石英陶瓷坩堝的製備方法
2023-09-20 22:52:40 1
專利名稱：石英陶瓷坩堝的製備方法
技術領域：
本發明涉及的是一種無機非金屬材料技術領域的方法，具體是一種用於多晶矽太 陽能電池鑄錠的石英陶瓷坩堝的製備方法。
背景技術：
陶瓷坩堝是多晶矽鑄錠用容器。太陽能多晶矽行業多採用熔融石英作為原料來制 作陶瓷坩堝，主要是因為熔融石英具有較高的耐酸鹼侵蝕性能和抗熱震性能，特別是熱膨 脹係數比其它陶瓷材料低得多，所以石英陶瓷坩堝已成為多晶矽生產過程中不可替代的關 鍵性消耗材料。目前，製作石英陶瓷坩堝的主要方法為上世紀90年代初發展起來的凝膠注模法。經過對現有技術的檢索發現，中國專利申請號200910087303. 0，公開了一種採用 複合多級熔融石英粉為原料，凝膠注模法製作石英陶瓷坩堝的技術。該技術的特點是通過 控制石英粉體的粒度級配，獲得組織結構均勻，孔隙率可控，具有優良抗熱震和耐高溫性能 的石英陶瓷坩堝。但是該方法存在一定的缺陷。首先，通過凝膠注模方法得到的陶瓷素坯， 具有類似橡膠的彈性，而剛度較低，由於坩堝素坯的尺寸較大，所以在其徹底乾燥之前的自 重變形很難控制；其次，石英陶瓷漿料在抽真空除氣的過程中，由於空氣迅速排出，易導致 漿料凝膠化提前進行，所以固化時間較難控制；第三，採用凝膠注模方法製作石英陶瓷坩 堝，通常需要在高溼度和室溫條件下長期乾燥至坯體不再發生顯著收縮，然後才能在更高 溫度下進行乾燥，因此乾燥周期很長。綜上所述，探索製作石英陶瓷坩堝的新技術，依然是 太陽能多晶矽鑄錠領域的重要研究方向。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種石英陶瓷坩堝的製備方法，採用 顆粒級配的熔融石英粉作為原料，製備得到的坩堝化學成分均勻，具有優異的抗熱震、耐高 溫性能以及化學穩定性，能夠滿足多晶矽生產的工藝要求。採用該方法製作石英陶瓷坩堝， 陶瓷漿料可在室溫下固化，坩堝素坯乾燥速度較快，可達到石英陶瓷坩堝淨近尺寸成型的 目的，且工藝簡單，製作周期短，成本低廉，適於產業化應用。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟通過將含有固化劑的 熔融石英陶瓷粉與預混液配製成漿料後，經澆注和乾燥燒結後製成石英陶瓷坩堝。所述的含有固化劑的熔融石英陶瓷粉通過以下方式製備得到按照總質量為 100%來計算，稱取質量百分比為5% -20%的200-325目熔融石英粉、30% -60%的50-100 目熔融石英粉以及餘量為20-50目熔融石英粉並一同置於V型混料機中進行幹法混合2小 時；然後加入混合粉體總質量的0.4%-1.2%的固化劑並進一步進行幹法混合2小時，得到 含有固化劑的熔融石英陶瓷粉。所述的固化劑通過以下方式製備得到將氯化銨與200-325目熔融石英粉按質量 比1 1進行球磨混合，其中球料比2 1，球磨時間約為2小時，得到粉狀固化劑。
所述的預混液的組分為0. 1-0. 5重量份的表面活性劑、0. 1-0. 5重量份的消泡
劑，餘量為矽溶膠。所述的漿料通過以下方式製備得到按照漿料總質量為100%來計算，依次稱取 質量百分比為20% -50%的預混液和質量百分比為50% -80%的含有固化劑的熔融石英陶 瓷粉，快速加入到配漿桶中進行攪拌混合2-5min。所述的快速加入是指將含有固化劑的熔融石英陶瓷粉加入到預混液中的時間不 超過2min，並且邊加粉邊攪拌，使熔融石英陶瓷粉在較短時間內被預混液充分潤溼。所述的澆注是指將石英漿料加入到坩堝模具中，然後在室溫條件下靜置 10-60min，石英漿料固化，獲得石英坩堝素坯。所述的乾燥燒結是指首先在室溫下自然乾燥12_24h，再轉入到烘箱中在 100-300°C下乾燥12-Mh，即可在坩堝焙燒爐中進行焙燒，升溫速率為0. 5-5°C，最高焙燒 溫度為1150-1350°C，保溫2-12h，冷卻後獲得多晶矽太陽能電池鑄錠用石英陶瓷坩堝。本發明具有以下優點首先採用以矽溶膠為主的預混液，在高溫燒成後，轉變為與 坩堝化學成分相同的二氧化矽，並且固化劑中的氯化銨在高溫燒成時，分解為氯化氫和氨 氣，不會殘留在坩堝中，因此燒成的坩堝無雜質，保證了坩堝的化學純度；其次，通過控制固 化劑的加入量，可以控制漿料固化所需的時間，即固化時間隨著固化劑加入量的增加而縮 短，固化時間的可控性保證了操作者能夠預留出充分的時間來完成注漿過程，同時漿料固 化可在常溫下進行，簡化了操作工藝；第三，素坯經固化後即具有一定的硬度，乾燥過程中 對溼度和溫度無特殊要求，並且隨著乾燥的進行，其硬度因矽溶膠的進一步聚合而增加，所 以坩堝在乾燥過程中不會因重力而發生變形，保證了坩堝的尺寸精度。