一種坩堝的製備方法及坩堝的製作方法
2023-05-20 14:27:26
專利名稱：一種坩堝的製備方法及坩堝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種坩堝的製備方法及通過該方法製備的坩堝。
背景技術：
隨著傳統能源危機的日益加劇與對綠色環保再生能源的投入加大，太陽能已成為最具發展潛力的新能源。目前，利用太陽能的主要方法是光伏發電，即把太陽能轉變成電能以供使用。光伏發電主要有多晶矽、單晶矽電池片技術，由於多晶矽電池具有能耗小、效率高等優點，得到廣泛的應用，佔據了光伏發電市場份額的80%以上。石英坩堝是太陽能電池製作工藝中用作熔融多晶矽料的容器(為一次性消耗品)， 它裝載多晶矽原料在鑄錠爐內1500°C的高溫下連續工作50-60小時，使多晶矽原料熔化、凝固而成為製造太陽能電池的多晶矽矽錠。由於石英坩堝使用條件極其惡劣，對其強度、高溫性能、熱振穩定性、純度、內在質量等都有嚴格的要求。石英坩堝製備技術按其成型方法分主要分為兩類一，以江西中材為代表的注凝成型；二、以法國維蘇威、美國賽瑞丹和日本東芝陶瓷為代表的注漿成型。由於注凝成型工藝料漿中氣泡難以排除，導致製品體積密度低，顯氣孔率高，且有陰影、顯氣孔等缺陷存在，嚴重影響了坩堝的綜合使用性能。目前，市場上注漿成型坩堝佔主導地位，但注漿成型方法形成的生坯強度低，從而導致產品坩堝的成品率低。
發明內容
為了解決現有技術中的方法製備得到的坩堝生坯強度低，導致坩堝產品的成品率低的問題，本發明提供了一種坩堝的製備方法，通過該方法製備得到的坩堝生坯強度高。本發明公開的坩堝的製備方法包括將原料組合物混合，得到漿料，然後將漿料均化、成型得到生坯，將生坯乾燥、燒結得到坩堝；其中，所述原料組合物包括熔融石英砂、去離子水和矽酸溶膠；並且，在所述成型前還包括向漿料中加入羧甲基纖維素。同時，本發明還公開了採用上述方法製備得到的坩堝。本發明的發明人發現，通過矽酸溶膠和羧甲基纖維素的共同作用，使矽酸溶膠均勻的分散於熔融石英砂中，到達熔融石英砂粒子的表面甚至微裂紋內，並通過羧甲基纖維素提高漿料的I電位，改善漿料的流動性，得到低粘度、均勻穩定的漿料。同時，矽酸溶膠均勻分散於漿料中，在後續的步驟中，矽酸溶膠失水，使膠體粒子均勻、牢固的吸附於熔融石英砂顆粒表面，在粒子間形成矽氧鍵結合，大大提高了生坯內部粒子之間的粘結強度，從而得到抗折強度和抗壓強度優異的生坯，避免因生坯強度低、發生破裂導致的成品率低的問題。進一步的，採用上述抗折強度和抗壓強度優異的生坯進行燒結，可使製備得到的坩堝產品的抗折強度和抗壓強度大大提高。
具體實施方式
為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明公開的坩堝的製備方法，包括將原料組合物混合，得到漿料，然後將漿料均化、成型得到生坯，將生坯乾燥、燒結得到坩堝；其中，所述原料組合物包括熔融石英砂、去離子水和矽酸溶膠；並且，在所述成型前還包括向漿料中加入羧甲基纖維素。根據本發明，上述原料組合物中的熔融石英砂為本領域公知的，為了減少原料中雜質對產品坩堝的影響，優選情況下，所述熔融石英砂中SiO2的含量在99. 95wt%以上。對於上述熔融石英砂，其粒徑沒有太大限制，優選情況下，所述熔融石英砂中，粒徑為0. 9-4mm的佔10_25wt%，粒徑為0. 3至小於4mm的佔20_30wt%，粒徑為0. 075至小於
0.3mm 的佔 45_70wt%。
根據本發明公開的製備方法，採用的矽酸溶膠為現有技術中公知的，其中SiO2的可以在較大範圍內變動。優選情況下，所述矽酸溶膠中，SiO2的質量分數為20-40wt%，更優選為 25-35wt%。同時，發明人發現，矽酸溶膠中，當SiO2的粒徑在IO-IOOnm內，比表面積在200-400m2/g內時，作為粉體燒結驅動力的表面能劇增，擴散增大，擴散路徑變短，燒結活化能降低，使燒結速率提高，燒結起始溫度降低；同時由於擴散速率加快以及應力的作用，使小晶粒通過晶界滑移，以一種更緻密有效的方式排列，使晶界數量相應地增加，可使燒結得到的糹甘禍廣品的強度大大提聞。進一步的，當所述矽酸溶膠中，SiO2的粒徑為20-50nm，SiO2的比表面積為250-350m2/g時效果更佳。本發明中，採用的羧甲基纖維素(CMC)為現有技術中公知的，為了減少原料引入的雜質的影響，優選情況下，所述羧甲基纖維素的純度在99. 