一種碳/碳多晶矽鑄錠爐整體式加熱器的製備方法
2023-06-16 19:29:51
專利名稱：一種碳/碳多晶矽鑄錠爐整體式加熱器的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於可將矽料高溫熔鑄形成大尺寸方形矽錠的多晶矽鑄錠爐 的工業加熱器，具體介紹碳/碳複合材料整體式加熱器的結構與製備方法。
背景技術：
世界光伏產業中多晶矽片以產能高、能耗低、成本低優勢佔據太陽能電池主導地 位。現在多晶矽鑄錠加熱器多數仍為石墨加熱器。但隨著多晶矽鑄錠爐越來越大，石墨加 熱器也越來越大。由於大尺寸石墨產品極難成形，價格昂貴，多晶矽廠家難以接受。市面上 通用由螺釘將多塊石墨板組裝的加熱器，如中國專利申請200710036107. 1號公開了 「用於 多晶矽鑄錠工藝的石墨加熱器」，此石墨加熱器整體性差，重量重，搬運、安裝和拆卸時極易 損壞。由於碳/碳複合材料具有密度低，熱膨脹係數小，耐燒蝕，化學惰性，抗熱衝擊，尺寸 穩定性高，導電性極高，耐高溫，其電阻率隨溫度升高而降低等特性。目前已有一種碳/碳 複合材料製成的加熱器，如中國專利200610043185. X公開了「單晶矽拉制爐及多晶矽冶煉 爐用炭/炭加熱器的製備方法」。它是採用針刺炭布與無緯布相結合製成全炭纖維三向結 構加熱器預製體，預製體的體積密度為0. 3-0. 6g/cm3，採用針刺技術在加熱器預製體垂直 方向引入增強纖維；先用浙青浸漬炭化緻密工藝再經高溫處理爐在1500-2200°C處理；再 在150-220°C用糠酮樹脂浸漬固化5h，然後轉入炭化爐中在800-1100°C進行炭化處理，至 加熱器製品密度> 1. 60g/cm3時，緻密工藝結束，在純化爐通入氯和氟利昂的條件下，將加 熱器製品裝入純化爐中在2000-250(TC進行純化處理，經過純化處理後的加熱器製品用銑 床加工，即製得單晶矽拉制爐及多晶矽冶煉爐用炭/炭加熱器。中國專利200810032143. 5 公開了「碳/碳複合材料發熱體及其生產工藝」，是由碳纖維製成的網胎與碳布通過針刺使 之複合，製成所需要求的發熱體預製體；再經化學氣相滲透(沉積)增密製成發熱體坯體； 將發熱體坯體放入高溫爐中，在真空條件下加熱去除其中雜質；再用機械切削加工成所 需形狀和尺寸的發熱體。以上兩個發明的缺點最主要的是切削工作量大，材料用量大，成本 較高；其加熱器沒有經過抗氧化塗層處理，容易與石英坩堝發生氧化一還原反應，加熱器的 使用壽命相對短。
發明內容
本發明的目的在於提供一種原材料消耗少、使用壽命長，整體性好，可靠性高，操 作方便，節能的碳/碳複合材料多晶矽鑄錠爐整體式加熱器的製備方法。本發明的碳/碳複合材料多晶矽鑄錠爐整體式加熱器的製備方法包括以下步驟
(1)按照設計要求製造整體式加熱器的鋼模芯；
(2)將炭纖維布或三維薄炭氈用熱固性樹脂均勻塗刷後，一層層纏繞於鋼模芯上，待纏 繞的厚度等於設計要求時，結束纏繞工序；再經左、右、前、後夾具工裝同時施壓使坯體更為 密實；
(3)將坯體連同鋼模具一起放入烘箱，在150 340°C進行固化處理180 540分鐘；
3(4)脫模，清理乾淨；用石墨夾具固定坯體，防止變形；
(5)將步驟(4)帶工裝的坯體放入炭化爐，在600 800°C進行炭化處理10 40小時， 使樹脂轉化為樹脂碳，形成碳/碳複合材料半成品；
(6)CVD增密處理將碳/碳複合材料半成品放入化學氣相沉積爐中，用碳源氣體進行 CVD增密，沉積時間為80 200小時，至密度達到彡1. 50g/cm3 ；
(7)機加工將步驟(6)所得加熱器半成品拆除石墨夾具，按照圖紙技術要求進行鑽 孔、開槽，加工成所需形狀和尺寸的整體式加熱器；
(8)CVD碳化矽防護層
①在加熱器表面塗含矽塗層，塗層厚度為1(Γ20μ m ；
②將塗層完畢的加熱器晾3 5小時，再置於烘箱中，於140 200°C保溫0.5 1. 5 小時烘乾；
③將烘乾的加熱器置於化學氣相沉積爐中，在溫度為900°C^1500 °C，用碳源氣體沉 積10 40小時；
