專利名稱：碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝及碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝及在其中使用的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件，涉及例如在提拉半導(dǎo)體材料等單晶的裝置或制造太陽(yáng)能電池材料等多晶的裝置中為了支承保持收容熔融材料的坩堝而使用的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝及在其中使用的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件。
背景技術(shù)：
例如，在制造半導(dǎo)體材料等單晶的情況下，廣泛地使用CZ法(切克勞斯基單晶生長(zhǎng)法)。該CZ方法如圖10所示，是使籽晶P接觸在收容于石英玻璃坩堝50內(nèi)的硅的熔融液M的表面上、通過(guò)使石英玻璃i甘禍50旋轉(zhuǎn)、并且將該籽晶P —邊向相反方向旋轉(zhuǎn)一邊向 上方提拉、在籽晶P的下端形成單晶C的方法。該石英玻璃坩堝50隨著硅單晶C的培養(yǎng)，通過(guò)包圍周圍的加熱器52的熱、硅熔融液M的熱而軟化。因此，將石英玻璃坩堝50收容支承在石墨坩堝51內(nèi)。并且，如果硅單晶提拉結(jié)束，則將石英玻璃坩堝50及石墨坩堝51冷卻。此時(shí)，由于上述石墨坩堝51的熱膨脹系數(shù)比石英玻璃坩堝50大，所以如果將兩者在緊貼的狀態(tài)下冷卻，則有在石墨坩堝51上發(fā)生龜裂最終發(fā)生破裂的課題。對(duì)于這樣的課題，例如在特開(kāi)平11 - 60373號(hào)公報(bào)中，提出了代替以往的石墨坩堝51而使用由碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材(也稱作C/C材)構(gòu)成的坩堝(以下，稱作碳纖維坩堝)的技術(shù)。作為上述坩堝的C/C材的碳纖維，使用價(jià)格便宜、并且具有柔軟性、容易處置的PAN類的碳纖維。由該P(yáng)AN類的碳纖維構(gòu)成的C/C材的線熱膨脹系數(shù)比石墨材接近于石英玻璃坩堝的線熱膨脹系數(shù)、此外機(jī)械的強(qiáng)度比石墨材高，所以能夠抑制冷卻時(shí)的破裂的發(fā)生。但是，由該P(yáng)AN系的碳纖維構(gòu)成的C/C材的線熱膨脹系數(shù)雖然如上述那樣比石墨材接近于石英玻璃坩堝的線熱膨脹系數(shù)，但一般在高溫域比石英玻璃坩堝的線熱膨脹系數(shù)大，從常溫升溫到1000°c時(shí)的線熱膨脹系數(shù)為石英玻璃的2倍左右。因此，當(dāng)硅單晶提拉結(jié)束、將石英玻璃坩堝及碳纖維坩堝冷卻時(shí)，如果將兩者在緊貼的狀態(tài)下冷卻，則石英玻璃坩堝咬入(牢固地嵌合)到碳纖維坩堝中，有不能將石英坩堝從碳纖維坩堝拆下的課題。此外，為了將上述碳纖維坩堝再利用，需要將石英玻璃坩堝從碳纖維坩堝拆下，但由于如上述那樣石英玻璃坩堝咬入(牢固地嵌合)到碳纖維坩堝中，所以必須將石英坩堝破壞而將上述石英玻璃坩堝取出，有在將上述碳纖維坩堝再利用時(shí)花費(fèi)工夫的課題。進(jìn)而，C/C材的碳纖維如果在硅單晶提拉工序中接觸到氧化硅氣體，則硅化發(fā)展，該硅化部分的熱膨脹變得更大。結(jié)果，在將石英玻璃坩堝及碳纖維坩堝冷卻時(shí)，有通過(guò)石英玻璃坩堝與硅化部分的熱膨脹的差而在碳纖維坩堝上發(fā)生龜裂、破裂的課題。[0012]本申請(qǐng)人對(duì)于在將石英玻璃坩堝及碳纖維坩堝冷卻時(shí)、石英玻璃坩堝不會(huì)咬入到碳纖維坩堝中、此外能夠?qū)⑹⒉Ａй釄鍙奶祭w維坩堝容易地拆下、還能夠抑制硅化的碳纖維坩堝進(jìn)行了專心研究。并且，本申請(qǐng)人認(rèn)為，如果是具備由具有特定的物理性能的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材構(gòu)成的直體部的坩堝，則能夠抑制石英玻璃坩堝的咬入、能夠不將石英玻璃坩堝破壞而將石英玻璃坩堝從碳纖維坩堝容易地取出、還能夠抑制硅化，實(shí)現(xiàn)完成了本實(shí)用新型。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型是在上述那樣的情況下做出的，目的是提供一種能夠抑制冷卻時(shí)的石英玻璃坩堝的咬入、能夠不將石英玻璃坩堝破壞而將石英玻璃坩堝容易地拆下、還能夠抑制硅化的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝及在其中使用的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件。在為了解決上述課題而做出的有關(guān)本實(shí)用新型的在將收容熔融材料的石英玻璃坩堝支承、保持的坩堝中使用的、由碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部·件中，其特征在于，上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材是包括使用拉伸彈性率400GPa以上900GPa以下的浙青類碳纖維的碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材；并且，從常溫升溫到800°C時(shí)的周向的平均線熱膨脹系數(shù)是石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下。