0%以上。根據本發明，上述原料組合物中各組分的含量可以在較大範圍內變動，優選情況下，以熔融石英砂的含量為基準，所述矽酸溶膠中SiO2的含量為l-6wt%，所述去離子水的含量為15-30wt% ;進一步優選為所述矽酸溶膠中SiO2的含量為2-4wt%，所述去離子水的含量為 20_26wt%。上述羧甲基纖維素的含量可以在較大範圍內變動，優選情況下，以熔融石英砂的含量為基準，所述羧甲基纖維素的含量為0. 3-lwt% ;進一步優選為所述羧甲基纖維素的含量為 0. 4-0. 6wt%0根據本發明，上述羧甲基纖維素可以在均化前加入到漿料中，也可以在均化後成型前加入到漿料中；優選情況下，在所述均化後成型前加入羧甲基纖維素。將上述熔融石英砂、去離子水、矽酸溶膠混合，得到漿料。優選情況下，採用球磨的方法進行混合。具體的，將熔融石英砂、去離子水、矽酸溶膠球磨6-12h，得到漿料。發明人發現，當製備得到漿料後，在所述均化後成型前，向漿料中加入N-羧甲基氯乙烯醯胺，可進一步提高坩堝生坯和坩堝產品的強度。優選情況下，以熔融石英砂的重量為基準，N-羧甲基氯乙烯醯胺的添加量為0.005-0. 01wt%。更優選情況下，所述N-羧甲基氯乙烯醯胺和羧甲基纖維素同時加入。根據本發明，當加入羧甲基纖維素和/或N-羧甲基氯乙烯醯胺後，攪拌0. 5-1小時。得到漿料後即可進行均化處理，所述均化的方法為本領域技術人員公知的，例如，可以將漿料在10-30r/min的速度下攪拌6_10天。將均化後的漿料澆鑄成型即可得到坩堝生坯，所述澆鑄成型的方法為本領域公知的，例如，可將均化後的漿料在l_2bar的壓力下注入模具中，靜置2-4h，得到生坯。優選情況下，在所述燒結之前還包括將生坯在120-150°C溫度下乾燥2_3h。通過上述乾燥處理可促進陶瓷坯體強度的提高。根據本發明，燒結過程採用程序升溫，然後在燒結溫度保溫，優選情況下，以2. 5-4. 5 0C /min的升溫速率加熱到燒結溫度1000-1130°C，在1000-1130°C下保溫
5.0-6. 5h0 燒結結束後，將燒結後的產物以4_6°C /min降溫速率冷卻至室溫，即得到本發明公開的i甘禍。另外，本發明還公開了採用上述方法製備得到的坩堝。其具有高的體積密度、低的顯氣孔率、良好的抗折強度
下面通過實施例對本發明進行進一步的說明。實施例I
本實施例用於說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。本實施例中採用的原料如下
熔融石英砂Si02含量大於99. 99wt%,熔融石英砂的粒度組成為0. 9-4mm為15wt%,
0.3 至小於 4mm 為 25wt%, 0. 075 至小於 0. 3mm 為 60wt%。矽酸溶膠Si02的質量分數為30%，SiO2粒徑範圍為30_80nm，SiO2粒子比表面積為 300m2/g。羧甲基纖維素純度高於99. 0wt%。將100重量份熔融石英砂和23重量份去離子水、10重量份矽酸溶膠羧甲基纖維素加入到球磨機中球磨10小時，球磨後得到的漿料進行均化處理，均化時以20r/min進行連續攪拌，均化總時間為8天，向均化後的漿料中加入0. 5重量份的羧甲基纖維素、0. 006重量份的N-羧甲基氯乙烯醯胺後攪拌0. 8小時，攪拌均勻後的漿料在I. 5bar的壓力下澆鑄注入石膏模具中，澆鑄完成後靜置3小時，然後脫模，得到坩堝生坯Al。將坩堝生坯Al在140°C溫度下乾燥3小時，然後進行燒結，燒結的溫度曲線為以4. (TC /min的升溫速率加熱到燒結溫度1080°C，在燒結溫度1080°C下保溫5. 8h，然後以50C /min降溫至室溫，得到坩堝SI。實施例2
本實施例用於說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。本實施例中採用的原料如下
熔融石英砂Si02含量大於99. 96wt%,熔融石英砂的粒度組成為0. 9-4mm為25wt%,
0.3 至小於 4mm 為 30wt%, 0. 075 至小於 0. 3mm 為 45wt%。矽酸溶膠Si02的質量分數為40%，SiO2粒徑範圍為30-100nm，SiO2粒子比表面積為 350m2/g。羧甲基纖維素純度高於99. 0wt%。