④高溫純化處理將步驟③的加熱器置於1800 2200°C高溫爐，保溫2 6小時除 掉有害雜質，並實現原位生成碳化矽防護層。所述炭纖維布為3K或61(或12K炭纖維布。所述三維整體炭氈是由12K大絲束炭纖維無緯布與網胎針刺而成，炭氈中無緯布 佔總重量65% 85%，其餘為網胎。所述熱固性樹脂為酚醛樹脂或呋喃樹脂或浙青。所述含矽塗層是由熱固性樹脂、矽粉和石墨粉組成，三者的質量比為熱固性樹脂 矽粉石墨粉=1 0. Γ0. 6:0. 05 0.3。所述CVD增密處理和CVD碳化矽防護層中的碳源氣體是丙烯、丙烷或天然氣。本發明之碳/碳複合材料多晶矽鑄錠爐整體式加熱器，拉伸強度為70 120Mpa， 彎曲強度為80 126Mpa，電阻率為10 μ Ω . m左右(在1400°C溫度下)，灰分彡lOOppm，厚 度一般在2mm 20mm，本發明與現有的碳/碳複合材料加熱器相比，具有以下優點(1) 採用近淨成形製作(少、無切削)工藝，原材料消耗降低90%以上，大大降低了生產成本， 因此產品價格比同類產品低；(2)整個增密工藝主要採用化學氣相沉積方法，即碳基體主 要由高溫熱解方式獲得的熱解碳組成，並且產品還進行高溫純化處理，因此產品的灰分低 (^ IOOppm)，完全滿足高純多晶矽生產要求；(3)產品表面採用抗氧化塗層處理，阻隔了矽 蒸汽和氧等對產品的侵蝕，因此使用壽命延長至少一倍以上。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明作進一步說明。實施例1
本實施例是製作一個長980mm，寬980mm，高200mm，厚度為12mm的碳/碳複合材料多晶 矽鑄錠爐整體式加熱器。其製備過程如下
(1)製作一個長960mm，寬960mm，高260mm的加熱器鋼模芯；
(2)將炭纖維布均勻塗刷呋喃樹脂後，將一層層纏繞於鋼模芯上，待纏繞的厚度等於 IOmm時，結束纏繞工序。通過左、右、前和後夾具工裝同時施壓方式，使坯體更為密實；
4(3)將坯體連同鋼模具一起放入烘箱進行固化處理，處理時間為180分鐘，固化溫度為 400 0C ；
(4)固化後的坯體脫模，清理乾淨；用石墨夾具固定坯體，防止變形。(5)將步驟(4)帶工裝的坯體放入炭化爐進行炭化處理，使樹脂轉變為樹脂碳，形 成碳/碳複合材料半成品。炭化時間為35小時，炭化最高溫度為650°C。(6) CVD增密處理經炭化後帶工裝的半成品放入化學氣相沉積爐中進行CVD增 密，碳源氣體採用丙烷，沉積時間為80小時，密度達到1. 57g/cm3 ；
(7)機加工將步驟(6)所得加熱器半成品拆除石墨夾具，再嚴格按照圖紙技術要求進 行鑽孔、開槽，平兩端面，加工成所需形狀和尺寸的整體式加熱器；
(8)CVD碳化矽防護層
①在加熱器表面塗上含矽塗層，它是由呋喃樹脂、矽粉和石墨粉質量比為1 0. 15:0. 28塗層，其塗層厚度為IOym ；
②將塗層完畢的加熱器晾4小時，再置於烘箱中，於180°C保溫1小時烘乾；
③將烘乾的加熱器置於化學氣相沉積爐中；沉積溫度為1000°C，碳源氣體採用丙烷， 沉積20小時；
④高溫純化處理將步驟③的加熱器置於2200°C高溫爐中，保溫2小時除掉有害雜質， 實現原位生成碳化矽防護層。本實施例整體式加熱器產品拉伸強度達75MPa，彎曲強度為92 MPa,電阻率為 10μ Ω.πι (在1400°C溫度下)。在真空環境下，最高使用溫度高達2500°C。使用壽命接近3 年，壽命是正常石墨加熱器的3倍。實施例2:
整體式加熱器產品尺寸與實施例相同，製備方法如下
(1)製作一個長960mm，寬960mm，高260mm的加熱器鋼模芯；
(2)將炭纖維布均勻塗刷呋喃樹脂後，將一層層纏繞於鋼模芯上，待纏繞的厚度等於 IOmm時，結束纏繞工序。通過左、右、前和後夾具工裝同時施壓方式，使坯體更為密實；
(3)將坯體連同鋼模具一起放入烘箱進行固化處理，處理時間為500分鐘，固化溫度為 200 0C ；
(4)固化後的坯體脫模，清理乾淨；用石墨夾具固定坯體，防止變形。(5)將步驟(4)帶工裝的坯體放入炭化爐進行炭化處理，使樹脂轉變為樹脂碳，形 成碳/碳複合材料半成品。炭化時間為10小時，炭化最高溫度為800°C。(6) CVD增密處理經炭化後帶工裝的半成品放入化學氣相沉積爐中進行CVD增 密，碳源氣體採用丙烷，沉積時間為120小時，密度達到1. 62g/cm3 ；
(7)機加工將步驟(6)所得加熱器半成品拆除石墨夾具，再嚴格按照圖紙技術要求進 行鑽孔、開槽，平兩端面，加工成所需形狀和尺寸的整體式加熱器；
