專(zhuān)利名稱(chēng)：一種單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝的制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝的制備工藝。
背景技術(shù)：
目前制備單晶硅采用的設(shè)備是直拉單晶硅爐，具體的生產(chǎn)過(guò)程是將高純的多晶硅硅粉裝在石英坩堝內(nèi)，然后將石英坩堝放入有加熱底托的石墨坩堝內(nèi)，在單晶硅爐內(nèi)，通入氫氣或者氬氣作為保護(hù)氣體，將硅粉加熱熔融，溫度一般控制控制在1400°C -1700°C，通過(guò)導(dǎo)流筒將單晶硅的籽晶插入熔體內(nèi)，籽晶牽引棒與坩堝做旋轉(zhuǎn)反向運(yùn)動(dòng)，這樣多晶硅粉的熔體中不斷有晶粒析出，并按著籽晶原子的序列規(guī)則的排列在籽晶周?chē)?，隨著牽引棒的向上提升生成單晶硅棒。由于石墨的坩堝的強(qiáng)度較差，一般的石墨坩堝使用壽命只有30爐次左右，而且等靜壓石墨坩堝多依賴(lài)進(jìn)口，使得單晶硅生產(chǎn)成本較高。近幾年隨著炭/炭復(fù)合材料在民用設(shè)備方面的推廣和應(yīng)用，已經(jīng)有公司采用炭/炭復(fù)合材料坩堝取代等靜壓石墨坩堝，炭/炭復(fù)合材料坩堝是以碳纖維為原料編制成坩堝的預(yù)制體，采用CVD (化學(xué)氣象沉積)，CVI (化學(xué)氣相滲透)或者浸潰工藝等方法，以基體炭增強(qiáng)纖維結(jié)構(gòu)，經(jīng)試用，炭/炭復(fù)合材料坩堝較熱等靜壓石墨坩堝壽命提高了 3至5倍，性價(jià)比明顯優(yōu)于石墨坩堝，大大降低了單晶硅生產(chǎn)的成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。工業(yè)上，一般采用自由CVD或CVI工藝，即預(yù)制體在沉積爐內(nèi)自由擺放，氣體由下部進(jìn)，上部排出，制備密度在I. 5g/cm3以上的炭/炭復(fù)合材料，反應(yīng)時(shí)間多在600小時(shí)以上，相對(duì)成本較高；若采用沉積工藝與浸潰工藝相結(jié)合，一方面工藝繁瑣，另一方面得到的復(fù)合材料因纖維內(nèi)部的基體炭結(jié)構(gòu)不一致，使得材料本身的熱物理性能存在差異，影響了材料的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速增密且成本低的單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝的制備工藝。本發(fā)明采用的技術(shù)方案
一種單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝的制備工藝，包括如下步驟
(1)以碳纖維為原料，分別編織成網(wǎng)胎與炭布，并通過(guò)針刺使之復(fù)合成氈，把氈纏繞固定在坩堝形狀的模具上，其上覆蓋一層炭布，再覆蓋一層網(wǎng)胎，如此交迭放置并通過(guò)針刺使之復(fù)合，得到密度為O. 4 g/cm3-0. 6 g/cm3的準(zhǔn)三維坩堝預(yù)制體；
(2)將所述坩堝預(yù)制體放入沉積爐內(nèi)進(jìn)行沉積，所述沉積爐的支撐底板和爐頂上均分別設(shè)置有1-4路氣體通道，所述支撐底板和爐頂上的氣體通道的進(jìn)、出氣狀態(tài)能夠瞬時(shí)切換，具體步驟為
a.將所述坩堝預(yù)制體倒置在所述沉積爐內(nèi)的支撐底板上，使支撐底板上的氣體通道的氣口完全被罩在樹(shù)禍預(yù)制體內(nèi)部;
b.保持沉積爐內(nèi)溫度為850°C-1150°C，以天然氣、丙烯、石油液化氣的混合氣體為碳源，控制爐壓在I - 7kPa，控制碳源總量在2-8m3，控制載氣(氮?dú)饣驓鍤?總量與碳源總量比例為3 2，保持坩堝內(nèi)外500Pa-lkPa的壓力差;
c.在氣相沉積過(guò)程中，所述氣體通道的進(jìn)、出氣狀態(tài)每隔30至100小時(shí)切換一次，沉積300-350小時(shí)，使碳碳復(fù)合材料坩堝密度達(dá)到I. 6g/cm3以上；