將100重量份熔融石英和25重量份去離子水、15重量份矽酸溶膠加入到球磨機中球磨12小時，球磨後得到的漿料進行均化處理，均化時以30r/min進行連續攪拌，均化總時間為I天，然後向均化後的漿料中加入0. 9重量份的羧甲基纖維素、0. 008重量份的N-羧甲基氯乙烯醯胺，並攪拌I小時，將攪拌均勻後的漿料在2bar的壓力下澆鑄注入石膏模具中，澆鑄完成後靜置4小時，然後脫模，得到坩堝生坯A2。將坩堝生坯A2在150°C溫度下乾燥3小時，然後進行燒結，燒結的溫度曲線為以
4.50C /min的升溫速率加熱到燒結溫度1000°C，在燒結溫度1000°C下保溫5. 0h，然後以5 0C /min降溫至室溫，得到坩堝S2。實施例3
本實施例用於說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。 本實施例中採用的原料如下
熔融石英砂Si02含量大於99. 97wt%,熔融石英砂的粒度組成為0. 9-4mm為12wt%,
0.3 至小於 4mm 為 20wt%, 0. 075 至小於 0. 3mm 為 68wt%。矽酸溶膠Si02的質量分數為20%，SiO2粒徑範圍為lO-lOOnm，SiO2粒子比表面積為 280m2/g。羧甲基纖維素純度高於99. 0wt%。將100重量份熔融石英和30重量份去離子水、8重量份矽酸溶膠加入到球磨機中球磨8小時，球磨後得到的漿料，然後向漿料進行均化處理，均化時以15r/min進行連續攪拌，均化總時間為6天。向均化後的漿料中加入0. 4重量份的羧甲基纖維素和0. 007重量份的N-羧甲基氯乙烯醯胺並攪拌0. 5小時，然後將漿料在Ibar的壓力下澆鑄注入石膏模具中，澆鑄完成後靜置4小時，然後脫模，得到坩堝生坯A3。將坩堝生坯A3在120°C溫度下乾燥3. 5小時，然後進行燒結，燒結的溫度曲線為以3. (TC /min的升溫速率加熱到燒結溫度1120°C，在燒結溫度1120°C下保溫5. 0h，然後以50C /min降溫至室溫，得到坩堝S3。實施例4
本實施例用於說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。採用與實施例I相同的方法製備坩堝生坯A4和坩堝S4，不同的是，矽酸溶膠中SiO2的質量分數為60wt%。實施例5
本實施例用於說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。採用與實施例I相同的方法製備坩堝生坯A5和坩堝S5，不同的是，SiO2的粒徑為200-800nm, SiO2 的比表面積為 20_150m2/g。實施例6
本實施例用於說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。採用與實施例I相同的方法製備坩堝生坯A6和坩堝S6，不同的是，製備得到漿料後，直接進行均化，未添加N-羧甲基氯乙烯醯胺。實施例7
本實施例用於說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。
採用與實施例I相同的方法製備坩堝生坯A7和坩堝S7，不同的是，燒結方法為以4. (TC /min的升溫速率加熱到燒結溫度1200°C，在燒結溫度1200°C下保溫5. 8h，然後以5 °C /min降溫至室溫。對比例I
本對比例用於對比說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。採用與實施例I相同的方法製備坩堝生坯Dl和坩堝DA1，不同的是，原料組合物中不含羧甲基纖維素。對比例2
本對比例用於對比說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。
採用與實施例I相同的方法製備坩堝生坯D2和坩堝DA2，不同的是，原料組合物中不含娃酸溶膠。對比例3
本對比例用於對比說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。採用與實施例I相同的方法製備坩堝生坯D3和坩堝DA3，不同的是，原料組合物中不含矽酸溶膠和羧甲基纖維素。對比例4
本對比例用於對比說明本發明公開的坩堝的製備方法及坩堝。採用與實施例7相同的方法製備坩堝生坯D4和坩堝DA4，不同的是，原料組合物中不含矽酸溶膠和羧甲基纖維素。性能測試
對以上分別製得的坩堝生坯A1-A7、D1-D4以及坩堝S1-S7、DA1-DA4進行如下性能測試。I、體積密度、顯氣孔率
