熔融石英陶瓷坩堝的製備方法
2023-09-20 22:50:25 2
專利名稱：熔融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，具體是一種熔融石英陶瓷 坩堝的製備方法。
背景技術：
陶瓷坩堝是多晶矽鑄錠用的容器。太陽能多晶矽行業多採用熔融石英作為原料來 製作陶瓷坩堝，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包括傳統的注漿法和上世紀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200810124615. X中記載 了一種採用了注漿法製作用於多晶矽鑄錠的石英陶瓷坩堝。該技術公開的工藝主要是採用 石膏模具吸水沉澱法來實現石英顆粒的堆積成型，但採用該工藝製作的陶瓷坩堝會不可避 免地存在高度和壁厚方向上石英顆粒粗細分布不均，產生密度梯度，造成坩堝整體的力學 和熱學性能下降；同時生產周期長，坯體強度低，並要求多套石膏模具相配。進一步檢索發現，中國專利申請號200910087303.0中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因坩堝的自重變形 就很難控制；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熔融石英坩堝，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，提供一種熔融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，製備得到的坩堝的組織結構均勻，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，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，本發明通過將顆粒級配的熔融石英陶瓷粉與 預混液配製成漿料後進行真空除泡處理，然後經澆注、固化、脫模、乾燥和燒結後製成石英 陶瓷坩堝。所述的顆粒級配的熔融石英陶瓷粉通過以下方式製備得到選取純度達到99. 9wt. % 或以上且粒度分別為 0.1ym 1.0ym、1.0ym 10ymfP10ym 100ym 的熔融石英粉，按照以下重量配比粒度為0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉為5_20 %，粒度為 0. Iym LOym的石英粉為30-60%，餘量是粒度為10 μ m 100 μ m的熔融石英粉，將配 比後的熔融石英粉裝入混料機中進行幹法混合，混合時間為池以上，獲得顆粒級配的熔融 石英陶瓷粉。所述的預混液的組分及含量為矽酸乙酯35wt. %、無水乙醇30wt. %、異丙醇 2. 5wt. %、丙二醇甲醚IOwt. %、酸性矽溶膠22wt. %以及鹽酸0. 5wt. %，其中矽酸乙 酯的純度> 99wt. %，H值為3-4，固含量30wt. % ；酸性矽溶膠中的氧化矽膠體粒子粒徑 10 15nm;無水乙醇的純度彡99. 5wt. % ；丙二醇甲醚的純度彡98wt. % ；異丙醇的純度 彡99. 5wt. % ；鹽酸的純度彡99wt. %0所述的漿料通過以下方式製備得到將預混液和顆粒級配的熔融石英陶瓷粉以重 量比為80 20 50 50的比例配料後放入球磨機球磨lh-ia!後獲得石英陶瓷漿料。所述的真空除泡處理是指將漿料放入真空容器中進行攪拌除泡5-30min，然後 稱取預混液重量的0. 5-2%的固化劑加入漿料中，繼續攪拌除泡1-aiiin。所述的固化劑的組分及含量為純度> 98. 5wt. %的二正丁胺30重量份以及純度 彡99. 5wt. %的無水乙醇70重量份。所述的澆注固化脫模是指採用壓差注入或常壓注入的方式將固化處理後的漿料 注入金屬、塑料、玻璃或陶瓷模具製成的模具中，並在室溫下放置直到漿料固化，然後將已 固化的石英陶瓷坩堝素坯脫模。所述的乾燥燒結是指首先在室溫下自然乾燥12_48h，然後在室溫下乾燥的素坯 放於燒結爐中以0. 50C _5°C的升溫速率加熱到1150°C -1350°C並保溫lh_24h，冷卻後獲得 熔融石英陶瓷坩堝。