(3)步驟(2)中沉積過(guò)的坩堝在1800-2500°C進(jìn)行石墨化處理。所述碳纖維為T(mén)-700聚丙烯腈基碳纖維。所述天然氣、丙烯、石油液化氣的混合氣體中三者比例根據(jù)所設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體方法為850°C≤溫度≤960°C時(shí)，天然氣、丙烯、石油液化氣三者的體積比為1 4 3 ；960°C〈溫度≤1020°C時(shí)，三者的體積比為3 5 3 ;1020°C〈溫度≤1150°C時(shí)三者的體積比為2 1 :2。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具備以下特點(diǎn)
(I)本發(fā)明制備過(guò)程中采用天然氣、丙烯、石油液化氣的混合氣體作為碳源，相對(duì)于單一的碳源，增大了化學(xué)反應(yīng)的溫度范圍，大大增加了不同階段的熱解碳的前驅(qū)體濃度，有利于大、小分子熱解碳的同時(shí)形成和沉積，提高了材料局部的密度。(2)本發(fā)明中采用的T-700聚丙烯腈基碳纖維相比于其他碳纖維，具有較高的強(qiáng)度和模量，提高了了坩堝的抗拉伸和擠壓強(qiáng)度，從而提高了使用壽命。(3)本發(fā)明中坩堝預(yù)制體在沉積爐內(nèi)倒置擺放，在反應(yīng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了均溫法、壓差法、強(qiáng)制氣流法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了坩堝坯體整體的快速致密化，坩堝在沉積300至350小時(shí)后，密度可達(dá)到I. 6g/cm3以上，較傳統(tǒng)自由沉積工藝大大縮短沉積時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。坩堝經(jīng)機(jī)械加工后，用于單晶硅爐熱場(chǎng)，炭/炭復(fù)合材料坩堝較熱等靜壓石墨坩堝壽命提高了 3至5倍，性價(jià)比明顯優(yōu)于石墨坩堝，大大降低了單晶硅生產(chǎn)的成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。(4)本工藝中，通過(guò)定時(shí)切換進(jìn)氣方式，一方面克服了單一方向碳源氣體不利于熱解碳在預(yù)制體內(nèi)部沉積，另一方面使得沉積碳在碳纖維表面形成的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，可以避免“空心”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝的制備工藝包含以下幾個(gè)步驟
(1)以T-700的聚丙烯腈基碳纖維為原料，分別編織成網(wǎng)胎與炭布，并通過(guò)針刺使之復(fù)合成氈，把氈纏繞固定在坩堝形狀的模具上，其上覆蓋一層炭布，再覆蓋一層網(wǎng)胎，如此交迭放置并通過(guò)針刺使之復(fù)合，得到密度為O. 45 g/cm3的準(zhǔn)三維坩堝預(yù)制體；
(2)將所述坩堝預(yù)制體放入沉積爐內(nèi)進(jìn)行沉積，所述沉積爐的支撐底板和爐頂上均分別設(shè)置有3路氣體通道，所述氣體通道的進(jìn)、出氣狀態(tài)能夠瞬時(shí)切換，具體步驟為
a.將所述坩堝預(yù)制體倒置在所述沉積爐內(nèi)的支撐底板上，使支撐底板上的氣體通道的氣口完全被罩在樹(shù)禍預(yù)制體內(nèi)部;
b.保持沉積爐內(nèi)溫度為950°C-1050°C范圍內(nèi)，具體溫度值要根據(jù)爐壓變化即時(shí)調(diào)節(jié)，控制爐壓在3. 5kPa，以天然氣、丙烯、石油液化氣的混合氣體為碳源，控制碳源總量在5m3/h，控制載氣氮?dú)饪偭?. 5m3/h，保持坩堝內(nèi)外600Pa的壓力差；
所述天然氣、丙烯、石油液化氣的混合氣體中三者比例根據(jù)所設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體方法為850°C≤溫度≤960°C時(shí)，天然氣、丙烯、石油液化氣三者的體積比為1 43；9600C〈溫度彡1020°C時(shí)，三者的體積比為3 5 3 ;1020°C〈溫度彡1150°C時(shí)三者的體積比為2 :1 :2 ;
c.在氣相沉積過(guò)程中，若從爐底進(jìn)氣則爐頂出氣，若爐頂進(jìn)氣則爐底出氣，進(jìn)、出氣狀態(tài)可瞬時(shí)切換，所述氣體通道每隔50小時(shí)切換一次進(jìn)、出氣狀態(tài)，沉積350小時(shí)，使碳碳復(fù)合材料坩堝密度達(dá)到I. 6g/cm3以上；