按照GB/T2997——2000 (緻密定形耐火製品體積密度、顯氣孔率實驗方法)進行測試。2、抗折強度
按照GB/T3001——2007 (定型耐火製品常溫抗折強度實驗方法)進行測試。3、耐壓強度
按照GB/T5072. 2——2004 (緻密定形耐火製品常溫耐壓強度實驗方法)進行測試。得到的坩堝生坯A1-A7、D1-D4的測試結果填入表I。表II
權利要求
1.一種坩堝的製備方法，包括將原料組合物混合，得到漿料，然後將漿料均化、成型得到生坯，將生坯乾燥、燒結得到坩堝；其中，所述原料組合物包括熔融石英砂、去離子水和矽酸溶膠；並且，在所述成型前還包括向漿料中加入羧甲基纖維素。
2.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，所述矽酸溶膠中，SiO2的質量分數為20-40wt%o
3.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，所述矽酸溶膠中，SiO2的粒徑為IO-IOOnm, SiO2 的比表面積為 200_400m2/g。
4.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，所述羧甲基纖維素的純度在99.0%以上。
5.根據權利要求1-4中任意一項所述的製備方法，其特徵在於，所述原料組合物中，以熔融石英砂的含量為基準，所述矽酸溶膠中SiO2的含量為l_6wt%，所述去離子水的含量為15-30wt%o
6.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於，所述熔融石英砂中，粒徑為0.9-4mm的佔10-25wt%，粒徑為0. 3至小於4mm的佔20_30wt%，粒徑為0. 075至小於0. 3mm的佔45-70wt%o
7.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於，所述熔融石英砂中SiO2的含量在99. 95wt% 以上。
8.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，在所述均化後成型前加入羧甲基纖維素，以熔融石英砂的含量為基準，所述羧甲基纖維素的添加量為0. 3-lwt%。
9.根據權利要求I或8所述的製備方法，其特徵在於，所述將原料組合物混合的方法為將熔融石英砂、去離子水、矽酸溶膠球磨6-12h。
10.根據權利要求I或8所述的製備方法，其特徵在於，所述均化的方法為在10-30r/min的速度下攪拌6-10天。
11.根據權利要求I或8所述的製備方法，其特徵在於，在所述均化後成型前，還包括向漿料中加入N-羧甲基氯乙烯醯胺；以熔融石英砂的重量為基準，N-羧甲基氯乙烯醯胺的添加量為 0. 005-0. 01wt%o
12.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，所述成型的方法為將均化後的漿料在l-2bar的壓力下注入模具中，靜置2-4h。
13.根據權利要求I或12所述的製備方法，其特徵在於，在所述乾燥的方法為將生坯在120-150°C溫度下乾燥2-3h。
14.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，所述燒結的方法為以2.5-4. 5°C /min的升溫速率加熱到燒結溫度1000-1130°C，在1000-1130°C下保溫5. 0-6. 5h ;然後將燒結後的產物以4-6°C /min降溫速率冷卻至室溫，得到坩堝。
15.一種坩堝，採用權利要求1-14中任意一項所述的製備方法製備得到。
全文摘要
本發明提供了一種坩堝的製備方法以及通過該方法製備得到的坩堝。該方法包括將原料組合物混合，得到漿料，然後將漿料均化、成型得到生坯，將生坯乾燥、燒結得到坩堝；其中，所述原料組合物包括熔融石英砂、去離子水和矽酸溶膠；並且，在所述成型前還包括向漿料中加入羧甲基纖維素。通過該方法製備得到的坩堝生坯強度高。
文檔編號C03B20/00GK102807312SQ20111014225
公開日2012年12月5日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者沈益順, 周勇 申請人:比亞迪股份有限公司