與以丙烯醯胺等有機物為單體的凝膠注模方法相比，本發明的優點包括首先，採用了以矽酸乙酯和酸性矽溶膠為主的預混液，與二正丁胺可以在常溫下 即可發生固化反應，發生反應的時間可根據二正丁胺和預混液的比例進行調整，即漿料的 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 分的時間來完成注模過程，同時不需要對模具進行加熱即可實現漿料的固化，簡化了操作 工藝；其次，採用了以矽酸乙酯和酸性矽溶膠為主的結合劑，經高溫燒成，均可轉變成與熔 融石英粉體具有相同成分的二氧化矽，所以坩堝中無其它的陶瓷相，保證了坩堝的化學組 成的均一性；第三，由於採用了以無水乙醇等揮發速率高於水的有機溶劑為分散介質，所以 不需要在高溼度和室溫的條件下進行預乾燥，而且還不需要在高於室溫的烘箱中進一步幹 燥，直接進行燒結即可，節約了能源和製作時間；第四，經室溫乾燥後得到的素坯，具有一定 的硬度，而不像以往的凝膠注模方法得到的素坯具有一定彈性，所以在乾燥過程中不會因 重力作用而發生變形，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，配製顆粒級配的熔融石英陶瓷粉按照IOOKg熔融石英陶瓷粉來配料，稱取粒度為0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉為 ^g，粒度為0. Ιμπ Ι.ομπ 的石英粉為4^(g，粒度為ΙΟμπ 100 μ m的熔融石英粉 55Kg，裝入混料機中進行幹法混合，混合時間為證，獲得用於製作坩堝的熔融石英陶瓷混合 粉料，備用。第二步，配製預混液按照IOOKg配製預混液，優選配方如下矽酸乙酯35Kg，無水乙醇30Kg，異丙醇 2. 5Kg,丙二醇甲醚10Kg，酸性矽溶膠2Ig，鹽酸0. ^(g，將上述化學試劑加入到攪拌桶中， 採用強力攪拌方式將上述化學試劑混合均勻得到混合溶液，並採用冷卻方式將混合溶液溫 度控制在7-ll°C之間。通過以上過程得到的混合溶液為預混液，備用。第三步，配製固化劑按照IOKg配製固化劑，稱取二正丁胺Ig，無水乙醇7Kg，加入到攪拌桶中，混合均 勻，作為固化劑，備用。第四步，坩堝素坯的製作稱取第二步配製的預混液20公斤，放入到帶有抽真空裝置的球磨機中，然後加入 第一步配製的熔融石英陶瓷粉80Kg，球磨混合12h，真空除氣30分鐘，然後加入第三步配製 的固化劑100g，繼續攪拌2分鐘，注入到模具中，在室溫下保持約30min，漿料固化成為素 坯；素坯脫模後，放於水平的平臺上，約12小時後，素坯完全乾燥；將乾燥好的素坯放入燒 結爐中，以0. 5°C /min的加熱速率加熱到1350°C，在此溫度下保持lh，隨爐冷卻至室溫，獲 得熔融石英陶瓷坩堝。實施例2第一步，配製顆粒級配的熔融石英陶瓷粉按照IOOKg熔融石英陶瓷粉來配料，稱取粒度為0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉為 IOKg,粒度為0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉為4^(g，粒度為10 μ m 100 μ m的熔融石英粉 45Kg，裝入混料機中進行幹法混合，混合時間為池，獲得用於製作坩堝的熔融石英陶瓷混合 粉料，備用。第二步，配製預混液按照IOOKg配製預混液，優選配方如下矽酸乙酯35Kg，無水乙醇30Kg，異丙醇 2. 5Kg,丙二醇甲醚10Kg，酸性矽溶膠2Ig，鹽酸0. ^(g，將上述化學試劑加入到攪拌桶中， 採用強力攪拌方式將上述化學試劑混合均勻得到混合溶液，並採用冷卻方式將混合溶液溫 度控制在7-ll°C之間。通過以上過程得到的混合溶液為預混液，備用。第三步，配製固化劑按照IOKg配製固化劑，稱取二正丁胺Ig，無水乙醇7Kg，加入到攪拌桶中，混合均 勻，作為固化劑，備用。第四步，坩堝素坯的製作稱取第二步配製的預混液35公斤，放入到帶有抽真空裝置的球磨機中，然後加入 第一步配製的熔融石英陶瓷粉65Kg，球磨混合他，真空除氣20分鐘，然後加入第三步配製 的固化劑350g，繼續攪拌1. 5分鐘，注入到模具中，在室溫下保持約20min，漿料固化成為素坯；素坯脫模後，放於水平的平臺上，約18小時後，素坯完全乾燥；將乾燥好的素坯放入燒 結爐中，以2. 5°C /min的加熱速率加熱到1250°C，在此溫度下保持12h，隨爐冷卻至室溫，獲 得熔融石英陶瓷坩堝。實施例3第一步，配製顆粒級配的熔融石英陶瓷粉按照IOOKg熔融石英陶瓷粉來配料，稱取粒度為0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉為 20Kg，粒度為0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉為60Kg，粒度為10 μ m 100 μ m的熔融石英粉 20Kg，裝入混料機中進行幹法混合，混合時間為池，獲得用於製作坩堝的熔融石英陶瓷混合 粉料，備用。第二步，配製預混液按照IOOKg配製預混液，優選配方如下矽酸乙酯35Kg，無水乙醇30Kg，異丙醇 2. 5Kg,丙二醇甲醚10Kg，酸性矽溶膠2Ig，鹽酸0. ^(g，將上述化學試劑加入到攪拌桶中， 採用強力攪拌方式將上述化學試劑混合均勻得到混合溶液，並採用冷卻方式將混合溶液溫 度控制在7-ll°C之間。通過以上過程得到的混合溶液為預混液，備用。第三步，配製固化劑按照IOKg配製固化劑，稱取二正丁胺Ig，無水乙醇7Kg，加入到攪拌桶中，混合均 勻，作為固化劑，備用。第四步，坩堝素坯的製作稱取第二步配製的預混液50公斤，放入到帶有抽真空裝置的球磨機中，然後加入 第一步配製的熔融石英陶瓷粉50Kg，球磨混合lh，真空除氣5分鐘，然後加入第三步配製的 固化劑lOOOg，繼續攪拌1分鐘，注入到模具中，在室溫下保持約5min，漿料固化成為素坯； 素坯脫模後，放於水平的平臺上，約M小時後，素坯完全乾燥；將乾燥好的素坯放入燒結爐 中，以5°C /min的加熱速率加熱到1150°C，在此溫度下保持Mh，隨爐冷卻至室溫，獲得熔融 石英陶瓷坩堝。
