一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法

2023-09-17 06:23:10 2

專利名稱：一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法
技術領域：
本發明涉及一種炭布鋪層方法，尤其是涉及一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層 方法。
背景技術：
單晶矽拉制爐是直拉法(Czochralski法)生產單晶矽的裝置，其工作原理是將 多晶矽料置於石英坩堝和炭質坩堝組成的雙層坩堝內，在保護性氣氛下加熱至1400°C 1600°C使多晶矽料熔融，仔晶在牽引下晶粒長大形成單晶矽棒。高溫下石英坩堝開始軟化， 需要布設在石英坩堝外側的炭/炭坩堝進行保護，因此炭/炭坩堝主要起到傳遞熱量和支 撐多晶矽料的作用。實際使用時，單晶矽拉制爐中所使用的炭/炭坩堝受力情況複雜、嚴酷，特別是當 系統出現故障無法繼續拉晶時，留在坩堝內的多晶矽料冷卻體積膨脹率約8%，此時炭/炭 坩堝將受到嚴峻的考驗，強度不佳的坩堝容易在外力作用下破裂，破裂多發生在堝幫與堝 底連接部位——即坩堝結構的薄弱部位。目前，國內炭/炭坩堝的使用壽命僅為40爐次左 右。因此開發在高溫工作環境下有較高力學性能、可長期使用的炭/炭坩堝成為發展我國 單晶矽產業迫切需求。炭纖維作為炭/炭複合材料中承擔載荷的主體，其結構特性、取向方式、體積含量 等都對材料力學性能有較大影響。欲提高坩堝強度，首先要有設計科學、合理的炭纖維預製 體結構。目前，國內外炭/炭坩堝普遍採用了炭布和網胎針刺方法得到預製體，但對於預製 體中的炭布鋪層方式這一影響坩堝力學性能的關鍵因素國內外還未有相關報導。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種提高炭/ 炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其設計合理、操作簡便、投入成本低、原材料浪費較少且使用 效果好、經鋪層後所獲得的炭/炭坩堝預製體成型產品的力學性能優良，能有效解決現有 單晶矽拉制爐用坩堝存在的力學性能不高、使用過程中易破裂等實際問題。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種提高炭/炭坩堝強度的炭 布鋪層方法，在外表面結構和尺寸均與需加工成型炭/炭坩堝預製體內型面的結構和尺寸 均一致的芯模上進行炭布鋪層，其特徵在於該方法包括以下步驟步驟一、前期準備根據需加工成型炭/炭坩堝的結構與尺寸，確定需加工成型炭 /炭坩堝預製體的結構與尺寸；所述炭/炭坩堝預製體由結構相同且由內至外依次緊密鋪 制為一體的多個炭布鋪制層鋪制而成，且每一個炭布鋪制層均包括一個整體包覆層和鋪設 在所述整體包覆層上的一個或兩個局部補強鋪層；步驟二、炭布鋪層，其鋪層過程如下201、第一個炭布鋪制層鋪覆先採用整張炭布對所述芯模的外表面進行整體包覆 並形成整體包覆層，再採用小塊炭布在本步驟中所述整體包覆層的底部和/或上部進行局部鋪層並形成局部補強鋪層，本步驟中所述局部補強鋪層的鋪設位置與步驟一中所述炭/ 炭坩堝預製體的堝幫或堝底位置相對應，且鋪覆過程中將本步驟中所鋪覆的局部補強鋪層 通過熱固性樹脂粘結固定或通過加入炭纖維網胎後針刺連接固定在本步驟中所鋪覆的整 體包覆層上；202、下一個炭布鋪制層鋪覆按照步驟201所述的鋪覆方法，先採用整張炭布對 鋪覆完成的上一個炭布鋪制層的外表面進行整體包覆並形成整體包覆層，再採用小塊炭布 在本步驟中所述整體包覆層的底部和/或上部進行局部鋪層並形成局部補強鋪層，本步驟 中所述局部補強鋪層的鋪設位置與步驟一中所述炭/炭坩堝預製體的堝幫或堝底位置相 對應，鋪覆過程中將本步驟中所鋪覆的局部補強鋪層通過熱固性樹脂粘結固定或通過加入 炭纖維網胎後針刺連接固定在本步驟中所鋪覆的整體包覆層上；且鋪覆過程中對當前已鋪 覆的所有炭布鋪制層的厚度進行同步測量；203、多次重複步驟202，直至已鋪覆的所有炭布鋪制層的厚度與步驟一中所確定 的需加工成型炭/炭坩堝預製體的壁厚一致，則完成炭/炭坩堝預製體的鋪制過程；步驟201和步驟202中所用整塊炭布的結構與尺寸均與步驟一中所述炭/炭坩堝 預製體的整體結構和尺寸一致，且所用小塊炭布的結構與尺寸均與步驟一中所述炭/炭坩 堝預製體的堝幫或堝底的結構與尺寸一致；步驟202和步驟203中進行炭布鋪制層鋪覆過 程中，採用熱固性樹脂由內至外逐層將已鋪覆的所有炭布鋪制層粘結連接為一體或者採用 在層間加入炭纖維網胎後進行針刺連接的連接方式由內至外逐層將已鋪覆的所有炭布鋪 制層連接為一體；步驟201、步驟202和步驟203中採用熱固性樹脂將局部補強鋪層粘結固定在整體 包覆層上或採用熱固性樹脂對相鄰兩個炭布鋪制層進行粘結固定時，步驟203中完成炭/ 炭坩堝預製體的鋪制過程後，還需採用固化爐對鋪制完成所獲得的炭/炭坩堝預製體進行 固化處理。