專利名稱：一種制作復(fù)合多級(jí)熔融石英粉陶瓷坩堝的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，涉及到多晶硅鑄造用熔融石英陶 瓷坩堝制備技術(shù)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
眾所周知，當(dāng)今世界電力供應(yīng)漸趨緊張，光伏技術(shù)的運(yùn)用可以有效 地緩解這一局面。光伏發(fā)電主要有單晶、多晶電池片技術(shù)，與單晶相比，多晶光伏具有能耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)；同樣的時(shí)間內(nèi)，耗用同樣的能源， 多晶產(chǎn)出將是單晶的6~7倍，因而多晶近些年得到廣泛運(yùn)用。己有采 用電弧法生產(chǎn)石英坩堝用于單晶硅拉制，化學(xué)工業(yè)出版社出版的《石 英玻璃》ISBN 978-7-025-9751-1，其第五章公開了電弧法生產(chǎn)石英坩 堝技術(shù)，18英寸石英坩堝每次只可以拉制60Kg單晶硅鑄錠，其消耗 電能為2000 KW ,用于單晶硅結(jié)晶的石英坩堝正處于應(yīng)用初期階段。目 前，對(duì)于多晶硅熔融結(jié)晶所使用的坩堝，業(yè)內(nèi)都采用高純石墨材料制作， 自身制造成本較大；而且石墨坩堝結(jié)晶出的多晶硅鑄錠，其含雜量較高， 硅錠的有效收得率非常低，使用效果不理想，尚不能大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。 因此，研究開發(fā)一種新型的用于多晶硅結(jié)晶的坩堝，具有十分重要的實(shí) 際意義。石英坩堝由于具有良好的耐高溫性能、抗熱震性、而且不引入 雜質(zhì)等特點(diǎn)，所以成為多晶硅鑄造法生產(chǎn)的首選坩堝材料，成為人們關(guān). 注和開發(fā)的熱點(diǎn)材料。目前傳統(tǒng)的不透明石英陶瓷的制備方法主要是注漿法，蔣艷紅在專 利(2008 10124615.X)中就采用注漿法制備了用于多晶硅的不透明石英 陶瓷坩堝。該方法主要靠吸水沉淀法來實(shí)現(xiàn)顆粒的堆積成型，所以制備 的陶瓷坩堝通常存在壁厚和高度方向上顆粒粗細(xì)、成分上的不均勻、工 藝周期較長、要求多套石膏模具等問題。本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種用于多晶硅結(jié)晶的大尺寸不透明石英坩堝凝膠注 模成型方法，借助于多級(jí)粒徑石英粉末的配合實(shí)現(xiàn)了石英陶瓷坩堝良好 的耐高溫和抗炸裂性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述問題，提出一種用于多晶硅鑄造法生產(chǎn)的熔融石 英陶瓷坩堝制備技術(shù)。本發(fā)明采用多級(jí)熔融石英粉末作為原料，通過凝 膠注模成型工藝，制備的石英陶瓷坩堝，能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度原料的均勻混 合，制備的坩堝組織結(jié)構(gòu)均勻，孔隙率可控，具有優(yōu)異的抗熱震能力和 耐高溫能力，能夠滿足多晶硅工藝與生產(chǎn)的要求，而且該工藝整個(gè)過程
簡單，無環(huán)境污染，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。該工藝具體為
一種采用凝膠注模成型工藝制作復(fù)合多級(jí)熔融石英粉陶瓷坩堝的方 法首先，根據(jù)待制備坩堝性能，將石英粉按其直徑分為三級(jí)第一級(jí): 粒徑為0. l|im~l. O^irn,第二級(jí)粒徑為1. Opm 10(im,第三級(jí)粒徑為 10|iim~50^im,裝入混料才幾種進(jìn)行干法混合，混合時(shí)間為l~50h;
然后，按已知技術(shù)進(jìn)行后續(xù)制備工作。
進(jìn)一步，所述后續(xù)制備工作具體包括如下步驟
第一步配置復(fù)合多級(jí)熔融石英粉；
第二步配置預(yù)混液；
第三步制備熔融石英陶瓷水基料漿；
第四步加入催化劑和引發(fā)劑；
第五步澆注熔融石英陶瓷坩堝；
第六步熔融石英陶瓷料漿的固化成型；
第七步坯體干燥；
第八步高溫?zé)Y(jié)。
進(jìn)一步，優(yōu)選的三個(gè)級(jí)別石英粉配比為第一級(jí)石英粉含量為5~25%, 第二級(jí)石英粉含量為30~70%,余量為第三級(jí)石英粉。 進(jìn)一步，所述第二步具體為
(1)將單體和交聯(lián)劑溶解于去離子水中，其中單體為丙烯酰胺、 曱基丙烯酰胺的一種或兩種組合；交聯(lián)劑為N， N-亞曱基雙丙烯酰胺，單體的濃度為l-10wt。/。；單體與交聯(lián)劑的比例為5: 1~30: 1;
(2 )在預(yù)混液中加入0. 2 1. Owty。的^t劑，分散劑為聚丙烯酸、 聚甲基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、檸檬酸氨中一種或 多種組合；
