑具的制备方法 |
-
2020
- 2020-12-28 CN CN202011577293.1A patent/CN112759423B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101928480A (zh) * | 2010-09-07 | 2010-12-29 | 武汉科技大学 | 一种镁碳砖无铝抗氧化涂层的制备方法 |
| CN202643896U (zh) * | 2012-05-26 | 2013-01-02 | 保定顺天新材料股份有限公司 | 一种炭/炭复合材料坩埚 |
| CN104387093A (zh) * | 2014-10-13 | 2015-03-04 | 瑞泰科技股份有限公司 | 一种用于高炉渣生产矿棉控流的水口及其生产工艺 |
| CN111825477A (zh) * | 2020-08-13 | 2020-10-27 | 中钢南京环境工程技术研究院有限公司 | 一种防氧化碳化硅窑具的制备方法 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114455963A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-10 | 西安超码科技有限公司 | 一种含有α-Al2O3涂层的炭/炭-碳化硅复合材料坩埚 |
| CN114455964A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-10 | 西安超码科技有限公司 | 一种含有氧化铝涂层的C/SiC复合材料坩埚 |
| CN114455964B (zh) * | 2021-12-30 | 2023-09-05 | 西安超码科技有限公司 | 一种含有氧化铝涂层的C/SiC复合材料坩埚 |
| CN114409423A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-29 | 烟台凯泊复合材料科技有限公司 | 一种耐高温轻质交替复合陶瓷隔热屏的制备方法 |
| CN114523734A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-24 | 烟台凯泊复合材料科技有限公司 | 一种耐高温轻质复合陶瓷隔热屏的制备方法 |
| CN114368976A (zh) * | 2022-02-08 | 2022-04-19 | 中南大学 | 石英纤维增强炭-二氧化硅复合材料坩埚及其制备方法 |
| CN115536418A (zh) * | 2022-10-12 | 2022-12-30 | 贵州省紫安新材料科技有限公司 | 一种C-SiC双涂层炭/炭复合材料坩埚的制备方法 |
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