原位反應(yīng)法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種原位反應(yīng)法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法，包括如下步驟：將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)的硅粉中，得預(yù)反應(yīng)物料；預(yù)反應(yīng)物料放置在超音頻感應(yīng)加熱爐中，在1300℃、惰性氣體保護(hù)下反應(yīng)60～90min。本發(fā)明利用原位反應(yīng)在石墨坩堝的表面通過固相反應(yīng)生成厚度均勻的SiC涂層，該方法工藝簡單、容易控制，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明的方法制備的SiC涂層與石墨坩堝基體結(jié)合牢固，該SiC涂層能有效防止石墨坩堝的氧化，提高石墨坩堝的抗氧化性和抗熱沖擊性，從而提高石墨坩堝的使用壽命，而且不會引入其他雜質(zhì)。
【專利說明】原位反應(yīng)法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用原位反應(yīng)法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法，屬于制備涂層的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶硅中的雜質(zhì)元素與冶煉過程中使用的坩堝密不可分，如何制造出能盡量少的引入雜質(zhì)、在硅熔煉過程中不發(fā)生粘連且能多次重復(fù)使用的坩堝對提高太陽能電池的質(zhì)量和降低太陽能的成本有著重要的影響。因此，在坩堝的表面形成涂層以提高坩堝的性能有著十分重要的應(yīng)用價值。
[0003]在石墨坩堝內(nèi)表面生成一層SiC涂層可以阻礙坩堝基體與熔融硅之間的反應(yīng)，減弱硅與坩堝之間的粘連行為，因此可以大大提高坩堝的使用壽命。此外由于涂層阻礙了坩堝與硅之間的傳質(zhì)過程，對于提高熔煉硅的質(zhì)量及成品率有一定的作用。
[0004]目前在石墨表面形成SiC涂層的方法有化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)、化學(xué)氣相滲透法(CVI)、液Si浸潰技術(shù)、泥漿一凝膠法等。但這些方法較為復(fù)雜或者制備涂層的周期相對較長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種原位反應(yīng)法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案·為如下:
[0007]一種原位反應(yīng)法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法，包括如下步驟:
[0008]( I)將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)的硅粉中，得預(yù)反應(yīng)物料；
[0009](2)將步驟(1)的預(yù)反應(yīng)物料放置在超音頻感應(yīng)加熱爐中，在1300°C下反應(yīng)60~90min，其中所述超音頻感應(yīng)加熱爐中導(dǎo)入惰性氣體，使反應(yīng)在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。
[0010]上述制備方法中所述預(yù)反應(yīng)物料包括加熱用石墨坩堝、以及在其中的硅粉和涂層用坩堝。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案中，在步驟(1)所述涂層用石墨坩堝的打磨處理方法優(yōu)選為:用砂紙打磨涂層用坩堝，直至表面平整，其中砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#、2000#。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案中，在步驟(2)中所述惰性氣體的導(dǎo)入速率優(yōu)選為0.2~2L/min，更優(yōu)選為0.5L/min，所述惰性氣體為氬氣或氦氣。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案中，在步驟(2 )的反應(yīng)過程中，所述超音頻感應(yīng)加熱爐的音頻頻率優(yōu)選為26.5~27.0KHZ。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述娃粉的粒徑優(yōu)選為I~IOiim,更優(yōu)選為2~8lim,最優(yōu)選為5 ii m。
[0015]本發(fā)明對石墨坩堝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)沒有特殊的限定，本發(fā)明的石墨坩堝表面制備SiC涂層的原理是在適當(dāng)?shù)臏囟认率釄逯械腃與埋敷的硅粉發(fā)生原位反應(yīng)，在石墨坩堝表面生成厚度均勻的SiC涂層，在本發(fā)明的條件下，只要是具有石墨表面的坩堝(或其他)，在其表面均能生成SiC涂層。所述石墨纟甘禍可以優(yōu)選二聞石墨纟甘禍。
[0016]本發(fā)明所述原位反應(yīng)法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法進(jìn)一步優(yōu)選的方法包括如下步驟:
[0017]①用砂紙打磨涂層用坩堝，直至表面平整，其中砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#,2000# ；
[0018]②將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)的硅粉中，得預(yù)反應(yīng)物料；
[0019]③將步驟②的預(yù)反應(yīng)物料放置在超音頻感應(yīng)加熱爐中，用爐蓋蓋緊發(fā)熱用石墨坩堝，熱電偶插入硅粉中；