(3 )在上迷液體中加入乳酸或醋酸，將液體的PH值調(diào)整到2~6，以 保證料漿的分散效果。
進(jìn)一步，所述第三步具體為
(1 )將第二步配制的預(yù)混液放入球磨機(jī)中，球料比選擇0. 5: 1-10: 1， 其中陶瓷原料的固相體積分?jǐn)?shù)為40vol%-75vol%。稱取60wty。第一步配制 的多級(jí)熔融石英混合粉料，加入球磨機(jī)中，以5 0 ~ 10 0r /m i n的轉(zhuǎn)速進(jìn)行 球磨，5-10h后加入20 wt %第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料；5~ 15h后再加入10 wt %第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料；5 ~ 2Oh后加 入剩余10%第一步配制的多級(jí)熔融石英混合4分料，繼續(xù)進(jìn)行球磨5-20h 后獲得熔融石英陶瓷料漿；
(2 )除泡將上述磨好的熔融石英陶究料漿放入容器中進(jìn)行除泡， 除泡方式可以是加入消泡劑，或在真空狀態(tài)下除泡，或兩種消泡方式的 組合。
進(jìn)一步，所述第四步還包括加入催化劑，具體為
(1) 向進(jìn)行真空除泡后的料漿中加入催化劑，并攪拌均勻，催化劑 組成成分為四甲基乙二銨、三乙醇銨、亞硫酸銨中的一種或幾種組合， 將催化劑配成水溶液，濃度為1 ~ 100wt%，加入量為陶覺粉料體積的0~ 1%;
(2) 向上述料漿中加入引發(fā)劑，并攪拌均勻，引發(fā)劑是下列物質(zhì)其 中之一過硫酸銨和過硫酸鉀中的一種或幾種，引發(fā)劑的濃度為1~ 20wty。加入量為陶究粉料體積的0. 01 ~ 1%。
進(jìn)一步，所迷第五步具體為
將加過催化劑和引發(fā)劑的料漿注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，料漿的注 入可以采用壓差注入，或常壓灌漿注入。
進(jìn)一步，所述第六步具體為 (l)采用了催化凝固(即加入了催化劑)，那么料漿的固化可以在 常溫下進(jìn)行；
7(2 )料漿中沒有加入催化劑，那么需要將模具置于40 ~ 100°C下(可 以在恒溫箱或水浴內(nèi))，保溫5min-5h，此時(shí)料漿中的單體分子會(huì)發(fā)生聚 合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而使石英陶瓷料漿固化轉(zhuǎn)變成為陶t;坯體。 進(jìn)一步，所述第七步具體為
將凝膠坯體首先進(jìn)行自然風(fēng)干5 ~ 20h,然后放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行 干燥脫水，烘箱溫度為40-10(TC，直到干透。 進(jìn)一步，所述第八步具體為
將干燥后的陶瓷坯體放于煅燒爐中以0. 5 ~ 3°C/min的升溫速率加熱 到規(guī)定的合成溫度(1150°C ~ 1200°C ),保溫一定的時(shí)間(0. 5~30h), 冷卻后獲纟尋熔融石英陶瓷坩堝。
與以往的注漿法成型工藝相比，本工藝有許多的優(yōu)點(diǎn)。首先，因?yàn)椋?坩堝的孔隙率和孔隙大小的絕對(duì)值對(duì)其熱震穩(wěn)定性(即抗急冷急熱性能， 抗裂性能)有很大影響，孔隙率大和孔隙直徑大均有助于提高上迷的熱 震穩(wěn)定性，所以要在保證坩堝能夠正常工作的情況下增加孔隙率和增大 孔隙直徑的絕對(duì)值。本發(fā)明中所使用的三級(jí)石英砂配比方法，可以實(shí)現(xiàn) 可控的調(diào)整孔隙率以及孔隙大小，并通過凝膠注模工藝借助于高分子自 由基固化原理，實(shí)現(xiàn)多級(jí)尺度陶瓷粉末水基料漿的原位固化成型，保證 了多尺度顆粒之間的相互填充與配合，獲得了各項(xiàng)同性而且均勻的卩力多. 坯體；其次，本方法中所使用的所有有機(jī)原料均為水溶性原料，所以最
終能夠均勻包覆在顆粒表面，這樣高溫煅燒后材料隨著有機(jī)物的分解排 出，在陶瓷坯體里面可以獲得細(xì)小、均勻的孔隙，這樣可以降低材料的 熱膨脹系數(shù)，賦予了材料良好的抗熱震特性。第三，本發(fā)明中所使用的 分散劑聚丙烯酸、聚甲基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、 擰檬酸氨中一種或多種組合，改變了以往只采用一種分散劑的做法，多 種分散劑同時(shí)使用，可相互抵消各種分散劑自身所存在的缺點(diǎn)，使用多 種組合M劑可增強(qiáng)物料中所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)性能，提高材料的分散性； 第四，本發(fā)明采用凝膠注模成型工藝，大大提高了生產(chǎn)效率，具有成本 低、操作筒便、無環(huán)境污染、所得坩堝質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明 一種采用凝膠注模成型工 藝制作復(fù)合多級(jí)熔融石英粉陶瓷坩堝的方法，其特征在于，該方法的操
作步驟如下
第一步配置復(fù)合多級(jí)熔融石英粉
