[发明专利]一种具有复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚及其制备方法，所述炭/炭复合材料坩埚，由炭/炭复合材料坩埚基体以及附着于炭/炭复合材料坩埚基体内表面的复合陶瓷层组成，所述复合陶瓷层的厚度为1mm～5mm，所述复合陶瓷层中，按质量比计，组成如下：碳化硅50％～70％，氮化硼10％～40％，硅10％～20％，本发明的制备方法，具有复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚基体采用分体式制备方法，先制备出复合陶瓷层坯体，再通过粘结剂进行粘结，然后再经过碳化及渗硅处理，使得炭/炭复合材料坩埚基体与复合陶瓷层成为整体，采用本发明的制备方法，可以获得足够厚的复合陶瓷层，从而有效地抑制硅蒸汽对炭/炭复合材料坩埚基体的侵蚀。

技术领域

本发明属于单晶硅拉制炉用热场部件技术领域，具体涉及一种具有复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚及其制备方法。

背景技术

近年来，随着化石能源的枯竭以及人们对于节能环保的要求，国家大力提倡发展光伏行业，而单晶硅太阳能电池片在当前的光伏技术领域中，属于技术最成熟的且光电转换效率相比较高，因此，目前市场对于单晶硅的需求量巨大。

而单晶硅的生产80％以上都采用的是CZ(Czochralski，简称CZ法)直拉法，也即：在单晶硅拉制炉中通过籽晶拉制成型而制备得到。而坩埚(又称导流筒)作为单晶硅热场系统的关键原件之一，其主要用于控制热场的轴向温度梯度和引导氩气流。

单晶硅拉制炉所使用的坩埚最开始采用的是由石墨件和碳毡所形成的组合件，但考虑到该种组合件存在保温效果较差，使用寿命短，同时大尺寸石墨内/外壁成型困难等问题，同时，近年来随着碳纤维增强的新材料兴起，其具有耐高温，质量轻，强度高等优势，因此，目前单晶硅拉制炉所使用的坩埚材料逐步被炭/炭复合材料(碳纤维增强基体炭)所替代。然而，在实际进行单晶硅的拉制过程中，炉内会形成一定的硅蒸汽以及一些具有氧化性的SiO气体会对炭/炭复合材料坩埚中的碳纤维造成侵蚀，从而影响到坩埚的性能以及使用寿命。因此，对于炭/炭复合材料坩埚的抗硅化腐蚀以及抗氧化要求显得尤为重要。

为了提高炭/炭复合材料坩埚的抗硅化腐蚀以及抗氧化能力，专利CN103553711A提出在炭/炭复合材料保温筒表面制备形成一层碳化硅涂层/硅涂层/氮化硅涂层的复合涂层，以达到有效抑制硅料熔融后生成的硅蒸汽对炭/炭保温筒表面的侵蚀，但采用化学气渗透法制备碳化硅的沉积效率低，工艺过程复杂，实际生产过程中成本较高；另外，也有专利CN111848201A提出采用等离子体喷涂法在炭/炭坩埚表面形成一种碳化硅涂层/硅涂层的炭/炭坩埚，以达到改善炭/炭坩埚的抗硅化腐蚀能力，从而达到提高坩埚的使用寿命，但考虑到坩埚本身的外形特点，采用等离子喷涂技术实现坩埚整个内外表面均匀的喷涂硅涂层难度大，且该技术方案制备形成的SiC涂层的厚度过薄，对于抑制硅蒸汽对炭/炭坩埚中碳纤维的侵蚀的能力有限。

另外，目前的单晶硅拉制炉在进行拉制单晶硅的过程中，都是将硅料置于石英坩埚内部，然后再将石英坩埚套于炭/炭复合材料坩埚中，其中，炭/炭复合材料坩埚作为石英坩埚的支撑体，同时其又在单晶硅拉制炉中充当引导氩气流的作用。但考虑到单晶硅拉制炉的生产环境，一方面，处于熔融硅的高温状态下造成石英坩埚软化变形；另一方面，石英坩埚与C/C复合材料坩埚之间的间隙以及石英坩埚内表面的硅料本身会残留部分硅料，最终导致硅从液态变为固态的过程中，残留于石英坩埚内表面的硅不易清理掉，同时，由于硅从液态变为固态存在一定的体积膨胀，使得石英坩埚与C/C坩埚之间结合很紧密，只能采用敲碎旧石英坩埚并换上新的石英坩埚后方可进行下一炉的拉制。由于生产石英坩埚的原料缺乏，而人工合成用于生产石英坩埚的原料成本又太高，因此，最终造成当前单晶硅拉制炉生产出的单晶硅成本偏高。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种具有复合陶瓷层的炭/炭复合材料坩埚及其制备方法，其在满足应用于单晶硅拉制炉用坩埚本身的力学强度要求及保温效果的同时，不但可以显著地提高炭/炭复合材料坩埚的抗硅化腐蚀及抗氧化能力，同时，其可充当盛放硅料的坩埚，无须另外使用额外的石英坩埚用于盛放硅料；另外，本发明提出的制备工艺也相对简单，易实现大规划工业化生产。