專利名稱：一種制作復合多級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。
背景技術(shù)：
眾所周知，當今世界電力供應漸趨緊張，光伏技術(shù)的運用可以有效 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；同樣的時間內(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用。己有采 用電弧法生產(chǎn)石英坩堝用于單晶硅拉制，化學工業(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用初期階段。目 前，對于多晶硅熔融結(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 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，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、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，借助于多級粒徑石英粉末的配合實現(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合多級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第一級: 粒徑為0. l|im~l. O^irn,第二級粒徑為1. Opm 10(im,第三級粒徑為 10|iim~50^im,裝入混料才幾種進行干法混合，混合時間為l~50h;
然后，按已知技術(shù)進行后續(xù)制備工作。
進一步，所述后續(xù)制備工作具體包括如下步驟
第一步配置復合多級熔融石英粉；
第二步配置預混液；
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；
第八步高溫燒結(jié)。
進一步，優(yōu)選的三個級別石英粉配比為第一級石英粉含量為5~25%, 第二級石英粉含量為30~70%,余量為第三級石英粉。 進一步，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。
進一步，所述第三步具體為
(1 )將第二步配制的預混液放入球磨機中，球料比選擇0. 5: 1-10: 1， 其中陶瓷原料的固相體積分數(shù)為40vol%-75vol%。稱取60wty。第一步配制 的多級熔融石英混合粉料，加入球磨機中，以5 0 ~ 10 0r /m i n的轉(zhuǎn)速進行 球磨，5-10h后加入20 wt %第一步配制的多級熔融石英混合粉料；5~ 15h后再加入10 wt %第一步配制的多級熔融石英混合粉料；5 ~ 2Oh后加 入剩余10%第一步配制的多級熔融石英混合4分料，繼續(xù)進行球磨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。
進一步，所述第四步還包括加入催化劑，具體為
(1) 向進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)劑的料漿注入預先準備好的模具中，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，此時料漿中的單體分子會發(fā)生聚 合反應形成凝膠網(wǎng)絡，從而使石英陶瓷料漿固化轉(zhuǎn)變成為陶t;坯體。 進一步，所述第七步具體為
將凝膠坯體首先進行自然風干5 ~ 20h,然后放入恒溫恒濕箱中進行 干燥脫水，烘箱溫度為40-10(TC，直到干透。 進一步，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。首先，因為， 坩堝的孔隙率和孔隙大小的絕對值對其熱震穩(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 孔隙直徑的絕對值。本發(fā)明中所使用的三級石英砂配比方法，可以實現(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，實現(xiàn)多級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物的分解排 出，在陶瓷坯體里面可以獲得細小、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 種分散劑同時使用，可相互抵消各種分散劑自身所存在的缺點，使用多 種組合M劑可增強物料中所形成的網(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，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施方式
下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明 一種采用凝膠注模成型工 藝制作復合多級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
第一步配置復合多級熔融石英粉
按照坩堝重量稱取粒徑為0. 1^m 1. Opm的第一級熔融石英4分，粒徑 為1. Opm ~10(im的第二級熔融石英粉，粒徑為10(im 50^im的第三級熔融 石英粉，裝入混料機種進行干法混合，混合時間為l~50h;
第二步配置預混液
(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 )將第二步配制的預混液放入球磨機中，球料比選擇0. 5: 1~10: 1， 其中陶瓷原料的固相體積分數(shù)為40vol%-75vol%。稱取60wt °/。第一步配 制的多級熔融石英混合粉料，加入球磨機中，以5 0 10 0 r /m i n的轉(zhuǎn)速進 行球磨，5 10h后加入20 wt %第一步配制的多級熔融石英混合粉料；5~15h 后再加入10%第一步配制的多級熔融石英混合并分津+; 5 20h后加入剩余10 wt %第一步配制的多級熔融石英混合粉料，繼續(xù)進行球磨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 合也可以實現(xiàn)除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進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)劑的料漿注入預先準備好的模具中，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，此時料漿中的單體分子 會發(fā)生聚合反應形成凝膠網(wǎng)絡，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
將凝膠坯體首先進行自然風干5 ~ 20h,然后i欠入恒溫恒濕箱中進行 干燥脫水，烘箱溫度為40~10(TC,直到干透為止。 第八步高溫燒結(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 )，保溫一定的時間(0.5~30h), 冷卻后獲^^熔融石英陶瓷坩堝。
實施例1:
第一步混合多級粉料
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. lnm~l. O(am的第一級熔融石英 粉5Kg，粒徑為1. Opm ~10|Lim的第二級熔融石英粉30Kg,粒徑為 10^im 50^im的第三級熔融石英粉15Kg，裝入混料機種進行干法混合，混 合時間為30h。
第二步配置預混液