按照坩堝重量稱取粒徑為0. 1^m 1. Opm的第一級(jí)熔融石英4分，粒徑 為1. Opm ~10(im的第二級(jí)熔融石英粉，粒徑為10(im 50^im的第三級(jí)熔融 石英粉，裝入混料機(jī)種進(jìn)行干法混合，混合時(shí)間為l~50h;
第二步配置預(yù)混液
(1) 將單體(丙烯酰胺、曱基丙烯酰胺的 一種或兩種組合)、交聯(lián) 劑(N，N-亞曱基雙丙烯酰胺)溶解于去離子水中，其中單體的濃度為 1 10wty。；單體與交聯(lián)劑的比例為:5: 1 30: 1;
(2 )在預(yù)混液中加入0. 2~1. Owty。的M劑(聚丙烯酸、聚曱基聚丙 烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、檸檬酸氨等一種或多種組合)；
(3 )在上述液體中加入乳酸或醋酸，將液體的PH值調(diào)整到(2~6 )， 以便取得更好的分散效果。
第三步制備熔融石英陶瓷水U+漿
(1 )將第二步配制的預(yù)混液放入球磨機(jī)中，球料比選擇0. 5: 1~10: 1， 其中陶瓷原料的固相體積分?jǐn)?shù)為40vol%-75vol%。稱取60wt °/。第一步配 制的多級(jí)熔融石英混合粉料，加入球磨機(jī)中，以5 0 10 0 r /m i n的轉(zhuǎn)速進(jìn) 行球磨，5 10h后加入20 wt %第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料；5~15h 后再加入10%第一步配制的多級(jí)熔融石英混合并分津+; 5 20h后加入剩余10 wt %第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料，繼續(xù)進(jìn)行球磨5 20h后獲得 熔融石英陶資料漿；
(2) 除泡將上述磨好的熔融石英陶資料漿放入容器中進(jìn)行除泡， 除泡方式可以是加入消泡劑，也可以在真空狀態(tài)下除泡，其中兩種的組 合也可以實(shí)現(xiàn)除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進(jìn)行真空除泡后的料漿中加入催化劑，并攪拌均勻，催化劑 是下列物質(zhì)其中之一四曱基乙二銨、三乙醇銨、亞硫酸銨中的一種或 幾種組合，催化劑配成水溶液，濃度為1-100wt%,加入量為陶瓷粉料 體積的0 ~ 1%;再向上述料漿中加入引發(fā)劑，并攪拌均勻，引發(fā)劑是下列物質(zhì)其中
之一過硫酸銨和過硫酸鉀中的一種或幾種，引發(fā)劑的濃度為l~20wt°/。 加入量為陶瓷粉料體積的0. 01 ~ 1%。 第五步澆注熔融石英陶瓷坩堝
將加過催化劑和引發(fā)劑的料漿注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，料漿的注 入可以采用壓差注入，也可以常壓灌漿注入。 第六步熔融石英陶資料漿的固化成型
如果采用了催化凝固(即加入了催化劑)，那么料漿的固化可以在常 溫下進(jìn)行；如果料漿中沒有加入催化劑，那么需要將模具置于40-100 。C下(可以在恒溫箱或水浴內(nèi))，保溫5min-5h，此時(shí)料漿中的單體分子 會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而 <吏石英陶t:料漿固化轉(zhuǎn)變成為陶瓷 坯體。
第七步坯體干燥
將凝膠坯體首先進(jìn)行自然風(fēng)干5 ~ 20h,然后i欠入恒溫恒濕箱中進(jìn)行 干燥脫水，烘箱溫度為40~10(TC,直到干透為止。 第八步高溫?zé)Y(jié)
將干燥后的陶瓷坯體放于煅燒爐中以rC/min的升溫速率加熱到頭見 定規(guī)定的合成溫度(1150°C ~ 1200°C )，保溫一定的時(shí)間(0.5~30h), 冷卻后獲^^熔融石英陶瓷坩堝。
實(shí)施例1:
第一步混合多級(jí)粉料
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. lnm~l. O(am的第一級(jí)熔融石英 粉5Kg，粒徑為1. Opm ~10|Lim的第二級(jí)熔融石英粉30Kg,粒徑為 10^im 50^im的第三級(jí)熔融石英粉15Kg，裝入混料機(jī)種進(jìn)行干法混合，混 合時(shí)間為30h。
第二步配置預(yù)混液
(1)將單體(丙烯酰胺)、交聯(lián)劑(N，N-亞曱基雙丙烯酰胺)溶解 于去離子水中，其中單體的濃度為2. Owt。/。;單體與交聯(lián)劑的比例為10: 1;
(2 )在預(yù)混液中加入0. 5wt。/。的分散劑(聚丙烯酸、聚曱基聚丙烯酸 氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、檸檬酸氨等一種或多種組合)；
10(3)在上述液體中加入乳酸或醋酸，將液體的PH值調(diào)整到3，以便 取得更好的分散效果。
第三步制備熔融石英陶瓷水基料漿