上述一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵是步驟201和步驟202中 所用整塊炭布和小塊炭布的數量均為一塊；所述芯模包括用於成型所述炭/炭坩堝預製體 堝體部分的直筒段和用於成型所述炭/炭坩堝預製體堝底部分的底部弧面，所述底部弧面 布設在所述直筒段正下部；步驟201和步驟202中所用的整塊炭布均為矩形炭布一且小塊炭布為圓形炭布 一，且採用矩形炭布一和圓形炭布一進行鋪層時，先採用矩形炭布一沿芯模的直筒段卷繞 一周且卷繞過程中確保矩形炭布一的上邊線不低於芯模的上邊緣線，再將矩形炭布一寬度 方向上的富餘部分向芯模的底部弧面彎折並將所述底部弧面全部覆蓋後，則完成對芯模外 表面進行整體包覆的包覆過程；之後，再採用圓形炭布一對芯模的底部弧面進行包覆且確 保圓形炭布一將所述底部弧面全部包覆，所述圓形炭布一通過熱固性樹脂粘結固定或通過 加入炭纖維網胎後針刺連接固定在所鋪覆的矩形炭布一上。上述一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵是步驟201中所用矩形 炭布一的長度與芯模的直筒段的圓周周長相等且其寬度與芯模的直筒段高度和底部弧面 的半徑之和相等，所述圓形炭布一的半徑與芯模的底部弧面的半徑相等；且步驟201、步驟 202和步驟203中鋪覆的所有炭布鋪制層中所用矩形炭布一和圓形炭布一的尺寸由內至外 逐層遞增，且遞增的尺寸與每一個炭布鋪制層的厚度相對應；步驟201和步驟202中，採用矩形炭布一沿芯模的直筒段卷繞一周時應確保矩形炭布一的上邊線與芯模的上邊緣線相 平齊。上述一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵是步驟201和步驟202 中採用矩形炭布一沿芯模的直筒段卷繞一周之前或將矩形炭布一寬度方向上的富餘部分 向芯模的底部弧面彎折並將所述底部弧面全部覆蓋之後，採用裁剪刀具沿所述矩形炭布一 的下邊線對所述矩形炭布一下部的多餘部分進行裁剪，並使得所述矩形炭布一的整體緊密 覆蓋在芯模的外表面上，且裁剪後所述矩形炭布一的下部由多個連續分布的等腰三角形組 成，多個所述等腰三角形的結構和尺寸均相同且所述等腰三角形的底邊和矩形炭布一上邊 線之間的垂直距離與芯模的直筒段高度相等；且裁剪時，應確保裁剪後的所述矩形炭布一 能對芯模的外表面進行整體包覆。上述一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵是步驟201和步驟202中 所用整塊炭布和小塊炭布的數量均為一塊；所述芯模包括用於成型所述炭/炭坩堝預製體 堝體部分的直筒段和用於成型所述炭/炭坩堝預製體堝底部分的底部弧面，所述底部弧面 布設在所述直筒段正下部；步驟201和步驟202中所用的整塊炭布均為圓形炭布二且小塊炭布為矩形炭布 二，且採用圓形炭布二和矩形炭布二進行鋪層時，先採用圓形炭布二對芯模的底部弧面進 行包覆，再將圓形炭布二的富餘部分向芯模的直筒段方向彎折並將所述直筒段全部覆蓋 後，則完成對芯模外表面進行整體包覆的包覆過程；之後，再採用矩形炭布二沿芯模的直筒 段卷繞一周且確保矩形炭布二將芯模的直筒段全部包覆，所述矩形炭布二通過熱固性樹脂 粘結固定或通過加入炭纖維網胎後針刺連接固定在所鋪覆的圓形炭布二上。上述一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵是步驟201中所用圓形炭 布二的半徑與芯模的底部弧面半徑和直筒段的高度之和相等，所述矩形炭布二的長度與芯 模的直筒段圓周周長相等且其寬度與芯模的直筒段高度相等；且步驟201、步驟202和步驟 203中鋪覆的所有炭布鋪制層中所用矩形炭布一和圓形炭布一的尺寸由內至外逐層遞增， 且遞增的尺寸與每一個炭布鋪制層的厚度相對應；步驟201和步驟202中，採用圓形炭布二 對芯模的底部弧面進行包覆時，應確保所述圓形炭布二的圓心與芯模的底部弧面的中心點 相重合。上述一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵是步驟201和步驟202中 採用圓形炭布二對芯模的底部弧面進行包覆之前或將圓形炭布二的富餘部分向芯模的直 筒段方向彎折並將所述直筒段全部覆蓋之後，採用裁剪刀具沿所述圓形炭布二的外邊線對 所述圓形炭布二外側的多餘部分進行裁剪，並使得所述圓形炭布二整體緊密覆蓋在芯模的 外表面上，且所裁剪的多餘部分為多個間隔分布的扇形小片炭布，多個扇形小片炭布呈均 勻布設且多個所述扇形小片炭布的結構和尺寸均相同，所述扇形小片炭布的圓心與所述圓 形炭布二圓心之間的間距與芯模的直筒段高度相同且裁剪後所述圓形炭布二的外邊線總 長度與芯模直筒段的圓周周長相等；且裁剪時，應確保裁剪後的所述圓形炭布二能對芯模 的外表面進行整體包覆。上述一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵是步驟201和步驟202中 所用整塊炭布和小塊炭布的材質均相同且均為炭纖維布，所述炭纖維布所用的炭纖維為粘 膠絲基炭纖維、聚丙烯腈基炭纖維或浙青基炭纖維；所述炭纖維布的絲束為2.