(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)將第二步配制的預混液放入球磨機中，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)速進行球磨，5h后加入 20%第一步配制的多級熔融石英混合粉料；10h后再加入10%第一步配制 的多級熔融石英混合粉料；15h后加入剩余10%第一步配制的多級熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進行球磨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行真空除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進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)劑的料漿注入預先準備好的模具中，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行；0. 5h后，料漿中的 單體分子會發(fā)生聚合反應形成凝膠網(wǎng)絡，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
將凝膠坯體首先進行自然風干8h后，然后放入恒溫恒濕箱中進行干 燥脫水，烘箱溫度為8(TC，直到干透為止。 第八步高溫燒結(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 )，保溫一定的時間(5h),冷卻后獲得熔融石英 陶瓷坩堝。實施例2:
第一步配置復合多級熔融石英粉
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. l(im~l. 0|um的第一級熔融石英 粉7Kg，粒徑為1. 0ium l(^m的第二級熔融石英粉40Kg,粒徑為10nm 50(im 的第三級熔融石英粉3Kg，裝入混料機種進行千法混合，混合時間為 l~50h。
第二步配置預混液
(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) 將第二步配制的預混液放入球磨機中，球料比選擇3:1，其中 陶瓷原料的固相體積分數(shù)為65voll稱取60°/。第一步配制的多級熔融石 英混合4分料，加入J求磨才幾中，以70r/min的轉(zhuǎn)速進行J求磨，8h后加入 20%第一步配制的多級熔融石英混合粉料；10h后再加入10%第一步配制 的多級熔融石英混合粉料；1 Oh后加入剩余10%第 一步配制的多級熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進行球磨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行真空除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進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)劑的料漿注入預先準備好的模具中，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行，lh后，此時料漿中 的單體分子會發(fā)生聚合反應形成凝膠網(wǎng)絡，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
將凝膠坯體進行自然風干15h后，放入恒溫恒濕箱中進行干燥脫水， 烘箱溫度為10(TC，直到干透為止。 第八步高溫燒結(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，保溫一定的時間10h，冷卻后獲得熔融石英陶資蚶堝。
實施例3:
第一步混合多級粉料
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. l|um~l. Opm的第一級熔融石英 粉5Kg，粒徑為1. 0|iim 10pm的第二級熔融石英粉30Kg,粒徑為 10^im~50|im的第三級熔融石英粉15Kg,裝入混料機種進行干法混合，混 合時間為30h。
第二步配置預混液
(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)將第二步配制的預混液放入球磨機中，球料比選擇5:1，其中 陶瓷原料的固相體積分數(shù)為72vol%。稱取60%第一步配制的多級熔融石 英混合粉料，加入球磨機中，以60r/min的轉(zhuǎn)速進行球磨，5h后加入 20°/。第一步配制的多級熔融石英混合粉料；10h后再加入10%第一步配制 的多級熔融石英混合粉料；15h后加入剩余10%第一步配制的多級熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進行球磨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)劑的料漿注入預先準備好的模具中，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, 此時料漿中的單體分子會發(fā)生聚合反應形成凝膠網(wǎng)絡，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
將凝膠坯體首先進行自然風干8h后，然后放入恒溫恒濕箱中進行干 燥脫水，烘箱溫度為8(TC,直到干透為止。 第八步高溫燒結(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 ),保溫一定的時間(5h)，冷卻后獲得熔融石英 陶瓷坩堝。
實施例4:。
第一步配置復合多級熔融石英粉
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. l|Lini~l. Opm的第一級熔融石英 粉7Kg，粒徑為1. 0]Lim 10nm的第二級熔融石英粉40Kg，粒徑為10|om~50^im 的第三級熔融石英粉3Kg，裝入混料機種進行干法混合，混合時間為 1 50h。
第二步配置預混液
(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) 將第二步配制的預混液放入球磨機中，球料比選擇3:1，其中 陶瓷原料的固相體積分數(shù)為65vol%。稱取60%第一步配制的多級熔融石 英混合粉料，加入球磨機中，以70r/min的轉(zhuǎn)速進行球磨，8h后加入 20%第一步配制的多級熔融石英混合粉料；10h后再加入10°/。第一步配制 的多級熔融石英混合粉料；1 Oh后加入剩余10%第 一步配制的多級熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進行球磨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行真空除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進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)劑的料漿注入預先準備好的模具中，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,此時料漿中的單體分子會發(fā)生聚合反應形成凝膠網(wǎng)絡，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
將凝膠坯體進行自然風干15h后，放入恒溫恒濕箱中進行干燥脫水， 烘箱溫度為10(TC，直到干透為止。 第八步高溫燒結(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，保溫一定的時間10h,冷卻后獲得熔融石英陶瓷坩堝。
15實施例5
第一步混合多級粉料
按照50Kg^分末來配料，稱取粒徑為0. l|Lim~l. Opm的第一級熔融石英 粉9Kg,粒徑為1. Ojim ~10^im的第二級熔融石英粉15Kg,粒徑為 10nm 50nm的第三級炫融石英粉26Kg,裝入混料機種進行干法混合，混 合時間為30h。
第二步配置預混液.