(1)將第二步配制的預(yù)混液放入球磨機(jī)中，球料比選擇5:1，其中 陶瓷原料的固相體積分^t為72vol°/。。稱取60°/。第一步配制的多級(jí)熔融石 英混合并分料，加入J求磨才幾中，以60r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，5h后加入 20%第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料；10h后再加入10%第一步配制 的多級(jí)熔融石英混合粉料；15h后加入剩余10%第一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進(jìn)行球磨8h后獲得熔融石英陶瓷料漿。
(2)除泡。將上述磨好的熔融石英陶瓷料漿放入容器中進(jìn)行真空除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進(jìn)行真空除泡后的料漿中加入催化劑(四曱基乙二銨)，并攪 拌均勻，催化劑的水溶液濃度為40wt%，加入量為陶瓷粉料體積的0. 5%;
再向上述料漿中加入引發(fā)劑(過硫酸銨)，并攪拌均勻，引發(fā)劑的濃 度為6wt / ，加入量為陶瓷粉料體積的0. 5%;
第五步澆注熔融石英陶瓷坩堝
將加過催化劑和引發(fā)劑的料漿注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，料漿的注 入可以采用壓差注入，也可以常壓灌漿注入。 第六步熔融石英陶瓷料漿的固化成型
加入催化劑后，料漿的固化可以在常溫下進(jìn)行；0. 5h后，料漿中的 單體分子會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而使石英陶瓷料漿固化轉(zhuǎn)變 成為陶t:坯體。
第七步坯體干燥
將凝膠坯體首先進(jìn)行自然風(fēng)干8h后，然后放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行干 燥脫水，烘箱溫度為8(TC，直到干透為止。 第八步高溫?zé)Y(jié)
將干燥后的陶瓷坯體放于煅燒爐中以rC/min的升溫速率加熱到規(guī) 定的合成溫度(1185°C )，保溫一定的時(shí)間(5h),冷卻后獲得熔融石英 陶瓷坩堝。實(shí)施例2:
第一步配置復(fù)合多級(jí)熔融石英粉
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. l(im~l. 0|um的第一級(jí)熔融石英 粉7Kg，粒徑為1. 0ium l(^m的第二級(jí)熔融石英粉40Kg,粒徑為10nm 50(im 的第三級(jí)熔融石英粉3Kg，裝入混料機(jī)種進(jìn)行千法混合，混合時(shí)間為 l~50h。
第二步配置預(yù)混液
(1)將單體(曱基丙烯酰胺)、交聯(lián)劑(N，N-亞曱基雙丙烯酰胺) 溶解于去離子水中，其中單體的濃度為5wty。；單體與交聯(lián)劑的比例為 15: 1;
(2 )在預(yù)混液中加入1. Owt。/。的^t劑(丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚
物)；
(3 )在上述液體中加入乳酸或醋酸，將液體的PH值調(diào)整到3,以便 取得更好的分散效果。
第三步制備熔融石英陶瓷水基料漿
(1) 將第二步配制的預(yù)混液放入球磨機(jī)中，球料比選擇3:1，其中 陶瓷原料的固相體積分?jǐn)?shù)為65voll稱取60°/。第一步配制的多級(jí)熔融石 英混合4分料，加入J求磨才幾中，以70r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行J求磨，8h后加入 20%第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料；10h后再加入10%第一步配制 的多級(jí)熔融石英混合粉料；1 Oh后加入剩余10%第 一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進(jìn)行球磨10h后獲得熔融石英陶瓷料漿。
(2) 除泡將上述磨好的熔融石英陶瓷料漿放入容器中進(jìn)行真空除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進(jìn)行真空除泡后的料漿中加入催化劑(三乙醇銨)催化劑配 成水溶液，濃度為15wt%,加入量為陶瓷粉料體積的0. 2%;
再向上述料漿中加入引發(fā)劑(過硫酸鉀)，引發(fā)劑的濃度為10wt% 加入量為陶瓷4分料體積的0. 1%。
第五步澆注熔融石英陶瓷坩堝
將加過催化劑和引發(fā)劑的料漿注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，料漿的注 入可以采用壓差注入，也可以常壓灌漿注入。
12第六步熔融石英陶乾料漿的固化成型
加入催化劑后，料漿的固化可以在常溫下進(jìn)行，lh后，此時(shí)料漿中 的單體分子會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而使石英陶瓷料漿固化轉(zhuǎn)
變成為陶瓷坯體。
第七步坯體干燥