(3)將步驟(2)中沉積過(guò)的坩堝在1800-2500°C進(jìn)行石墨化處理，一方面提高材料的石墨化度，提高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱物理性能，另一方面去除易揮發(fā)的雜質(zhì)，處理后的炭/炭復(fù)合材料坩堝，可直接用于單晶硅爐的熱場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝的制備エ藝，其特征在于包括如下步驟 (1)以碳纖維為原料，分別編織成網(wǎng)胎與炭布，并通過(guò)針刺使之復(fù)合成氈，把氈纏繞固定在坩堝形狀的模具上，其上覆蓋ー層炭布，再覆蓋ー層網(wǎng)胎，如此交迭放置并通過(guò)針刺使之復(fù)合，得到密度為O. 4 g/cm3-0. 6 g/cm3的準(zhǔn)三維坩堝預(yù)制體； (2)將所述坩堝預(yù)制體放入沉積爐內(nèi)進(jìn)行沉積，所述沉積爐的支撐底板和爐頂上均分別設(shè)置有1-4路氣體通道，所述氣體通道的進(jìn)、出氣狀態(tài)能夠瞬時(shí)切換，具體步驟為 a.將所述坩堝預(yù)制體倒置在所述沉積爐內(nèi)的支撐底板上，使支撐底板上的氣體通道的氣ロ完全被罩在 甘禍預(yù)制體內(nèi)部; b.保持沉積爐內(nèi)溫度為850°C-1150°C,以天然氣、丙烯、石油液化氣的混合氣體為碳源，控制爐壓在I - 7kPa，控制碳源總量在2-8m3，控制載氣總量與碳源總量比例為3 2，保持坩堝內(nèi)外500Pa_lkPa的壓カ差； c.在氣相沉積過(guò)程中，所述氣體通道每隔30至100小時(shí)切換一次進(jìn)、出氣狀態(tài)，沉積300-350小時(shí)，使碳碳復(fù)合材料坩堝密度達(dá)到I. 6g/cm3以上； (3)步驟(2)中沉積過(guò)的坩堝在1800-2500°C進(jìn)行石墨化處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝的制備エ藝，其特征在于所述碳纖維為T(mén)-700聚丙烯腈基碳纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝的制備エ藝，其特征在于所述天然氣、丙烯、石油液化氣的混合氣體中三者比例根據(jù)所設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體方法為850°C彡溫度彡960で時(shí)，天然氣、丙烯、石油液化氣三者的體積比為1 :4:3;9600C〈溫度彡1020°C時(shí)，三者的體積比為3 5 3 ;1020°C〈溫度彡1150°C時(shí)三者的體積比為2 1 :2。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝的制備工藝，該方法采用聚丙烯腈基碳纖維編制的預(yù)制體，以天然氣、丙烯、石油液化氣的混合氣體為碳源，氮?dú)饣驓鍤鉃檩d氣，在立罐式沉積爐形成的均溫?zé)釄?chǎng)內(nèi)，定時(shí)切換管路的上進(jìn)氣與下進(jìn)氣，利用坩堝內(nèi)外氣體的壓力差，實(shí)現(xiàn)均溫法、壓差法、強(qiáng)制氣流法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)坩堝坯體整體的快速致密化，坩堝在300至350小時(shí)后，密度可達(dá)到1.6g/cm3以上，較傳統(tǒng)自由沉積工藝大大縮短沉積時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。坩堝經(jīng)機(jī)械加工后，用于單晶硅爐熱場(chǎng)，炭/炭復(fù)合材料坩堝較熱等靜壓石墨坩堝壽命提高了3至5倍，性價(jià)比明顯優(yōu)于石墨坩堝，大大降低了單晶硅生產(chǎn)的成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C30B15/10GK102660768SQ20121016626
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月26日
發(fā)明者啜艷明, 楊海春, 楊金海, 梁伊麗, 王亞軍, 王利強(qiáng), 王金鐸, 譚平, 郭鳳祥, 陶國(guó)雷 申請(qǐng)人:保定順天新材料股份有限公司