漲 對1(，其中K表示絲束千根數，且所述炭纖維布的布面密度為300g/m2 600g/m2 ；所述炭纖維布的 種類為平紋、斜紋或緞紋；步驟201、步驟202和步驟203中採用加入炭纖維網胎後針刺連接的連接方式將局 部補強鋪層固定在整體包覆層上且採用加入炭纖維網胎後針刺連接的連接方式對相鄰兩 個炭布鋪制層進行固定時，步驟203中完成炭/炭坩堝預製體的鋪制過程後，則獲得密度為 0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭/炭坩堝預製體成型產品；對應地，採用固化爐對鋪制完成所 獲得的炭/炭坩堝預製體進行固化處理後，相應獲得密度為0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭/ 炭坩堝預製體成型產品。上述一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵是步驟201、步驟202和 步驟203中所採用熱固性樹脂的總質量為步驟203中鋪制完成的炭/炭坩堝預製體總質量 的30% 50%，所述熱固性樹脂為酚醛樹脂；步驟203中完成炭/炭坩堝預製體的鋪制過 程後且採用固化爐對鋪制完成所獲得的炭/炭坩堝預製體進行固化處理時，固化處理時間 為4小時 10小時，固化溫度為150°C 180°C，壓力為0. 5MPa 1. 5MPa。上述一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵是步驟201、步驟202和 步驟203中所採用炭纖維網胎的總質量為步驟203中鋪制完成的炭/炭坩堝預製體總質量 的20% 40%，且針刺密度為20針/cm2 60針/cm2。本發明與現有技術相比具有以下優點1、鋪層方法簡單、鋪層步驟少、設計合理且操作簡便。2、投入設備成本低，所採用的設備結構簡單且均為常用設備。3、所投入的原材料成本大幅降低。4、使用效果好且實用價值高，由於採用了整張炭布進行整體包覆且對堝幫、堝底 進行局部增強鋪層的方法，則在坩堝內引入了由堝幫貫穿堝底的連續長纖維，因而提高了 坩堝的整體強度，尤其是堝幫和堝底連接處的強度，解決了坩堝使用過程中堝幫、堝底連接 處易破裂的問題，且經鋪層後所獲得的炭/炭坩堝預製體成型產品的力學性能大幅提高且 使用過程中不易破裂，能有效解決現有單晶矽拉制爐用炭/炭分瓣坩堝、炭/炭整體坩堝等 存在的力學性能不高、使用過程中易破裂等實際問題。5、適用範圍廣且推廣應用前景廣泛，對鋪層所用炭纖維的絲束、編織結構等均不 進行嚴格限制，可以對多種類型的炭纖維進行鋪層，既可用於炭/炭整體坩堝，又可用於炭 /炭分瓣坩堝預製體的製備。綜上所述，本發明設計合理、操作簡便、投入成本低、原材料浪費較少且使用效果 好、經鋪層後所獲得的炭/炭坩堝預製體成型產品的力學性能優良，能有效解決現有單晶 矽拉制爐用坩堝存在的力學性能不高、使用過程中易破裂等實際問題。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖1為本發明的鋪層方法流程框圖。圖2為本發明進行鋪層時所用芯模的結構示意圖。圖3為本發明所用矩形炭布一裁剪之前的結構示意圖。圖4為本發明所用矩形炭布一裁剪後對芯模進行整體包覆之後的包覆狀態示意
8圖。圖5為本發明所用圓形炭布一的結構示意圖。圖6為本發明圓形炭布一鋪制後的外部結構示意圖。圖7為本發明所製得炭/炭坩堝預製體成型產品的結構示意圖。圖8為本發明所用圓形炭布二裁剪之前的結構示意圖。圖9為本發明所用圓形炭布二裁剪後對芯模進行整體包覆之後的包覆狀態示意 圖。圖10為本發明所用矩形炭布二的結構示意圖。圖11為本發明所用矩形炭布二鋪制後的外部結構示意圖。附圖標記說明1-芯模；2-矩形炭布一 ；3-圓形炭布一；4-圓形炭布二 ；5-矩形炭布二 ；6-炭/炭坩堝預製體成型產品；7-裁剪線一；8-裁剪線二。
具體實施例方式實施例1如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6及圖7所示，本發明所述的提高炭/炭坩堝強度 的炭布鋪層方法，在外表面結構和尺寸均與需加工成型炭/炭坩堝預製體內型面的結構和 尺寸均一致的芯模1上進行炭布鋪層，且鋪層過程包括以下步驟步驟一、前期準備根據需加工成型炭/炭坩堝的結構與尺寸，確定需加工成型炭 /炭坩堝預製體的結構與尺寸；所述炭/炭坩堝預製體由結構相同且由內至外依次緊密鋪 制為一體的多個炭布鋪制層鋪制而成，且每一個炭布鋪制層均包括一個整體包覆層和鋪設 在所述整體包覆層上的一個或兩個局部補強鋪層。步驟二、炭布鋪層，其鋪層過程如下201、第一個炭布鋪制層鋪覆先採用整張炭布對所述芯模1的外表面進行整體包 覆並形成整體包覆層，再採用小塊炭布在本步驟中所述整體包覆層的底部和/或上部進行 局部鋪層並形成局部補強鋪層，本步驟中所述局部補強鋪層的鋪設位置與步驟一中所述炭 /炭坩堝預製體的堝幫或堝底位置相對應，且鋪覆過程中將本步驟中所鋪覆的局部補強鋪 層通過熱固性樹脂粘結固定或通過加入炭纖維網胎後針刺連接固定在本步驟中所鋪覆的 整體包覆層上。所述芯模1可採用木材或鋼材製備。202、下一個炭布鋪制層鋪覆按照步驟201所述的鋪覆方法，先採用整張炭布對 鋪覆完成的上一個炭布鋪制層的外表面進行整體包覆並形成整體包覆層，再採用小塊炭布 在本步驟中所述整體包覆層的底部和/或上部進行局部鋪層並形成局部補強鋪層，本步驟 中所述局部補強鋪層的鋪設位置與步驟一中所述炭/炭坩堝預製體的堝幫或堝底位置相 對應，鋪覆過程中將本步驟中所鋪覆的局部補強鋪層通過熱固性樹脂粘結固定或通過加入 炭纖維網胎後針刺連接固定在本步驟中所鋪覆的整體包覆層上；且鋪覆過程中對當前已鋪 覆的所有炭布鋪制層的厚度進行同步測量。203、多次重複步驟202，直至已鋪覆的所有炭布鋪制層的厚度與步驟一中所確定 的需加工成型炭/炭坩堝預製體的壁厚一致，則完成炭/炭坩堝預製體的鋪制過程。