將凝膠坯體進(jìn)行自然風(fēng)干15h后，放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行干燥脫水， 烘箱溫度為10(TC，直到干透為止。 第八步高溫?zé)Y(jié)
將干燥后的陶瓷坯體放于煅燒爐中以0. 5°C/min的速率加熱到1185 °C，保溫一定的時(shí)間10h，冷卻后獲得熔融石英陶資蚶堝。
實(shí)施例3:
第一步混合多級(jí)粉料
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. l|um~l. Opm的第一級(jí)熔融石英 粉5Kg，粒徑為1. 0|iim 10pm的第二級(jí)熔融石英粉30Kg,粒徑為 10^im~50|im的第三級(jí)熔融石英粉15Kg,裝入混料機(jī)種進(jìn)行干法混合，混 合時(shí)間為30h。
第二步配置預(yù)混液
(1 )將單體(丙烯酰胺)、交聯(lián)劑(N， N-亞曱基雙丙烯酰胺)溶解 于去離子水中，其中單體的濃度為2. Owt。/。；單體與交聯(lián)劑的比例為10: 1;
(2 )在預(yù)混液中加入0. 5wt"/。的分散劑(聚丙烯酸、聚曱基聚丙烯酸 氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、檸檬酸氨等一種或多種組合)；
(3)在上述液體中加入乳酸或醋酸，將液體的PH值調(diào)整到3，以侵_ 取得更好的分散效果。
第三步制備熔融石英陶瓷水基料漿
(1)將第二步配制的預(yù)混液放入球磨機(jī)中，球料比選擇5:1，其中 陶瓷原料的固相體積分?jǐn)?shù)為72vol%。稱取60%第一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，加入球磨機(jī)中，以60r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，5h后加入 20°/。第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料；10h后再加入10%第一步配制 的多級(jí)熔融石英混合粉料；15h后加入剩余10%第一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進(jìn)行球磨8h后獲得熔融石英陶瓷料漿。(2)除泡將上述磨好的熔融石英陶瓷料漿放入容器中進(jìn)行真空除泡。
第四步加入引發(fā)劑
向上述料漿中加入引發(fā)劑(過硫酸銨)，并攪拌均勻，引發(fā)劑的濃度 為6wty。加入量為陶資粉料體積的0. 5%。 第五步澆注熔融石英陶瓷坩堝
將加過引發(fā)劑的料漿注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，料漿的注入可以采 用壓差注入，也可以常壓灌漿注入。
第六步熔融石英陶瓷料漿的固化成型
將澆注完料漿的模具置于40。C下(可以在恒溫箱或水浴內(nèi))，保溫lh, 此時(shí)料漿中的單體分子會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而使石英陶瓷 料漿固化轉(zhuǎn)變成為陶t;坯體。
第七步坯體千燥
將凝膠坯體首先進(jìn)行自然風(fēng)干8h后，然后放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行干 燥脫水，烘箱溫度為8(TC,直到干透為止。 第八步高溫?zé)Y(jié)
將干燥后的陶資坯體放于煅燒爐中以rC/min的升溫速率加熱到規(guī) 定的合成溫度(1185°C ),保溫一定的時(shí)間(5h)，冷卻后獲得熔融石英 陶瓷坩堝。
實(shí)施例4:。
第一步配置復(fù)合多級(jí)熔融石英粉
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. l|Lini~l. Opm的第一級(jí)熔融石英 粉7Kg，粒徑為1. 0]Lim 10nm的第二級(jí)熔融石英粉40Kg，粒徑為10|om~50^im 的第三級(jí)熔融石英粉3Kg，裝入混料機(jī)種進(jìn)行干法混合，混合時(shí)間為 1 50h。
第二步配置預(yù)混液
(1 )將單體(曱基丙烯酰胺)、交聯(lián)劑(N，N-亞曱基雙丙烯酰胺) 溶解于去離子水中，其中單體的濃度為5wt。/。；單體與交聯(lián)劑的比例為 15: 1;
(2)在預(yù)混液中加入i. owty。的分散劑(丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物)；
(3)在上述液體中加入乳酸或醋酸，將液體的PH值調(diào)整到3，以便 取得更好的分散效果。
第三步制備熔融石英陶瓷水基料漿
(1) 將第二步配制的預(yù)混液放入球磨機(jī)中，球料比選擇3:1，其中 陶瓷原料的固相體積分?jǐn)?shù)為65vol%。稱取60%第一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，加入球磨機(jī)中，以70r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，8h后加入 20%第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料；10h后再加入10°/。第一步配制 的多級(jí)熔融石英混合粉料；1 Oh后加入剩余10%第 一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進(jìn)行球磨10h后獲得熔融石英陶瓷料漿。