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。實施例1第一步，配製固化劑將氯化銨與200-325目熔融石英粉按最優化的質量比1 1進行球磨混合，球料 比2 1，球磨時間約為2小時，得到粉狀固化劑，備用。第二步，配製預混液稱取一定量的矽溶膠，加入相對於矽溶膠質量百分比為0. 的表面活性劑和 0. 5%的消泡劑，攪拌均勻，獲得預混液，備用。第三步，配製原料粉體按照總質量為100%來計算，稱取質量百分比為5%的200-325目熔融石英粉， 60%的50-100目熔融石英粉，以及35%的20-50目熔融石英粉，將這些粉料放入V型混料 機中進行幹法混合，混合時間約為2小時。然後外加質量分數為0. 4%的在第一步中配製的 粉狀固化劑，繼續在V型混料機中進行幹法混合，混合時間約為2小時，得到含有固化劑的 原料粉體。第四步，配製石英漿料
按照漿料總質量為100%來計算，稱取質量百分比為20%的在第二步中得到的預 混液，質量百分比為80%的在第三步中得到的原料粉體，加入到配漿桶中，進行強力攪拌混 合。要求將原料粉體加入到預混液中所需要的時間不超過aiiin，並且邊加粉邊攪拌，使熔融 石英陶瓷粉在較短時間內被預混液充分潤溼。原料粉體加入完畢後，繼續攪拌5min，得到流 動性能優良的石英漿料。第五步，漿料注模及固化將第四步得到的石英漿料加入到坩堝模具中，然後在室溫條件下靜置60min，石英 漿料固化，獲得石英坩堝素坯。第六步，素坯脫模、乾燥與燒結將素坯脫模，並在室溫下自然乾燥12h，再轉入到烘箱中在300°C下乾燥12h，即可 在坩堝焙燒爐中進行焙燒，升溫速率為0. 5°C，最高焙燒溫度為1150°C，保溫12h，冷卻後獲 得多晶矽太陽能電池鑄錠用石英陶瓷坩堝。實施例2第一步，配製固化劑將氯化銨與200-325目熔融石英粉按最優化的質量比1 1進行球磨混合，球料 比2 1，球磨時間約為2小時，得到粉狀固化劑，備用。第二步，配製預混液稱取一定量的矽溶膠，加入相對於矽溶膠質量百分比為0. 25%的表面活性劑和 0. 25%的消泡劑，攪拌均勻，獲得預混液，備用。第三步，配製原料粉體按照總質量為100%來計算，稱取質量百分比為15%的200-325目熔融石英粉， 45%的50-100目熔融石英粉，以及40%的20-50目熔融石英粉，將這些粉料放入V型混料 機中進行幹法混合，混合時間約為2小時。然後外加質量分數為0. 8%的在第一步中配製的 粉狀固化劑，繼續在V型混料機中進行幹法混合，混合時間約為2小時，得到含有固化劑的 原料粉體。第四步，配製石英漿料按照漿料總質量為100%來計算，稱取質量百分比為35%的在第二步中得到的預 混液，質量百分比為65%的在第三步中得到的原料粉體，加入到配漿桶中，進行強力攪拌混 合。要求將原料粉體加入到預混液中所需要的時間不超過aiiin，並且邊加粉邊攪拌，使熔融 石英陶瓷粉在較短時間內被預混液充分潤溼。原料粉體加入完畢後，繼續攪拌細in，得到流 動性能優良的石英漿料。第五步，漿料注模及固化將第四步得到的石英漿料加入到坩堝模具中，然後在室溫條件下靜置30min，石英 漿料固化，獲得石英坩堝素坯。第六步，素坯脫模、乾燥與燒結將素坯脫模，並在室溫下自然乾燥18h，再轉入到烘箱中在200°C下乾燥18h，即可 在坩堝焙燒爐中進行焙燒，升溫速率為2. 5°C，最高焙燒溫度為1250°C，保溫他，冷卻後獲 得多晶矽太陽能電池鑄錠用石英陶瓷坩堝。實施例3
第一步，配製固化劑將氯化銨與200-325目熔融石英粉按最優化的質量比1 1進行球磨混合，球料 比2 1，球磨時間約為2小時，得到粉狀固化劑，備用。第二步，配製預混液稱取一定量的矽溶膠，加入相對於矽溶膠質量百分比為0.5%的表面活性劑和 0. 的消泡劑，攪拌均勻，獲得預混液，備用。第三步，配製原料粉體按照總質量為100%來計算，稱取質量百分比為20%的200-325目熔融石英粉， 30%的50-100目熔融石英粉，以及50%的20-50目熔融石英粉，將這些粉料放入V型混料 機中進行幹法混合，混合時間約為2小時。然後外加質量分數為1. 2%的在第一步中配製的 粉狀固化劑，繼續在V型混料機中進行幹法混合，混合時間約為2小時，得到含有固化劑的 原料粉體。第四步，配製石英漿料按照漿料總質量為100%來計算，稱取質量百分比為50%的在第二步中得到的預 混液，質量百分比為50%的在第三步中得到的原料粉體，加入到配漿桶中，進行強力攪拌混 合。