步驟201和步驟202中所用整塊炭布的結構與尺寸均與步驟一中所述炭/炭坩堝 預製體的整體結構和尺寸一致，且所用小塊炭布的結構與尺寸均與步驟一中所述炭/炭坩 堝預製體的堝幫或堝底的結構與尺寸一致；步驟202和步驟203中進行炭布鋪制層鋪覆過 程中，採用熱固性樹脂由內至外逐層將已鋪覆的所有炭布鋪制層粘結連接為一體或者採用 在層間加入炭纖維網胎後進行針刺連接的連接方式由內至外逐層將已鋪覆的所有炭布鋪 制層連接為一體。實際鋪制過程中，當步驟201、步驟202和步驟203中採用熱固性樹脂將局部補強 鋪層粘結固定在整體包覆層上或採用熱固性樹脂對相鄰兩個炭布鋪制層進行粘結固定時， 步驟203中完成炭/炭坩堝預製體的鋪制過程後，還需採用固化爐對鋪制完成所獲得的炭 /炭坩堝預製體進行固化處理。並且步驟201、步驟202和步驟203中所採用熱固性樹脂的 總質量為步驟203中鋪制完成的炭/炭坩堝預製體總質量的30% 50%，所述熱固性樹脂 為酚醛樹脂，也可以選用其它類型的熱固性樹脂；步驟203中完成炭/炭坩堝預製體的鋪制 過程後且採用固化爐對鋪制完成所獲得的炭/炭坩堝預製體進行固化處理時，固化處理時 間為4小時 10小時，固化溫度為150°C 180°C，壓力為0. 5MPa 1. 5MPa。而採用固化 爐對鋪制完成所獲得的炭/炭坩堝預製體進行固化處理時，所用的固化爐為真空袋-熱壓 罐。採用固化爐對鋪制完成所獲得的炭/炭坩堝預製體進行固化處理後，相應獲得密度為 0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭/炭坩堝預製體成型產品6。步驟201和步驟202中進行鋪層 時，還需根據需加工成型炭/炭坩堝預製體成型產品6的具體結構，在相鄰兩個炭布鋪制層 之間的對應部位夾墊一層或多層炭纖維布。當步驟201、步驟202和步驟203中採用加入炭纖維網胎後針刺連接的連接方式將 局部補強鋪層固定在整體包覆層上且採用加入炭纖維網胎後針刺連接的連接方式對相鄰 兩個炭布鋪制層進行固定時(無需進行固化處理)，步驟203中完成炭/炭坩堝預製體的 鋪制過程後，則獲得密度為0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭/炭坩堝預製體成型產品6。實際 進行針刺連接時，步驟201、步驟202和步驟203中所採用炭纖維網胎的總質量為步驟203
中鋪制完成的炭/炭坩堝預製體總質量的20% 40%，且針刺密度為20針/cm2 60針/
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cm ο實際對炭纖維布進行選擇時，步驟201和步驟202中所用整塊炭布和小塊炭布的 材質均相同且均為炭纖維布，所述炭纖維布所用的炭纖維為粘膠絲基炭纖維、聚丙烯腈基 炭纖維或浙青基炭纖維；所述炭纖維布的絲束為2. 5K MK，其中K表示絲束千根數，且所 述炭纖維布的布面密度為300g/m2 600g/m2 ；所述炭纖維布的種類為平紋、斜紋或緞紋，因 而可以根據具體實際需要選擇相應類型的炭纖維布。實際進行鋪制時，步驟201和步驟202中所用整塊炭布和小塊炭布的數量均為一 塊；所述芯模1包括用於成型所述炭/炭坩堝預製體堝體部分的直筒段和用於成型所述炭 /炭坩堝預製體堝底部分的底部弧面，所述底部弧面布設在所述直筒段正下部。實際鋪制過程中，步驟201和步驟202中所用的整塊炭布均為矩形炭布一 2且小 塊炭布為圓形炭布一 3，且採用矩形炭布一 2和圓形炭布一 3進行鋪層時，先採用矩形炭布 一 2沿芯模1的直筒段卷繞一周且卷繞過程中確保矩形炭布一 2的上邊線不低於芯模1的 上邊緣線，再將矩形炭布一 2寬度方向上的富餘部分向芯模1的底部弧面彎折並將所述底 部弧面全部覆蓋後，則完成對芯模1外表面進行整體包覆的包覆過程；之後，再採用圓形炭布一 3對芯模1的底部弧面進行包覆且確保圓形炭布一 3將所述底部弧面全部包覆，所述 圓形炭布一 3通過熱固性樹脂粘結固定或通過加入炭纖維網胎後針刺連接固定在所鋪覆 的矩形炭布一 2上。本實施例中，步驟201中所用矩形炭布一 2的長度與芯模1的直筒段的圓周周長 相等且其寬度與芯模1的直筒段高度和底部弧面的半徑之和相等，所述圓形炭布一 3的半 徑與芯模1的底部弧面的半徑相等；且步驟201、步驟202和步驟203中鋪覆的所有炭布鋪 制層中所用矩形炭布一 2和圓形炭布一 3的尺寸由內至外逐層遞增，且遞增的尺寸與每一 個炭布鋪制層的厚度相對應，以確保外側的炭布鋪制層能將其內側的相鄰炭布鋪制層完全 包覆；步驟201和步驟202中，採用矩形炭布一 2沿芯模1的直筒段卷繞一周時應確保矩形 炭布一 2的上邊線與芯模1的上邊緣線相平齊。實際鋪制時，也可以選用尺寸稍大的矩形 炭布一 2和矩形炭布一 2，且對芯模1進行包覆後，再相應對多餘部分進行修剪。