(2) 除泡。將上述磨好的熔融石英陶瓷料漿放入容器中進(jìn)行真空除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進(jìn)行真空除泡后的料漿中加入催化劑(三乙醇銨)催化劑配 成水溶液，濃度為15wt°/。，加入量為陶瓷粉料體積的0. 2%;
再向上述料漿中加入引發(fā)劑(過^J交鉀)，引發(fā)劑的濃度為10wt°/。 加入量為陶究粉料體積的0. 1%。
第五步澆注熔融石英陶資坩堝
將加過催化劑和引發(fā)劑的料漿注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，料漿的注 入可以采用壓差注入，也可以常壓灌漿注入。 第六步熔融石英陶瓷料漿的固化成型
將澆注完料漿的模具置于8(TC下(可以在恒溫箱或水浴內(nèi))，保溫 30min,此時(shí)料漿中的單體分子會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而使石 英陶瓷料漿固化轉(zhuǎn)變成為陶瓷坯體。
第七步坯體干燥
將凝膠坯體進(jìn)行自然風(fēng)干15h后，放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行干燥脫水， 烘箱溫度為10(TC，直到干透為止。 第八步高溫?zé)Y(jié)
將干燥后的陶乾坯體放于煅燒爐中以0. 5°C/min的速率加熱到1185 °C，保溫一定的時(shí)間10h,冷卻后獲得熔融石英陶瓷坩堝。
15實(shí)施例5
第一步混合多級(jí)粉料
按照50Kg^分末來配料，稱取粒徑為0. l|Lim~l. Opm的第一級(jí)熔融石英 粉9Kg,粒徑為1. Ojim ~10^im的第二級(jí)熔融石英粉15Kg,粒徑為 10nm 50nm的第三級(jí)炫融石英粉26Kg,裝入混料機(jī)種進(jìn)行干法混合，混 合時(shí)間為30h。
第二步配置預(yù)混液.
(l )將單體(丙烯酰胺)、交聯(lián)劑(N, N-亞曱基雙丙烯酰胺)溶解 于去離子水中，其中單體的濃度為8. Owt。/。;單體與交聯(lián)劑的比例為20: 1。
(2 )在預(yù)混液中加入lwt。/。的分散劑(聚丙烯酸、聚曱基聚丙烯酸氨、 丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、檸檬酸氨等一種或多種組合)。
(3 )在上述液體中加入乳酸或醋酸，將液體的PH值調(diào)整到2,以便 取得更好的分散效果。
第三步制備熔融石英陶資水基料漿
(1 )將第二步配制的預(yù)混液放入球磨機(jī)中，球料比選擇10: 1,其中 陶瓷原料的固相體積分?jǐn)?shù)為40vol%。稱取60%第一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，加入球磨機(jī)中，以6Or/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，5h后加入 20%第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料；10h后再加入10%第一步配制 的多級(jí)熔融石英混合粉料；15h后加入剩余10°/。第一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進(jìn)行球磨8h后獲得熔融石英陶瓷料漿。
(2)除泡將上述磨好的熔融石英陶瓷料漿^L入容器中進(jìn)行真空除泡。
第四步加入引發(fā)劑
向上述料漿中加入引發(fā)劑(過硫酸銨)，并攪拌均勻，引發(fā)劑的濃度 為20wty。加入量為陶資粉料體積的0. 1%。 第五步澆注熔融石英陶覺坩堝
將加過引發(fā)劑的料漿注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，料漿的注入可以采 用壓差注入，也可以常壓灌漿注入。
第六步熔融石英陶瓷料漿的固化成型
將澆注完料漿的模具置于4(TC下(可以在恒溫箱或水浴內(nèi))，保溫lh， 此時(shí)料漿中的單體分子會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而使石英陶瓷料漿固化轉(zhuǎn)變成為陶瓷坯體。
第七步坯體干燥
將凝膠坯體首先進(jìn)行自然風(fēng)干8h后，然后放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行干 燥脫水，烘箱溫度為80。C，直到干透為止。 第八步高溫?zé)Y(jié)
將干燥后的陶資坯體放于煅燒爐中以rC/min的升溫速率加熱到規(guī) 定的合成溫度(1185°C )，保溫一定的對(duì)間(5h)，冷卻后獲得熔融石英 陶瓷坩堝。
