CN113121254B - 一种大尺寸r角坩埚用预制体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法，本发明以延长大尺寸R角坩埚寿命为研究对象，R角坩埚作为受力件，对R角坩埚预制体的编织方式和针刺方式更为讲究，本发明斜向编织方向夹角为15°～60°，垂直方向为0°和90°四个方向上下缠绕编织，既保障了R角坩埚的抗剪能力，也保障了R角坩埚的整体环向强度，本发明在缠绕编织步骤完成后进行针对性的针刺，能够提高层间的结合力，增强力学性能，最终达到一个增强产品寿命的特点。

Description

一种大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法。
背景技术
在单晶硅的制备过程中,需要用到碳/碳复合材料的坩埚等产品，碳/碳坩埚其作为受力件，单晶硅制备热场中的主要损耗材料，使用寿命的长短，直接影响单炉次的运行成本和设备的安全隐患，由于光伏行业的飞速发展，碳/碳坩埚尺寸也在逐渐变大的同时，坩埚的壁厚确基本不变，所以在壁厚不变的情况下增大坩埚尺寸，在沉积坩埚预制体前，唯有改变坩埚的预制体的编织结构和制作方式来提高大尺寸坩埚的力学性能强度，提高抗腐蚀能力，最终达到提高碳/碳坩埚使用寿命的效果。
专利《螺旋编织的埚邦预制体及以其制成的碳碳埚邦》(专利号：CN112239915A)提供一种螺旋编织的埚邦预制体，所述埚邦预制体由碳纤维绳或带编织而成，所述埚邦预制体包括多数根轴向条，所述碳纤维绳或带绕所述轴向条螺旋编织。本申请的埚邦周向强度增大，上下直径更精确，采用螺旋编织，编织更简单。螺旋编织的埚帮预制体，所述轴向被一根或多根碳纤维绳或带内外所包围，一时间在外、一时间在内交织连接。中环部和至少一端的封边部，其中，所述中环部为一环状中空网状体，所述中环部包括多数根轴向条，所述轴向条与一根或多根所述碳纤维绳或带螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度。
以上现有技术以直筒型埚帮为研究对象，直筒型埚帮不作为受力件，复杂的编织结构浪费成本；且现有专利碳纤维绳或带螺旋编织方向的夹角为大于70度小于90度，仅仅使环向受力，抗剪能力弱，容易引起变形和横裂。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法。本发明以延长大尺寸R角坩埚寿命为研究对象，R角坩埚作为受力件，对R角坩埚预制体的编织方式和针刺方式更为讲究，本发明斜向编织方向夹角为15°～60°，垂直方向为0°和90°四个方向上下缠绕编织，既保障了R角坩埚的抗剪能力，也保障了R角坩埚的整体环向强度，本发明在缠绕编织步骤完成后进行针对性的针刺，能够提高层间的结合力，增强力学性能。
本发明可通过以下技术方案予以解决：
一种大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法，包括以下步骤：
1)根据R角坩埚预制体尺寸制作好木模模型，让泡沫垫在模型上贴平包裹木模，裁剪多余的部分；
2)准备好12K碳纤维平纹布和12K碳纤维网胎，在木模和泡沫垫上进行单元层紧密铺层，然后选用12K长纤维丝进行绕丝穿插编织；
3)轴向平铺平纹布和长纤维丝缠绕，环向平铺平纹布和长纤维丝缠绕，斜向用长纤维丝缠绕，斜向绕丝编织与轴向绕丝编织夹角为15°～60°，每个单元格中轴向、环向和斜向形成米字型，其中炭纤维轴向碳纤维丝束、环向碳纤维丝束、斜向碳纤维丝束所占体积分数比为1∶3∶1，各个方向分别交替穿插绕丝，每束纤维丝由上往下，再由下往上穿插绕过另一束纤维丝，一束纤维丝在上一束纤维丝在下；
4)针刺过程中，针刺角度始终与网胎保持30°～70°，进针斜向深度为20-35mm；
5)针刺要在同一块区域进行0°、90°、180°、360°顺或逆时针针刺，每针刺一轮，针刺角度调整30°再进行下一轮针刺，直至达到针刺密度20-40针/cm2；
6)重复以上步骤：2)或3)或4)或5)，直至达到预制体厚度尺寸，进行R角坩埚预制体脱模整形固化处理。
进一步地，所述平纹布和网胎为T700级东丽12K碳纤维平纹布，所述长纤维丝为T700级东丽12K长纤维丝。
本发明还提出一种通过以上大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法制备而成的大尺寸R角坩埚预制体。
有益效果
坩埚在拉单晶硅炉实际使用过程中受到的环向张力远大于轴向拉伸力，坩埚内表面不断受到硅蒸气侵蚀过程中，为了延长大尺寸R角坩埚寿命，本发明在制作预制体时在环向有穿插绕丝编织和斜向夹角为15°～60°长纤维穿插绕丝编织，特有的编织方式，不仅使坩埚外层的高密度环向炭纤维含量能够抵抗硅液转换给坩埚的张力，有效地缓解了由于坩埚本体局部强度缺失造成纵向贯穿裂纹，也因斜向纤维的引入，使得埚帮在高温处理中，在受到轴向方向和环向方向的拉力时，15°～60°方向的双向缠绕纤维会产生大小相同，方向相反的两个剪力，降低了单方向形变的可能，也最大限度地降低了因为环向纤维因高温环境中拉伸扩张造成的损伤，保障了埚帮整体的环向强度和防变形能力；多角度的针刺使预制体在层与层之间的缠绕更加紧密，沉积过程中热解炭的附着力和粘结力更强，整体力学性能得到很大提升，抗硅蒸汽腐蚀能力也得到提升，使R角坩埚在保持厚度不变的同时增大尺寸，大大提升了大尺寸R角坩埚在单晶硅制备过程中的使用寿命，从而达到一个降本增效的目的。