實際鋪制時，為了使炭纖維布伏貼，可對炭纖維布邊緣進行少量裁剪。隨著鋪層不 斷進行，炭纖維布的尺寸應該遞增，才能確保後面鋪層將前面的鋪層包覆。因而，步驟201 和步驟202中採用矩形炭布一 2沿芯模1的直筒段卷繞一周之前或將矩形炭布一 2寬度方 向上的富餘部分向芯模1的底部弧面彎折並將所述底部弧面全部覆蓋之後，採用裁剪刀具 沿所述矩形炭布一 2的下邊線對所述矩形炭布一 2下部的多餘部分進行裁剪，並使得所述 矩形炭布一 2的整體緊密覆蓋在芯模1的外表面上，且裁剪後所述矩形炭布一 2的下部由 多個連續分布的等腰三角形組成，多個所述等腰三角形的結構和尺寸均相同且所述等腰三 角形的底邊和矩形炭布一 2上邊線之間的垂直距離與芯模1的直筒段高度相等；且裁剪時， 應確保裁剪後的所述矩形炭布一 2能對芯模1的外表面進行整體包覆。本實施例中，步驟201和步驟202中採用矩形炭布一 2沿芯模1的直筒段卷繞一周 之前，採用裁剪刀具沿所述矩形炭布一 2的下邊線對所述矩形炭布一 2下部的多餘部分進 行裁剪，具體是沿著裁剪線一 7進行裁剪。實際鋪制時，也可以在將矩形炭布一 2寬度方向 上的富餘部分向芯模1的底部弧面彎折並將所述底部弧面全部覆蓋之後，再對所述矩形炭 布一 2下部的多餘部分進行裁剪。綜上，本實施例中，步驟201和步驟202中對炭布鋪制層 進行鋪層時，所採用的鋪層方法是先採用矩形炭布進行整體包覆再採用圓形炭布對底部弧 面進行包覆的方法，且本鋪層方法較適合應用於炭/炭分瓣坩堝預製體的製備過程中。實 際進行鋪制時，為滿足不同產品形狀和規格要求，可在需要加厚的部位墊若干層炭布，鋪層 出堝底、凸臺等特定外觀結構。本實施例中，所選用的炭纖維布為12K PAN基平紋炭布且其布面密度為600g/m2。 所採用芯模1的直筒段直徑為489mm且直筒段高度為251mm，底部弧面的直徑為590mm，且 芯模1為與需加工成型坩堝的內型面規格相同的木質芯模。實際使用過程中，先將炭纖維 布裁成長度為1535mm (即π X 489mm)且寬度為M6mm(即251mm+590mm/2)的矩形炭布一 2 和直徑為590mm的圓形炭布一 3各20張；隨著裁剪工作的不斷進行，所裁矩形炭布一 2和 圓形炭布一 3的尺寸逐漸遞增10mm，也就是後一個鋪制的炭布鋪制層中所用矩形炭布一 2 和圓形炭布一 3的尺寸與前一個鋪制的炭布鋪制層中所用矩形炭布一 2和圓形炭布一 3的 尺寸遞增10mm，以保證後鋪層炭布能將先鋪層炭布包覆。實際炭布鋪制層進行鋪制時，多 個所述炭布鋪制層的鋪制方法均相同，具體是先將矩形炭布一 2沿芯模1的直筒段卷繞一 周后，將寬度方向富餘部分向芯模1的底部彎折，覆蓋住底部弧面後，外加一層圓形炭布一3鋪層在芯模1的底部補強，每兩層炭布間加少量炭纖維網胎針刺且逐層針刺連接為一體， 所加入炭纖維網胎的總重量佔炭/炭坩堝預製體成型產品6總質量的20%，針刺密度為20 針/cm2，多次重複上述鋪制過程直至達到產品要求尺寸。由於本實施例中需成型炭/炭坩 堝預製體成型產品6的堝底有凸臺，因而用小塊圓形炭纖維布在底部鋪層出此凸臺，最終 得到內徑489mm、外徑509mm、高390mm且密度0. 40g/cm3坩堝預製體。實際進行鋪層時，可以根據實際具體需要，對所採用炭纖維布的材質、尺寸、數量 以及芯模1的結構等進行相應調整。實施例2本實施例中，與實施例1不同的是步驟201和步驟202中所用整塊炭布和小塊炭 布的數量均為一塊；所述芯模1包括用於成型所述炭/炭坩堝預製體堝體部分的直筒段和 用於成型所述炭/炭坩堝預製體堝底部分的底部弧面，所述底部弧面布設在所述直筒段正 下部。步驟201和步驟202中所用的整塊炭布均為圓形炭布二 4且小塊炭布為矩形炭布 二 5，且採用圓形炭布二 4和矩形炭布二 5進行鋪層時，先採用圓形炭布二 4對芯模1的底 部弧面進行包覆，再將圓形炭布二 4的富餘部分向芯模1的直筒段方向彎折並將所述直筒 段全部覆蓋後，則完成對芯模1外表面進行整體包覆的包覆過程；之後，再採用矩形炭布二 5沿芯模1的直筒段卷繞一周且確保矩形炭布二 5將芯模1的直筒段全部包覆。本實施例 中，所述矩形炭布二 5通過加入炭纖維網胎後針刺連接固定在所鋪覆的圓形炭布二 4上且 相鄰兩個炭布鋪制層之間通過加入炭纖維網胎後進行針刺連接的連接方式進行連接，實際 進行粘貼時，每鋪好一層炭纖維布，將樹脂均勻塗刷在炭纖維布表面，然後鋪下一層炭纖維 布，炭/炭坩堝預製體成型產品6的鋪層結束後，再進行固化處理。實際進行鋪制時，步驟201中所用圓形炭布二 4的半徑與芯模1的底部弧面半徑 和直筒段的高度之和相等，所述矩形炭布二 5的長度與芯模1的直筒段圓周周長相等且其 寬度與芯模1的直筒段高度相等；且步驟201、步驟202和步驟203中鋪覆的所有炭布鋪制 層中所用矩形炭布一 2和圓形炭布一 3的尺寸由內至外逐層遞增，且遞增的尺寸與每一個 炭布鋪制層的厚度相對應；步驟201和步驟202中，採用圓形炭布二 4對芯模1的底部弧面 進行包覆時，應確保所述圓形炭布二 4的圓心與芯模1的底部弧面的中心點相重合。實際 鋪制時，也可以選用尺寸稍大的圓形炭布二 4和矩形炭布二 5，且對芯模1進行包覆後，再相 應對多餘部分進行修剪。實際鋪制過程中，為了使炭纖維布伏貼，可對炭纖維布邊緣進行少量裁剪。