實(shí)施例6:
第一步配置復(fù)合多級(jí)熔融石英粉
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. l^im-l. Oinm的第一級(jí)熔融石英 粉2. 5Kg,粒徑為1. 0|iun ~10|am的第二級(jí)熔融石英粉35Kg，粒徑為 10|Lim~50|Lim的第三級(jí)熔融石英粉12. 5Kg，裝入混料機(jī)種進(jìn)行干法混合， 混合時(shí)間為l~50h。
第二步配置預(yù)混液
(1)將單體(曱基丙烯酰胺)、交聯(lián)劑(N，N-亞曱基雙丙烯酰胺) 溶解于去離子水中，其中單體的濃度為10wt。/。；單體與交聯(lián)劑的比例為 30:1;
(2 )在預(yù)混液中加入1. Owt。/。的分散劑(丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚
物)；
(3 )在上述液體中加入乳酸或醋酸，將液體的PH值調(diào)整到4,以使_ 取得更好的分散效果。
第三步制備熔融石英陶瓷水基料漿
(1)將第二步配制的預(yù)混液放入球磨機(jī)中，球料比選擇3:1，其中 陶瓷原料的固相體積分?jǐn)?shù)為65vol%。稱取60%第一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，加入球磨機(jī)中，以70r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，8h后加入 20%第一步配制的多級(jí)熔融石英混合4分4^; 10h后再加入10%第一步配制 的多級(jí)熔融石英混合粉料；1 Oh后加入剩余10%第 一步配制的多級(jí)熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進(jìn)行球磨1 Oh后獲得熔融石英陶瓷料漿。
(2)除泡。將上述磨好的熔融石英陶瓷料漿放入容器中進(jìn)行真空
17除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進(jìn)行真空除泡后的料漿中加入催化劑(三乙醇銨)催化劑配 成水溶液，濃度為100wt°/。，加入量為陶瓷粉料體積的0. 02%;
再向上述料漿中加入引發(fā)劑(過硫酸鉀)，引發(fā)劑的濃度為15wt% 加入量為陶瓷粉料體積的0. 2%。
第五步澆注熔融石英陶資坩堝
將加過催化劑和引發(fā)劑的料漿注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，料漿的注 入可以采用壓差注入，也可以常壓灌漿注入。 第六步熔融石英陶資料漿的固化成型
加入催化劑后，料漿的固化可以在常溫下進(jìn)行，lh后，此時(shí)料漿中 的單體分子會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而使石英陶瓷料漿固化轉(zhuǎn) 變成為陶瓷坯體。
第七步坯體干燥
將凝膠坯體進(jìn)行自然風(fēng)干15h后，放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行干燥脫水， 烘箱溫度為10(TC,直到干透為止。 第八步高溫?zé)Y(jié)
將干燥后的陶瓷坯體放于煅燒爐中以0. 5'C/min的速率加熱到1185 。C,保溫一定的時(shí)間10h,冷卻后獲得熔融石英陶瓷坩堝。
權(quán)利要求
1、一種采用凝膠注模成型工藝制作復(fù)合多級(jí)熔融石英粉陶瓷坩堝的方法首先，根據(jù)待制備坩堝性能，將石英粉按其直徑分為三級(jí)第一級(jí)粒徑為0.1μm～1.0μm，第二級(jí)粒徑為1.0μm～10μm，第三級(jí)粒徑為10μm～50μm，裝入混料機(jī)種進(jìn)行干法混合，混合時(shí)間為1～50h；然后，按已知技術(shù)進(jìn)行后續(xù)制備工作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l中所述方法，其特征為所述后續(xù)制備工作具體包括 如下步驟第一步配置復(fù)合多級(jí)熔融石英粉； 第二步配置預(yù)混液； 第三步制備熔融石英陶瓷水基料漿； 第四步加入催化劑和引發(fā)劑； 第五步澆注熔融石英陶瓷坩堝； 第六步熔融石英陶瓷料漿的固化成型； 第七步坯體干燥； 第八步高溫?zé)Y(jié)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l中所述的坩堝生產(chǎn)方法，其特征為優(yōu)選的三個(gè)級(jí)別 石英粉配比為第一級(jí)石英粉含量為5 18°/ ,第二級(jí)石英粉含量為30 80% 余量為第三級(jí)石英粉。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的坩堝生產(chǎn)方法，其特征為所述第二步具體為(1)將單體和交聯(lián)劑溶解于去離子水中，其中單體為丙烯酰胺、 曱基丙烯酰胺的一種或兩種組合；交聯(lián)劑為N或N-亞曱基雙丙烯酰胺， 單體的濃度為l-10wty。