[0020]④通過設(shè)置在爐蓋上的導(dǎo)氣管，向發(fā)熱用石墨坩堝中通入惰性氣體，接通電源，加熱感應(yīng)線圈，調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的功率，使超音頻感應(yīng)加熱爐內(nèi)溫度保持在1300°C，保溫加熱反應(yīng)60~90min，通過爐蓋上的排氣孔排去空氣以及通入的惰性氣體，并降低由于加熱過程中爐內(nèi)氣體膨脹所產(chǎn)生的高壓；
[0021]⑤反應(yīng)完畢后，關(guān)閉電源，停止超音頻感應(yīng)加熱爐的加熱，發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)繼續(xù)通入惰性氣體，使涂層用石墨坩堝在惰性氣體保護(hù)氣氛中冷卻，待冷卻至室溫后，停止通入惰性氣體，拔出熱電偶，取出涂層用石墨坩堝，得表面為SiC涂層的石墨坩堝。
[0022]在上述方法的步驟④和⑤中,惰性氣體為氬氣或氦氣,通入速度優(yōu)選為0.2~2L/min,更優(yōu)選為0.5L/m in ;所述娃粉的粒徑優(yōu)選為I~10 y m,更優(yōu)選為2~8 y m,最優(yōu)選為
5u m。
[0023]本發(fā)明的有益效果:
[0024](I)本發(fā)明利用原位反應(yīng)在石墨坩堝的表面通過固相反應(yīng)生成厚度均勻的SiC涂層，該方法工藝簡單、容易控制，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0025](2)用該方法在石墨纟甘禍表面制備的SiC涂層石墨纟甘禍基體結(jié)合牢固，制備的涂層厚度均勻，平均厚度為70-130 u m,且不會引入其他雜質(zhì)。
[0026](3)石墨坩堝的抗氧化能力與抗熱沖擊能力對于石墨坩堝來說至關(guān)重要，這關(guān)系到石墨坩堝的使用壽命以及成本，本發(fā)明通過在石墨坩堝表面制備了一層SiC涂層，防止了石墨的進(jìn)一步反應(yīng)，對石墨基體起到了保護(hù)作用，進(jìn)而提高了石墨坩堝的抗熱氧化以及抗熱沖擊性能，極大地提高了石墨坩堝的使用壽命，并且降低了利用石墨坩堝熔煉提純多晶硅的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]本發(fā)明附圖共3幅。
[0028]圖1為在超首頻感應(yīng)加熱制備石墨;t甘禍SiC涂層不意圖。
[0029]圖2為實施例1制備的帶有SiC涂層的石墨坩堝截面的掃描電鏡照片。
[0030]圖3為實施例1制備的SiC涂層的XRD衍射圖譜。
[0031]附圖標(biāo)號:1、熱電偶，2、排氣孔,3、爐蓋,4、導(dǎo)氣管,5、娃粉,6、發(fā)熱用石墨；t甘禍,7、涂層用石墨坩堝，8、防輻射套，9、水泥外殼，10、感應(yīng)線圈，11、耐火磚?！揪唧w實施方式】
[0032]下述非限制性實施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
[0033]實施例1原位反應(yīng)法制備石墨坩堝表面的SiC涂層
[0034]將涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)的硅粉中，并將其放置于超音頻感應(yīng)爐內(nèi)，通過超音頻加熱，涂層用石墨坩堝與硅粉發(fā)生原位反應(yīng)，在其表面生成厚度均勻的SiC涂層，如圖1，具體方法包括如下步驟:
[0035]①用砂紙打磨涂層用坩堝，直至表面平整，其中砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#,2000# ；
[0036]②將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)的硅粉中，得預(yù)反應(yīng)物料；
[0037]③將步驟②的預(yù)反應(yīng)物料放置在超音頻感應(yīng)加熱爐內(nèi)，用爐蓋蓋緊發(fā)熱用石墨坩堝，熱電偶插入硅粉中；
[0038]④通過設(shè)置在爐蓋上的導(dǎo)氣管，向發(fā)熱用石墨坩堝中通入氬氣，接通電源，加熱感應(yīng)線圈，調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的功率，使超音頻感應(yīng)加熱爐內(nèi)溫度保持在1300°C，保溫加熱反應(yīng)75min，可通過爐蓋上的排氣孔，排氣孔排去空氣以及通入的氬氣，降低由于加熱過程中爐內(nèi)氣體膨脹所產(chǎn)生的高壓；
[0039]⑤反應(yīng)完畢后，關(guān)閉電源，停止超音頻感應(yīng)加熱爐的加熱，發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)繼續(xù)通入氬氣，使涂層用石墨坩堝在氬氣保護(hù)氣氛中冷卻，待冷卻至室溫后，停止通入氬氣，拔出熱電偶，取出涂層用石墨坩堝，得表面為SiC涂層的石墨坩堝。
[0040]在上述方法中，所述超音頻感應(yīng)加熱爐為沈丘鑫鑫電子科技有限公司生產(chǎn)的SSF-60A型全固態(tài)超音頻感應(yīng)加熱爐。包括最外層的防輻射套、包封在水泥外殼內(nèi)的感應(yīng)線圈位于防輻射套內(nèi)(如圖1);所述發(fā)熱用石墨坩堝配有爐蓋，爐蓋上設(shè)置有插入導(dǎo)氣管的通孔和用于排放發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)氣體的排氣孔。所述超音頻感應(yīng)加熱爐的加熱部分置于耐火磚上。
[0041]上述方法制備的帶有SiC涂層的石墨坩堝截面用掃描電鏡(SEM)觀察，圖2為所述SiC涂層的SEM照片，由圖中可以看出，SiC涂層厚度均勻，其平均厚度為120 i! m，且SiC涂層與石墨基體結(jié)合牢固，結(jié)合界面無裂紋。經(jīng)過后續(xù)的X射線衍射結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，其涂層的成分為SiC和極少量的SiO2，在較高的溫度下能夠穩(wěn)定存在，因此涂層均有較高的熱穩(wěn)定性能，SiC涂層的XRD衍射圖譜如圖3。