隨著鋪 層不斷進行，炭纖維布的尺寸應該遞增，才能確保後面鋪層將前面的鋪層包覆。本實施例 中，步驟201和步驟202中採用圓形炭布二 4對芯模1的底部弧面進行包覆之前或將圓形 炭布二4的富餘部分向芯模1的直筒段方向彎折並將所述直筒段全部覆蓋之後，採用裁剪 刀具沿所述圓形炭布二 4的外邊線對所述圓形炭布二 4外側的多餘部分進行裁剪，並使得 所述圓形炭布二 4整體緊密覆蓋在芯模1的外表面上，且所裁剪的多餘部分為多個間隔分 布的扇形小片炭布，多個扇形小片炭布呈均勻布設且多個所述扇形小片炭布的結構和尺寸 均相同，所述扇形小片炭布的圓心與所述圓形炭布二 4圓心之間的間距與芯模1的直筒段 高度相同且裁剪後所述圓形炭布二 4的外邊線總長度與芯模1直筒段的圓周周長相等；且 裁剪時，應確保裁剪後的所述圓形炭布二 4能對芯模1的外表面進行整體包覆。
本實施例中，步驟201和步驟202中採用圓形炭布二 4對芯模1的底部弧面進行 包覆之前，採用裁剪刀具沿所述圓形炭布二 4的外邊線對所述圓形炭布二 4外側的多餘部 分進行裁剪，具體是沿著裁剪線二 8進行裁剪。實際鋪制時，也可以在將圓形炭布二 4的富 餘部分向芯模1的直筒段方向彎折並將所述直筒段全部覆蓋之後，採用裁剪刀具沿所述圓 形炭布二 4的外邊線對所述圓形炭布二 4外側的多餘部分進行裁剪。綜上，本實施例中，步 驟201和步驟202中對炭布鋪制層進行鋪層時，所採用的鋪層方法是先採用圓形炭布進行 整體包覆再採用矩形炭布對直筒段進行纏繞包覆的方法，且本鋪層方法較適合應用於炭/ 炭整體坩堝預製體的製備過程中。本實施例中，實際進行鋪層時，與實施例1不同的是所選用的炭纖維布為3K粘 膠絲基斜紋炭布且其布面密度為350g/m2。所採用芯模1的直筒段直徑為489mm且直筒段 高度為251mm，底部弧面的直徑為590mm，且芯模1為與需加工成型坩堝的內型面規格相同 的木質芯模。實際使用過程中，先將炭纖維布裁成長度為1535mm(S卩π X489mm)且寬度為 251mm的矩形炭布二 5和直徑為1092mm(即590mm+251mmX2)的圓形炭布二 4各20張；隨 著裁剪工作的不斷進行，所裁圓形炭布二4和矩形炭布二 5的尺寸逐漸遞增10mm，也就是後 一個鋪制的炭布鋪制層中所用圓形炭布二 4和矩形炭布二 5的尺寸與前一個鋪制的炭布鋪 制層中所用圓形炭布二 4和矩形炭布二 5的尺寸遞增10mm，以保證後鋪層炭布能將先鋪層 炭布包覆。實際炭布鋪制層進行鋪制時，多個所述炭布鋪制層的鋪制方法均相同，具體是 先將圓形炭布二 4覆蓋住芯模1的底部弧面後，將富餘部分向芯模1的直筒段方向彎折，覆 蓋住芯模1的直筒段後，外加一層矩形炭布二 5沿直筒段卷繞一周補強，層間刷酚醛樹脂粘 帖，酚醛樹脂的總用量佔炭/炭坩堝預製體成型產品6總質量的50%，多次重複上述鋪制過 程直至達到產品要求尺寸。由於本實施例中需成型炭/炭坩堝預製體成型產品6的堝底有 凸臺，因而用小塊圓形炭纖維布在底部鋪層出此凸臺。步驟203中鋪層結束後，炭/炭坩堝 預製體成型產品6在真空袋-熱壓罐中加壓固化，固化溫度為150°C，壓力為0. 6MPa,時間 為4h，最終得到內徑489mm、外徑509mm、高390mm且密度1. 20g/cm3的炭/炭坩堝預製體成 型產品6。本實施例中，其餘鋪制步驟和方法均與實施例1相同。實施例3本實施例中，與實施例1不同的是所選用的炭纖維布為6K浙青基平紋炭布且 其布面密度為^Og/m2，炭布層間刷酚醛樹脂粘帖，酚醛樹脂的總質量佔炭/炭坩堝預製體 成型產品6總質量的50%，鋪層結束後，產品在真空袋-熱壓罐中加壓固化，固化溫度為 180°C，壓力為1. 2MPa，時間為》1，得到得到內徑489mm、外徑509mm、高390mm且密度1. 30g/ cm3的炭/炭坩堝預製體成型產品6。實際進行固化時，可以根據實際具體需求，對固化工 藝參數進行相應調整。本實施例中，其餘鋪制步驟和方法均與實施例1相同。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明 技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技 術方案的保護範圍內。
權利要求
1.一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，在外表面結構和尺寸均與需加工成型炭 /炭坩堝預製體內型面的結構和尺寸均一致的芯模(1)上進行炭布鋪層，其特徵在於該方 法包括以下步驟步驟一、前期準備根據需加工成型炭/炭坩堝的結構與尺寸，確定需加工成型炭/炭 坩堝預製體的結構與尺寸；所述炭/炭坩堝預製體由結構相同且由內至外依次緊密鋪制為 一體的多個炭布鋪制層鋪制而成，且每一個炭布鋪制層均包括一個整體包覆層和鋪設在所 述整體包覆層上的一個或兩個局部補強鋪層；步驟二、炭布鋪層，其鋪層過程如下201、第一個炭布鋪制層鋪覆先採用整張炭布對所述芯模(1)的外表面進行整體包覆 並形成整體包覆層，再採用小塊炭布在本步驟中所述整體包覆層的底部和/或上部進行局 部鋪層並形成局部補強鋪層，本步驟中所述局部補強鋪層的鋪設位置與步驟一中所述炭/ 炭坩堝預製體的堝幫或堝底位置相對應，且鋪覆過程中將本步驟中所鋪覆的局部補強鋪層 