(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 )將第二步配制的預混液放入球磨機中，球料比選擇10: 1,其中 陶瓷原料的固相體積分數(shù)為40vol%。稱取60%第一步配制的多級熔融石 英混合粉料，加入球磨機中，以6Or/min的轉(zhuǎn)速進行球磨，5h后加入 20%第一步配制的多級熔融石英混合粉料；10h后再加入10%第一步配制 的多級熔融石英混合粉料；15h后加入剩余10°/。第一步配制的多級熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進行球磨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)劑的料漿注入預先準備好的模具中，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， 此時料漿中的單體分子會發(fā)生聚合反應形成凝膠網(wǎng)絡，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
將凝膠坯體首先進行自然風干8h后，然后放入恒溫恒濕箱中進行干 燥脫水，烘箱溫度為80。C，直到干透為止。 第八步高溫燒結(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 )，保溫一定的對間(5h)，冷卻后獲得熔融石英 陶瓷坩堝。
實施例6:
第一步配置復合多級熔融石英粉
按照50Kg粉末來配料，稱取粒徑為0. l^im-l. Oinm的第一級熔融石英 粉2. 5Kg,粒徑為1. 0|iun ~10|am的第二級熔融石英粉35Kg，粒徑為 10|Lim~50|Lim的第三級熔融石英粉12. 5Kg，裝入混料機種進行干法混合， 混合時間為l~50h。
第二步配置預混液
(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)將第二步配制的預混液放入球磨機中，球料比選擇3:1，其中 陶瓷原料的固相體積分數(shù)為65vol%。稱取60%第一步配制的多級熔融石 英混合粉料，加入球磨機中，以70r/min的轉(zhuǎn)速進行球磨，8h后加入 20%第一步配制的多級熔融石英混合4分4^; 10h后再加入10%第一步配制 的多級熔融石英混合粉料；1 Oh后加入剩余10%第 一步配制的多級熔融石 英混合粉料，繼續(xù)進行球磨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行真空
17除泡。
第四步加入催化劑和引發(fā)劑
首先向進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)劑的料漿注入預先準備好的模具中，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行，lh后，此時料漿中 的單體分子會發(fā)生聚合反應形成凝膠網(wǎng)絡，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
將凝膠坯體進行自然風干15h后，放入恒溫恒濕箱中進行干燥脫水， 烘箱溫度為10(TC,直到干透為止。 第八步高溫燒結(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合多級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第一級粒徑為0.1μm～1.0μm，第二級粒徑為1.0μm～10μm，第三級粒徑為10μm～50μm，裝入混料機種進行干法混合，混合時間為1～50h；然后，按已知技術(shù)進行后續(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合多級熔融石英粉； 第二步配置預混液； 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； 第八步高溫燒結(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)選的三個級別 石英粉配比為第一級石英粉含量為5 18°/ ,第二級石英粉含量為30 80% 余量為第三級石英粉。
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)將第二步配制的預混液放入球磨機中，球料比選擇0. 5: 1-10: 1， 其中陶瓷原料的固相體積分數(shù)為40vo 1 °/ -75vo 1 %,稱取6Owt。/。第一步配制 的多級熔融石英混合粉料，加入球磨機中，以5 0-10 0 r /m i n的轉(zhuǎn)速進行 球磨，5-10h后加入20wt"/。第一步配制的多級熔融石英混合粉料；5-15h 后再加入10%第一步配制的多級熔融石英混合4分料；5-20h后加入剩余10 wt y。第一步配制的多級熔融石英混合粉料，繼續(xù)進行球磨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)劑的料漿注入預先準備好的模具中，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，此時料漿中的單體分子會發(fā)生聚合反應形成凝膠網(wǎng)絡，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行自然風干5 ~ 20h,然后放入恒溫恒濕箱中進行 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。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，而且該工藝整個過程簡單，無環(huán)境污染，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C03B20/00GK101580339SQ20091008730
公開日2009年11月18日 申請日期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 申請人:王迎奎