[0042]實施例2SiC涂層石墨坩堝的抗熱氧化性能的測定
[0043]首先將管式爐(一種能長期加熱與保溫用爐子)升溫至700°C。將本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝放置于管式爐中，管式爐加熱石英管兩端不密封，使其與空氣直接接觸。帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝在管式爐中保溫2h，保溫完畢后取出用電子天平稱其質(zhì)量，并計算質(zhì)量損失率。石墨坩堝質(zhì)量損失的主要原因是與空氣的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，質(zhì)量損失率越少說明在高溫下其抗氧化能力越強(qiáng)，反之則抗氧化能力越弱。經(jīng)過測量后發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝700°C氧化兩小時后其質(zhì)量損失為1.9%,而無SiC涂層的石墨；t甘禍700°C氧化兩小時后其質(zhì)量損失為11.5%。
[0044]實施例3SiC涂層石墨坩堝的抗熱沖擊性能的測定
[0045]首先將管式爐(一種能長期加熱與保溫用爐子)升溫至700°C。將本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝放置于管式爐中，管式爐加熱石英管兩端不密封，使其與空氣直接接觸。本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝在管式爐中保溫2h，保溫完畢后取出。待其冷卻至室溫后再次將該帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝重新放置于管式爐中，在管式爐中700°C下保溫2h，保溫完畢后取出。如此重復(fù)六次。經(jīng)過六次循環(huán)熱氧化后用電子天平稱其質(zhì)量，并計算質(zhì)量損失率。若石墨坩堝的抗熱沖擊性能越強(qiáng)，則在循環(huán)熱沖擊的作用下其質(zhì)量損失越小，反之越大。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)六次循環(huán)熱沖擊氧化實驗后，本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝質(zhì)量損失為13.5%，而無SiC涂層的石墨樹禍的質(zhì)量損失為59.3%。`
【權(quán)利要求】
1.一種原位反應(yīng)法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法，包括如下步驟: (1)將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)的硅粉中，得預(yù)反應(yīng)物料； (2)將步驟(1)的預(yù)反應(yīng)物料放置在超音頻感應(yīng)加熱爐中，在1300°C下反應(yīng)60~90min，其中所述超音頻感應(yīng)加熱爐中導(dǎo)入惰性氣體，使反應(yīng)在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(1)所述涂層用石墨坩堝的打磨處理方法為:用砂紙打磨涂層用坩堝，砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#、2000#。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(2)中所述惰性氣體的導(dǎo)入速率為0.2~2L/min，所述惰性氣體為氬氣或氦氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(2)的反應(yīng)過程中，所述超音頻感應(yīng)加熱爐的音頻頻率為26.5~27.0KHZ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅粉的粒徑為I~IOym。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~5的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: ①用砂紙打磨涂層用坩堝，直至表面平整，其中砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#,2000# ； ②將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)的硅粉中，得預(yù)反應(yīng)物料； ③將步驟②的預(yù)反應(yīng)物料放置在超音頻感應(yīng)加熱爐中，用爐蓋蓋緊發(fā)熱用石墨坩堝，熱電偶插入硅粉中； ④通過設(shè)置在爐蓋上的導(dǎo)氣管，向發(fā)熱用石墨坩堝中通入惰性氣體，接通電源，加熱感應(yīng)線圈，調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的功率，使超音頻感應(yīng)加熱爐內(nèi)溫度保持在1300°C，保溫加熱反應(yīng)60~90min，通過爐蓋上的排氣孔排去空氣以及通入的惰性氣體，并降低由于加熱過程中爐內(nèi)氣體膨脹所產(chǎn)生的高壓； ⑤反應(yīng)完畢后，關(guān)閉電源，停止超音頻感應(yīng)加熱爐的加熱，發(fā)熱用石墨坩堝內(nèi)繼續(xù)通入惰性氣體，使涂層用石墨坩堝 在惰性氣體保護(hù)氣氛中冷卻，待冷卻至室溫后，停止通入惰性氣體，拔出熱電偶，取出涂層用石墨坩堝，得表面為SiC涂層的石墨坩堝。
【文檔編號】C04B41/87GK103787694SQ201310719947
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】譚毅, 游小剛, 李佳艷 申請人:大連理工大學(xué)