通過熱固性樹脂粘結固定或通過加入炭纖維網胎後針刺連接固定在本步驟中所鋪覆的整 體包覆層上；202、下一個炭布鋪制層鋪覆按照步驟201所述的鋪覆方法，先採用整張炭布對鋪覆 完成的上一個炭布鋪制層的外表面進行整體包覆並形成整體包覆層，再採用小塊炭布在本 步驟中所述整體包覆層的底部和/或上部進行局部鋪層並形成局部補強鋪層，本步驟中所 述局部補強鋪層的鋪設位置與步驟一中所述炭/炭坩堝預製體的堝幫或堝底位置相對應， 鋪覆過程中將本步驟中所鋪覆的局部補強鋪層通過熱固性樹脂粘結固定或通過加入炭纖 維網胎後針刺連接固定在本步驟中所鋪覆的整體包覆層上；且鋪覆過程中對當前已鋪覆的 所有炭布鋪制層的厚度進行同步測量；203、多次重複步驟202，直至已鋪覆的所有炭布鋪制層的厚度與步驟一中所確定的需 加工成型炭/炭坩堝預製體的壁厚一致，則完成炭/炭坩堝預製體的鋪制過程；步驟201和步驟202中所用整塊炭布的結構與尺寸均與步驟一中所述炭/炭坩堝預 制體的整體結構和尺寸一致，且所用小塊炭布的結構與尺寸均與步驟一中所述炭/炭坩堝 預製體的堝幫或堝底的結構與尺寸一致；步驟202和步驟203中進行炭布鋪制層鋪覆過程 中，採用熱固性樹脂由內至外逐層將已鋪覆的所有炭布鋪制層粘結連接為一體或者採用在 層間加入炭纖維網胎後進行針刺連接的連接方式由內至外逐層將已鋪覆的所有炭布鋪制 層連接為一體；步驟201、步驟202和步驟203中採用熱固性樹脂將局部補強鋪層粘結固定在整體包覆 層上或採用熱固性樹脂對相鄰兩個炭布鋪制層進行粘結固定時，步驟203中完成炭/炭坩 堝預製體的鋪制過程後，還需採用固化爐對鋪制完成所獲得的炭/炭坩堝預製體進行固化處理。
2.按照權利要求1所述的一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵在於步 驟201和步驟202中所用整塊炭布和小塊炭布的數量均為一塊；所述芯模(1)包括用於成 型所述炭/炭坩堝預製體堝體部分的直筒段和用於成型所述炭/炭坩堝預製體堝底部分的 底部弧面，所述底部弧面布設在所述直筒段正下部；步驟201和步驟202中所用的整塊炭布均為矩形炭布一( 且小塊炭布為圓形炭布一 (3)，且採用矩形炭布一( 和圓形炭布一 C3)進行鋪層時，先採用矩形炭布一( 沿芯模(1)的直筒段卷繞一周且卷繞過程中確保矩形炭布一 O)的上邊線不低於芯模(1)的上邊 緣線，再將矩形炭布一 O)寬度方向上的富餘部分向芯模(1)的底部弧面彎折並將所述底 部弧面全部覆蓋後，則完成對芯模(1)外表面進行整體包覆的包覆過程；之後，再採用圓形 炭布一( 對芯模(1)的底部弧面進行包覆且確保圓形炭布一( 將所述底部弧面全部包 覆，所述圓形炭布一 C3)通過熱固性樹脂粘結固定或通過加入炭纖維網胎後針刺連接固定 在所鋪覆的矩形炭布一( 上。
3.按照權利要求2所述的一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵在於步 驟201中所用矩形炭布一(2)的長度與芯模(1)的直筒段的圓周周長相等且其寬度與芯模 (1)的直筒段高度和底部弧面的半徑之和相等，所述圓形炭布一 C3)的半徑與芯模(1)的底 部弧面的半徑相等；且步驟201、步驟202和步驟203中鋪覆的所有炭布鋪制層中所用矩形 炭布一( 和圓形炭布一(3)的尺寸由內至外逐層遞增，且遞增的尺寸與每一個炭布鋪制 層的厚度相對應；步驟201和步驟202中，採用矩形炭布一( 沿芯模(1)的直筒段卷繞一 周時應確保矩形炭布一 O)的上邊線與芯模(1)的上邊緣線相平齊。
4.按照權利要求3所述的一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵在於步 驟201和步驟202中採用矩形炭布一( 沿芯模(1)的直筒段卷繞一周之前或將矩形炭布 一 (2)寬度方向上的富餘部分向芯模(1)的底部弧面彎折並將所述底部弧面全部覆蓋之 後，採用裁剪刀具沿所述矩形炭布一 O)的下邊線對所述矩形炭布一( 下部的多餘部分 進行裁剪，並使得所述矩形炭布一( 的整體緊密覆蓋在芯模(1)的外表面上，且裁剪後所 述矩形炭布一 O)的下部由多個連續分布的等腰三角形組成，多個所述等腰三角形的結構 和尺寸均相同且所述等腰三角形的底邊和矩形炭布一(2)上邊線之間的垂直距離與芯模 (1)的直筒段高度相等；且裁剪時，應確保裁剪後的所述矩形炭布一( 能對芯模(1)的外 表面進行整體包覆。
5.按照權利要求1所述的一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵在於步 驟201和步驟202中所用整塊炭布和小塊炭布的數量均為一塊；所述芯模(1)包括用於成 型所述炭/炭坩堝預製體堝體部分的直筒段和用於成型所述炭/炭坩堝預製體堝底部分的 底部弧面，所述底部弧面布設在所述直筒段正下部；步驟201和步驟202中所用的整塊炭布均為圓形炭布二(4)且小塊炭布為矩形炭布二 (5)，且採用圓形炭布二(4)和矩形炭布二( 進行鋪層時，先採用圓形炭布二(4)對芯模 (1)的底部弧面進行包覆，再將圓形炭布二(4)的富餘部分向芯模(1)的直筒段方向彎折並 將所述直筒段全部覆蓋後，則完成對芯模(1)外表面進行整體包覆的包覆過程；之後，再採 用矩形炭布二( 沿芯模(1)的直筒段卷繞一周且確保矩形炭布二( 將芯模(1)的直筒 段全部包覆，所述矩形炭布二( 通過熱固性樹脂粘結固定或通過加入炭纖維網胎後針刺 連接固定在所鋪覆的圓形炭布二(4)上。