；單體與交聯(lián)劑的比例為5: 1~30: 1;(2 )在預(yù)混液中加入0. 2~1. Owt。/。的分散劑，分散劑為聚丙烯酸、聚 曱基聚丙烯酸氨、丙烯酸-丙烯酸脂二元共聚物、檸檬酸氨中一種或多 種組合；(3)在上述液體中加入乳酸或醋酸，將液體的PH值調(diào)整到2 6,以 保證分散效果。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的坩堝生產(chǎn)方法，其特征為所述第三步具體為(1)將第二步配制的預(yù)混液放入球磨機(jī)中，球料比選擇0. 5: 1-10: 1， 其中陶瓷原料的固相體積分?jǐn)?shù)為40vo 1 °/ -75vo 1 %,稱取6Owt。/。第一步配制 的多級(jí)熔融石英混合粉料，加入球磨機(jī)中，以5 0-10 0 r /m i n的轉(zhuǎn)速進(jìn)行 球磨，5-10h后加入20wt"/。第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料；5-15h 后再加入10%第一步配制的多級(jí)熔融石英混合4分料；5-20h后加入剩余10 wt y。第一步配制的多級(jí)熔融石英混合粉料，繼續(xù)進(jìn)行球磨5-2Oh后獲得 熔融石英陶資料漿。(2)除泡將上述磨好的熔融石英陶瓷料漿放入容器中進(jìn)行除泡， 除泡方式可以是加入消泡劑，或在真空狀態(tài)下除泡，或兩種銷泡方式的 組合。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的坩堝生產(chǎn)方法，其特征為所述第四步還包括加入催化劑，具體為(1) 向進(jìn)行真空除泡后的料漿中加入催化劑，并攪拌均勻，催化劑 組成成分為四曱基乙二銨、三乙醇銨、亞疏酸銨中的一種或幾種組合， 將催化劑配成水溶液，濃度為l~100wt°/。，加入量為陶瓷粉料體積的0~ "/ ;(2) 向上述料漿中加入引發(fā)劑，并攪拌均勻，引發(fā)劑是下列物質(zhì)其 中之一過硫酸銨和過硫酸鉀中的一種或幾種，引發(fā)劑的濃度為1~ 20wt。/。加入量為陶資4分料體積的0. 01 ~ 1%。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的坩堝生產(chǎn)方法，其特征為所述第五步具體為將加過催化劑和引發(fā)劑的料漿注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，料漿的注 入可以采用壓差注入，或常壓灌漿注入。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的坩堝生產(chǎn)方法，其特征為所述第六步具體為(1)采用了催化凝固(即加入了催化劑)，那么料漿的固化可以在常 溫下進(jìn)行；(2 )料漿中沒有加入催化劑，那么需要將模具置于4 0 ~ 10(TC下(可 以在恒溫箱或水浴內(nèi))，保溫5min 5h，此時(shí)料漿中的單體分子會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而使石英陶瓷料漿固化轉(zhuǎn)變成為陶瓷坯體。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的坩堝生產(chǎn)方法，其特征為所述第七步具體為將凝膠坯體首先進(jìn)行自然風(fēng)干5 ~ 20h,然后放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行 干燥脫水，烘箱溫度為40 10(TC，直到干透。
10、 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的坩堝生產(chǎn)方法，其特征為 所述第八步具體為將干燥后的陶瓷坯體放于煅燒爐中以0. 5-3。C/min的升溫速率加熱 到規(guī)定的合成溫度(1150°C ~ 1200°C ),保溫一定的時(shí)間(0. 5~ 30h)， 冷卻后獲得熔融石英陶瓷坩堝。
全文摘要
本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，涉及到熔融石英陶瓷坩堝制備技術(shù)的改進(jìn)。本發(fā)明方法的步驟是配料—制漿—加催化劑和引發(fā)劑—凝膠—干燥—燒結(jié)。本發(fā)明采用多級(jí)熔融石英粉末作為原料，通過凝膠注模成型工藝，制備的石英陶瓷坩堝，能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度原料的均勻混合，制備的坩堝組織結(jié)構(gòu)均勻，孔隙率可控，具有優(yōu)異的抗熱震能力和耐高溫能力，能夠滿足多晶硅工藝與生產(chǎn)的要求，而且該工藝整個(gè)過程簡單，無環(huán)境污染，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C03B20/00GK101580339SQ20091008730
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者欣 杜, 王迎奎, 王迎祥, 高慶昌 申請(qǐng)人:王迎奎