權利要求
1.一種熔融石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵在於，通過將顆粒級配的熔融石英陶瓷 粉與預混液配製成漿料後進行真空除泡處理，然後經澆注、固化、脫模和乾燥燒結後製成石 英陶瓷坩堝。
2.根據權利要求1所述的熔融石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的顆粒級配 的熔融石英陶瓷粉通過以下方式製備得到選取純度達到99. 9wt. %或以上且粒度分別 S0.1ym 1.0ym、1.0ym 10ymfP10ym 100 μ m的熔融石英粉，按照以下重量 配比粒度為0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉為5_20 %，粒度為0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉為 30-60%，餘量是粒度為IOym 100 μ m的熔融石英粉，將配比後的熔融石英粉裝入混料機 中進行幹法混合，混合時間為池以上，獲得顆粒級熔融石英陶瓷粉。
3.根據權利要求1所述的熔融石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的預混液 的組分及含量為矽酸乙酯35wt. %、無水乙醇30wt. %、異丙醇2. 5wt. %、丙二醇甲醚 IOwt. %、酸性矽溶膠22wt. %以及鹽酸0. 5wt. %，其中矽酸乙酯的純度彡99wt. %，H值 為3-4，固含量30wt. % ；酸性矽溶膠中的氧化矽膠體粒子粒徑10 15nm ；無水乙醇的純 度彡99. 5wt. % ；丙二醇甲醚的純度彡98wt. % ；異丙醇的純度彡99. 5wt. % ；鹽酸的純度 ^ 99wt. %。
4.根據權利要求1所述的熔融石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的漿料通過 以下方式製備得到將預混液和顆粒級熔融石英陶瓷粉以重量比為80 20 50 50的 比例配料後放入球磨機球磨Ih-Uh後獲得石英陶瓷漿料。
5.根據權利要求1所述的熔融石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的真空固化 處理是指將漿料放入真空容器中進行攪拌除泡5-30min，然後稱取預混液重量的0. 5-2% 的固化劑加入漿料中，球磨共混1-aiiin。
6.根據權利要求1所述的熔融石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的固化劑的 組分及含量為純度彡98. 5wt. %的二正丁胺30重量份以及純度彡99. 5wt. %的無水乙醇 70重量份。
7.根據權利要求1所述的熔融石英陶瓷坩堝的製備方法，其特徵是，所述的澆注脫模 是指採用壓差注入或常壓注入的方式將固化處理後的漿料注入金屬、塑料、玻璃或陶瓷模 具製成的模具中，並在室溫下放置直到漿料固化，然後將已固化的石英陶瓷素坯脫模。
8.根據權利要求1所述的熔融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12-4他，然後在室溫下乾燥的素坯放於燒結爐中以 0. 5°C _5°C的升溫速率加熱到1150°C -1350°C並保溫lh_24h，冷卻後獲得熔融石英陶瓷坩 禍。
全文摘要
一種非金屬材料技術領域的熔融石英陶瓷坩堝的製備方法，通過將顆粒級配的熔融石英陶瓷粉與預混液配製成漿料後進行真空除泡處理，然後經澆注、固化、脫模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，製備得到的坩堝的組織結構均勻，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，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C04B35/66GK102060542SQ20101056215
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