附图说明
图1为本发明编织示意图；
图2为图1局部放大图；
图3本发明针刺示意图；
图4本发明中同一块区域针刺方向示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
由于炭纤维预制体是复合材料产品的结构骨架，骨架的结实度最终影响大尺寸R角坩埚的寿命。炭纤维预制体由网胎和炭布铺层，加上长纤维丝缠绕编织针刺而成，最终经过沉积工艺处理，热解炭填充纤维孔隙，从而进一步提高综合力学性能，所以在制作大尺寸R角坩埚炭纤维预制体的过程尤为重要，直接影响到产品的力学性能和沉积过程中的热解炭附着力。本发明大尺寸坩埚预制体由10-30层平纹布+网胎铺层，每个单元层选用长纤维丝进行“米”字型穿插绕丝编织(轴向丝、斜向丝、环向丝)，选用T700级东丽12K碳纤维平纹布、T700级东丽12K网胎进行铺层和T700级东丽12K长纤维丝进行穿插绕丝编织，如图1所示，轴向有平纹布和竖向丝(图1中B所示)，环向也有平纹布和长纤维丝缠绕(图1中A所示),斜向夹角为15°～60°长纤维绕丝编织(图1中C所示)，然后以炭纤维体积分数比1∶3∶1(轴向：环向：斜向)的比例，各个方向分别交替穿插绕丝；如图2所示，每束纤维丝由上往下，由下往上穿插绕过另一束纤维丝，一束丝在上一束丝在下，如“竹篓”般进行穿插绕丝编织。
大尺寸坩埚预制体需每层铺层穿插绕丝编织完成后与网胎进行融合针刺，层间密度(10-15)层/cm，如图3所示，针刺过程中，针刺角度始终与网胎保持30°～70°，进针斜向深度为20-35mm；如图4所示，针刺要在同一块区域进行0°、90°、180°、360°顺或逆时针针刺，每针刺一轮，针刺角度调整30°再进行下一轮针刺，直至达到针刺密度20-40针/cm2，使纤维丝缠绕在一起，加强层间纤维丝的粘结力，提高纤维丝的热解炭附着力和抗腐蚀能力，最终达到一个增强坩埚使用寿命的效果。
本发明大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法，包括以下步骤：
1)根据R角坩埚预制体尺寸制作好木模模型，让泡沫垫在模型上贴平包裹木模，裁剪多余的部分；
2)准备好12K碳纤维平纹布和12K碳纤维网胎，在木模和泡沫垫上进行单元层紧密铺层，然后选用12K长纤维丝进行绕丝穿插编织；
3)轴向平铺平纹布和长纤维丝缠绕，环向平铺平纹布和长纤维丝缠绕，斜向用长纤维丝缠绕，斜向绕丝编织与轴向绕丝编织夹角为15°～60°，每个单元格中轴向、环向和斜向形成米字型，其中炭纤维轴向碳纤维丝束、环向碳纤维丝束、斜向碳纤维丝束所占体积分数比为1∶3∶1，各个方向分别交替穿插绕丝，每束纤维丝由上往下，再由下往上穿插绕过另一束纤维丝，一束纤维丝在上一束纤维丝在下；
4)针刺过程中，针刺角度始终与网胎保持30°～70°，进针斜向深度为20-35mm；
5)针刺要在同一块区域进行0°、90°、180°、360°顺或逆时针针刺，每针刺一轮，针刺角度调整30°再进行下一轮针刺，直至达到针刺密度20-40针/cm2；
6)重复以上步骤：2)或3)或4)或5)，直至达到预制体厚度尺寸，进行R角坩埚预制体脱模整形固化处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据R角坩埚预制体尺寸制作好木模模型，让泡沫垫在模型上贴平包裹木模，裁剪多余的部分；
2)准备好平纹布和网胎，在木模和泡沫垫上进行单元层紧密铺层，然后选用长纤维丝进行绕丝穿插编织；
3)轴向平铺平纹布和长纤维丝缠绕，环向平铺平纹布和长纤维丝缠绕，斜向用长纤维丝缠绕，斜向绕丝编织与轴向绕丝编织夹角为15°～60°，每个单元格中轴向、环向和斜向形成米字型，其中炭纤维轴向碳纤维丝束、环向碳纤维丝束、斜向碳纤维丝束所占体积分数比为1∶3∶1，各个方向分别交替穿插绕丝，每束纤维丝由上往下，再由下往上穿插绕过另一束纤维丝，一束纤维丝在上一束纤维丝在下；
4)针刺过程中，针刺角度始终与网胎保持30°～70°，进针斜向深度为20-35mm；
5)针刺要在同一块区域进行0°、90°、180°、360°顺或逆时针针刺，每针刺一轮，针刺角度调整30°再进行下一轮针刺，直至达到针刺密度20-40针/cm2；
6)重复以上步骤：2)或3)或4)或5)，直至达到R角坩埚预制体尺寸要求，然后进行脱模整形固化处理。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法，其特征在于，所述平纹布和网胎为T700级东丽12K碳纤维平纹布，所述长纤维丝为T700级东丽12K长纤维丝。
3.由权利要求2所述的大尺寸R角坩埚用预制体的制备方法制备而成的大尺寸R角坩埚预制体。
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