(8)CVD碳化矽防護層
①在加熱器表面塗上由呋喃樹脂、矽粉和石墨粉質量比為1:0. 55:0. 1塗層，其塗層厚 度為15μπι；
②將塗層完畢的加熱器晾5小時，再置於烘箱中，於200°C保溫1.5小時烘乾；
③將烘乾的加熱器置於化學氣相沉積爐中；沉積最高溫度為1500°C，碳源氣體採用丙
5烷，沉積40小時；
④高溫純化處理將步驟③的加熱器置於2000°C高溫爐中，保溫5小時除掉有害雜質， 實現原位生成碳化矽防護層。 本實施例整體式加熱器產品拉伸強度達90MPa，彎曲強度為110 MPa，電阻率為 12μ Ω.πι (在1400°C溫度下)。在真空環境下，最高使用溫度高達2500°C。
權利要求
一種碳/碳多晶矽鑄錠爐整體式加熱器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)按照設計要求製造整體式加熱器的鋼模芯；(2)將炭纖維布或三維薄炭氈用熱固性樹脂均勻塗刷後，一層層纏繞於鋼模芯上，待纏繞的厚度等於設計要求時，結束纏繞工序；再經左、右、前、後夾具工裝同時施壓使坯體更為密實；(3)將坯體連同鋼模具一起放入烘箱，在150～340℃進行固化處理180～540分鐘；(4)脫模，清理乾淨；用石墨夾具固定坯體，防止變形；(5)將步驟(4)帶工裝的坯體放入炭化爐，在600～800℃進行炭化處理10～40小時，使樹脂轉化為樹脂碳，形成碳/碳複合材料半成品；(6)CVD增密處理將碳/碳複合材料半成品放入化學氣相沉積爐中，用碳源氣體進行CVD增密，沉積時間為80～200小時，至密度達到≥1.50g/cm3；(7)機加工將步驟(6)所得加熱器半成品拆除石墨夾具，按照圖紙要求進行鑽孔、開槽，加工成所需形狀和尺寸的整體式加熱器；(8)CVD表面沉積碳化矽防護層①在加熱器表面塗含矽塗層,塗層厚度為10~20μm；②將塗層完畢的加熱器晾3～5小時，再置於烘箱中，於140～200℃保溫0.5～1.5小時烘乾；③將烘乾的加熱器置於化學氣相沉積爐中，在溫度為900℃~1500℃，用碳源氣體沉積10~40小時；④高溫純化處理將步驟③的加熱器置於1800～2200℃高溫爐，保溫2～6小時除掉有害雜質，實現原位生成碳化矽防護層。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述炭纖維布為3K或61(或12K炭纖 維布。
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述三維薄氈是由12K大絲束炭纖維 無緯布與網胎針刺而成，炭氈中無緯布佔總重量65% 85%，其餘為網胎。
4.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述熱固性樹脂為酚醛樹脂或呋喃 樹脂或浙青。
5.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述含矽塗層是由熱固性樹脂、矽粉 和石墨粉組成，三者的質量比為熱固性樹脂矽粉石墨粉=1 0.廣0.6:0. 05、. 3。
6.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述CVD增密處理和CVD碳化矽防護 層中的碳源氣體是丙烯、丙烷或天然氣。
全文摘要
本發明公開了一種碳/碳多晶矽鑄錠爐整體式加熱器的製備方法。該方法是將已塗刷樹脂的炭布或針刺炭氈一層層纏繞於鋼模芯上製成預製體；經加壓固化、炭化和化學氣相沉積增密處理，使加熱器製品密度達到≥1.50g/cm3；通過機械加工使之達到客戶要求的形狀和尺寸；最後經過CVD碳化矽防護層和高溫純化處理製得碳/碳複合材料多晶矽鑄錠爐整體式加熱器。本發明比現有的碳素材料加熱器的原材料消耗降低90%以上；產品表面有CVD表面沉積碳化矽防護層，阻隔了矽蒸汽和氧等對產品的侵蝕，使用壽命延長至少一倍以上。
文檔編號C04B35/83GK101905977SQ20101024490
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月4日 優先權日2010年8月4日
發明者張弛, 肖志英, 蔣建純 申請人:蔣建純