6.按照權利要求5所述的一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵在於步 驟201中所用圓形炭布二 的半徑與芯模(1)的底部弧面半徑和直筒段的高度之和相 等，所述矩形炭布二(5)的長度與芯模(1)的直筒段圓周周長相等且其寬度與芯模(1)的 直筒段高度相等；且步驟201、步驟202和步驟203中鋪覆的所有炭布鋪制層中所用矩形炭 布一( 和圓形炭布一(3)的尺寸由內至外逐層遞增，且遞增的尺寸與每一個炭布鋪制層 的厚度相對應；步驟201和步驟202中，採用圓形炭布二(4)對芯模(1)的底部弧面進行包覆時，應確保所述圓形炭布二 的圓心與芯模(1)的底部弧面的中心點相重合。
7.按照權利要求6所述的一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，其特徵在於步 驟201和步驟202中採用圓形炭布二(4)對芯模(1)的底部弧面進行包覆之前或將圓形炭 布二 的富餘部分向芯模(1)的直筒段方向彎折並將所述直筒段全部覆蓋之後，採用裁 剪刀具沿所述圓形炭布二 的外邊線對所述圓形炭布二(4)外側的多餘部分進行裁剪， 並使得所述圓形炭布二(4)整體緊密覆蓋在芯模(1)的外表面上，且所裁剪的多餘部分為 多個間隔分布的扇形小片炭布，多個扇形小片炭布呈均勻布設且多個所述扇形小片炭布的 結構和尺寸均相同，所述扇形小片炭布的圓心與所述圓形炭布二 圓心之間的間距與芯 模(1)的直筒段高度相同且裁剪後所述圓形炭布二(4)的外邊線總長度與芯模(1)直筒段 的圓周周長相等；且裁剪時，應確保裁剪後的所述圓形炭布二(4)能對芯模(1)的外表面進 行整體包覆。
8.按照權利要求1至7中任一項權利要求所述的一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層 方法，其特徵在於步驟201和步驟202中所用整塊炭布和小塊炭布的材質均相同且均為炭 纖維布，所述炭纖維布所用的炭纖維為粘膠絲基炭纖維、聚丙烯腈基炭纖維或浙青基炭纖 維；所述炭纖維布的絲束為2.漲 MK，其中K表示絲束千根數，且所述炭纖維布的布面密 度為300g/m2 600g/m2 ；所述炭纖維布的種類為平紋、斜紋或緞紋；步驟201、步驟202和步驟203中採用加入炭纖維網胎後針刺連接的連接方式將局部 補強鋪層固定在整體包覆層上且採用加入炭纖維網胎後針刺連接的連接方式對相鄰兩個 炭布鋪制層進行固定時，步驟203中完成炭/炭坩堝預製體的鋪制過程後，則獲得密度為 0.20g/cm3 1.30g/cm3的炭/炭坩堝預製體成型產品(6)；對應地，採用固化爐對鋪制完成 所獲得的炭/炭坩堝預製體進行固化處理後，相應獲得密度為0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭 /炭坩堝預製體成型產品(6)。
9.按照權利要求1至7中任一項權利要求所述的一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層 方法，其特徵在於步驟201、步驟202和步驟203中所採用熱固性樹脂的總質量為步驟203 中鋪制完成的炭/炭坩堝預製體總質量的30% 50%，所述熱固性樹脂為酚醛樹脂；步驟 203中完成炭/炭坩堝預製體的鋪制過程後且採用固化爐對鋪制完成所獲得的炭/炭坩堝 預製體進行固化處理時，固化處理時間為4小時 10小時，固化溫度為150°C 180°C，壓 力為 0. 5MPa 1. 5MPa。
10.按照權利要求1至7中任一項權利要求所述的一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪 層方法，其特徵在於步驟201、步驟202和步驟203中所採用炭纖維網胎的總質量為步驟 203中鋪制完成的炭/炭坩堝預製體總質量的20% 40%，且針刺密度為20針/cm2 60 針 / cm2 ο
全文摘要
本發明公開了一種提高炭/炭坩堝強度的炭布鋪層方法，包括步驟一、前期準備；二、炭布鋪層，過程如下201、第一個炭布鋪制層鋪覆先採用整張炭布對所述芯模的外表面進行整體包覆並形成整體包覆層，再採用小塊炭布在整體包覆層的底部和/或上部進行局部鋪層並形成局部補強鋪層；202、下一個炭布鋪制層鋪覆按步驟201中鋪覆方法進行鋪覆；203、多次重複步驟202，直至已鋪覆所有炭布鋪制層的厚度與需加工成型坩堝預製體的壁厚一致。本發明設計合理、操作簡便、投入成本低且使用效果好、經鋪層後所獲得炭/炭坩堝預製體成型產品的力學性能優良，能解決現有單晶矽拉制爐用坩堝存在的力學性能不高、使用過程中易破裂等實際問題。
文檔編號C04B35/83GK102093069SQ20101057342
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者侯衛權, 常新, 彭志剛, 肖志超, 趙大明, 邢如鵬, 陳青華 申請人:西安超碼科技有限公司