[发明专利]熔融石英陶瓷坩埚的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无机非金属材料技术领域的方法，具体是一种熔融石英陶瓷坩埚的制备方法。

背景技术

陶瓷坩埚是多晶硅铸锭用的容器。太阳能多晶硅行业多采用熔融石英作为原料来制作陶瓷坩埚，主要是因为熔融石英具有较高的耐酸碱侵蚀性能和抗热震性能，特别是热膨胀系数比其它陶瓷材料低得多，所以石英陶瓷坩埚已成为多晶硅生产过程中不可替代的关键性消耗材料。

目前，制作石英陶瓷坩埚的主要方法包括传统的注浆法和上世纪90年代初发展起来的凝胶注模法。经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200810124615.X中记载了一种采用了注浆法制作用于多晶硅铸锭的石英陶瓷坩埚。该技术公开的工艺主要是采用石膏模具吸水沉淀法来实现石英颗粒的堆积成型，但采用该工艺制作的陶瓷坩埚会不可避免地存在高度和壁厚方向上石英颗粒粗细分布不均，产生密度梯度，造成坩埚整体的力学和热学性能下降；同时生产周期长，坯体强度低，并要求多套石膏模具相配。

进一步检索发现，中国专利申请号200910087303.0中公开了一种采用复合多级熔融石英粉为原料，凝胶注模法制作石英陶瓷坩埚的技术。该技术的特点是通过控制石英粉体的粒度级配，获得组织结构均匀，孔隙率可控，具有优良抗热震和耐高温性能的石英坩埚。但是该方法存在一定的缺陷。首先，通过凝胶注模方法得到的陶瓷素坯，具有类似橡胶的弹性，而刚度较低，由于坩埚素坯的尺寸较大，所以在其彻底干燥之前因坩埚的自重变形就很难控制；其次，石英陶瓷浆料在抽真空除气的过程中，由于空气迅速排出，易导致浆料凝胶化提前进行，所以固化时间较难控制；第三，采用凝胶注模方法制作熔融石英坩埚，通常需要在高湿度和室温条件下长期干燥至坯体不再发生显著收缩，然后才能在更高温度下进行干燥，因此干燥周期很长。

综上所述，探索制作石英陶瓷坩埚的新技术，依然是太阳能多晶硅铸锭领域的重要研究方向。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种熔融石英陶瓷坩埚的制备方法，采用颗粒级配的熔融石英粉作为原料，制备得到的坩埚的组织结构均匀，具有优异的抗热震、耐高温性能以及化学稳定性，能够满足多晶硅生产的工艺要求，且工艺简单、制作周期短，成本低廉，适于产业化应用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将颗粒级配的熔融石英陶瓷粉与预混液配制成浆料后进行真空除泡处理，然后经浇注、固化、脱模、干燥和烧结后制成石英陶瓷坩埚。

所述的颗粒级配的熔融石英陶瓷粉通过以下方式制备得到：选取纯度达到99.9wt.％或以上且粒度分别为0.1μm～1.0μm、1.0μm～10μm和10μm～100μm的熔融石英粉，按照以下重量配比：粒度为0.1μm～1.0μm的石英粉为5-20％，粒度为0.1μm～1.0μm的石英粉为30-60％，余量是粒度为10μm～100μm的熔融石英粉，将配比后的熔融石英粉装入混料机中进行干法混合，混合时间为2h以上，获得颗粒级配的熔融石英陶瓷粉。

所述的预混液的组分及含量为：硅酸乙酯35wt.％、无水乙醇30wt.％、异丙醇2.5wt.％、丙二醇甲醚10wt.％、酸性硅溶胶22wt.％以及盐酸0.5wt.％，其中：硅酸乙酯的纯度≥99wt.％，H值为3-4，固含量30wt.％；酸性硅溶胶中的氧化硅胶体粒子粒径10～15nm；无水乙醇的纯度≥99.5wt.％；丙二醇甲醚的纯度≥98wt.％；异丙醇的纯度≥99.5wt.％；盐酸的纯度≥99wt.％。

所述的浆料通过以下方式制备得到：将预混液和颗粒级配的熔融石英陶瓷粉以重量比为80∶20～50∶50的比例配料后放入球磨机球磨1h-12h后获得石英陶瓷浆料。

所述的真空除泡处理是指：将浆料放入真空容器中进行搅拌除泡5-30min，然后称取预混液重量的0.5-2％的固化剂加入浆料中，继续搅拌除泡1-2min。

所述的固化剂的组分及含量为：纯度≥98.5wt.％的二正丁胺30重量份以及纯度≥99.5wt.％的无水乙醇70重量份。

所述的浇注固化脱模是指：采用压差注入或常压注入的方式将固化处理后的浆料注入金属、塑料、玻璃或陶瓷模具制成的模具中，并在室温下放置直到浆料固化，然后将已固化的石英陶瓷坩埚素坯脱模。

所述的干燥烧结是指：首先在室温下自然干燥12-48h，然后在室温下干燥的素坯放于烧结炉中以0.5℃-5℃的升温速率加热到1150℃-1350℃并保温1h-24h，冷却后获得熔融石英陶瓷坩埚。

与以丙烯酰胺等有机物为单体的凝胶注模方法相比，本发明的优点包括：