要求將原料粉體加入到預混液中所需要的時間不超過aiiin，並且邊加粉邊攪拌，使熔融 石英陶瓷粉在較短時間內被預混液充分潤溼。原料粉體加入完畢後，繼續攪拌2min，得到流 動性能優良的石英漿料。第五步，漿料注模及固化將第四步得到的石英漿料加入到坩堝模具中，然後在室溫條件下靜置lOmin，石英 漿料固化，獲得石英坩堝素坯。第六步，素坯脫模、乾燥與燒結將素坯脫模，並在室溫下自然乾燥Mh，再轉入到烘箱中在100°C下乾燥Mh，即可 在坩堝焙燒爐中進行焙燒，升溫速率為5°C，最高焙燒溫度為1350°C，保溫池，冷卻後獲得 多晶矽太陽能電池鑄錠用石英陶瓷坩堝。
權利要求
1.一種石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵在於，通過將含有固化劑的熔融石英陶瓷粉 與預混液配製成漿料後，經澆注和乾燥燒結後製成石英陶瓷坩堝。
2.根據權利要求1所述的石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的含有固化劑的 熔融石英陶瓷粉通過以下方式製備得到按照總質量為100%來計算，稱取質量百分比為 5% -20%的200-325目熔融石英粉、30% -60%的50-100目熔融石英粉以及餘量為20-50 目熔融石英粉並一同置於V型混料機中進行幹法混合2小時；然後加入混合粉體總質量的 0. 4% -1. 2%的固化劑並進一步進行幹法混合2小時，得到含有固化劑的熔融石英陶瓷粉。
3.根據權利要求1或2所述的石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的固化劑通過 以下方式製備得到將氯化銨與200-325目熔融石英粉按質量比1 1進行球磨混合，其中 球料比2 1，球磨時間約為2小時，得到粉狀固化劑。
4.根據權利要求1所述的石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的預混液的組分 為0. 1-0. 5重量份的表面活性劑、0. 1-0. 5重量份的消泡劑，餘量為矽溶膠。
5.根據權利要求1所述的石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的漿料通過以下 方式製備得到按照漿料總質量為100%來計算，依次稱取質量百分比為20% -50%的預混 液和質量百分比為50% -80%的含有固化劑的熔融石英陶瓷粉，快速加入到配漿桶中進行 攪拌混合2-5min。
6.根據權利要求1所述的石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的快速加入是指 將含有固化劑的熔融石英陶瓷粉加入到預混液中的時間不超過2min，並且邊加粉邊攪拌， 使熔融石英陶瓷粉在較短時間內被預混液充分潤溼。
7.根據權利要求1所述的石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的澆注是指將石 英漿料加入到坩堝模具中，然後在室溫條件下靜置10-60min，石英漿料固化，獲得石英坩堝 素坯。
8.根據權利要求1所述的石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的乾燥燒結是指 首先在室溫下自然乾燥12-Mh，再轉入到烘箱中在100-300°C下乾燥12-Mh，即可在坩堝 焙燒爐中進行焙燒，升溫速率為0. 5-5°C，最高焙燒溫度為1150-1350°C，保溫2_12h，冷卻 後獲得多晶矽太陽能電池鑄錠用石英陶瓷坩堝。
全文摘要
一種無機非金屬材料技術領域的石英陶瓷坩堝的製備方法，通過將含有固化劑的熔融石英陶瓷粉與預混液配製成漿料後，經澆注和乾燥燒結後製成石英陶瓷坩堝。本發明採用顆粒級配的熔融石英粉作為原料，製備得到的坩堝化學成分均勻，具有優異的抗熱震、耐高溫性能以及化學穩定性，能夠滿足多晶矽生產的工藝要求。採用該方法製作石英陶瓷坩堝，陶瓷漿料可在室溫下固化，坩堝素坯乾燥速度較快，可達到石英陶瓷坩堝淨近尺寸成型的目的，且工藝簡單，製作周期短，成本低廉，適於產業化應用。
文檔編號C03B20/00GK102060553SQ20101056214
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者何博, 呂和平, 孫寶德, 李飛, 王飛 申請人:上海交通大學