有關(guān)本實(shí)用新型的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件能夠在保持石英玻璃坩堝的坩堝的直體部中使用，在該碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件中，由包括使用拉伸彈性率400GPa以上900GPa以下的浙青類碳纖維的纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成。這樣將上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件用包括特定的浙青類碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成是為了使從常溫升溫到800°C時(shí)的平均線熱膨脹系數(shù)為石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下。另外，在將上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件用包括PAN類碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成、在坩堝的直體部中使用的情況下，難以與石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)大致相同、或者成為更小的平均線熱膨脹系數(shù)，是不優(yōu)選的。此外，在單晶提拉爐內(nèi)，產(chǎn)生的氧化硅氣體與上述坩堝化學(xué)反應(yīng)而使坩堝消耗。同時(shí)，使用PAN類碳纖維的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材料與使用浙青類碳纖維的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材料相比有容易與氧化硅氣體反應(yīng)的傾向，在這一點(diǎn)上也不優(yōu)選。在如上述那樣將碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件用在保持石英玻璃坩堝的坩堝的直體部中的情況下，由于碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件的平均線熱膨脹系數(shù)是從常溫升溫到800°C時(shí)的石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下，所以即使將石英玻璃坩堝及碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件在緊貼的狀態(tài)下冷卻，石英玻璃坩堝也不會(huì)咬入(牢固地嵌合)到上述圓筒部件(直體部)中，能夠?qū)⑹⒉Ａй釄鍙嫩釄迦菀椎厝〕?。此外，為了解決上述課題而做出的有關(guān)本實(shí)用新型的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，是為了將收容熔融材料的石英玻璃坩堝支承、保持而使用、具有底部和設(shè)在上述底部的上方的直體部的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，其特征在于，至少上述直體部由包括使用拉伸彈性率400GPa以上900GPa以下的浙青類碳纖維的碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成，并且從常溫升溫到800°C時(shí)的直體部的周向的平均線熱膨脹系數(shù)是石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下。[0021]在有關(guān)本實(shí)用新型的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝中，至少直體部由包括使用拉伸彈性率400GPa以上900GPa以下的浙青類碳纖維的纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成。這樣至少將直體部用包括特定的浙青類碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成是為了使從常溫升溫到800°C時(shí)的平均線熱膨脹系數(shù)成為石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下。另外，在將上述直體部用包括PAN類碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成的情況下，難以與石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)大致相同、或者成為更小的平均線熱膨脹系數(shù)，是不優(yōu)選的。此外，在單晶提拉爐內(nèi)，產(chǎn)生的氧化硅氣體與上述坩堝化學(xué)反應(yīng)而使坩堝消耗。同時(shí)，使用PAN類碳纖維的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材料與使用浙青類碳纖維的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材料相比有容易與氧化娃氣體反應(yīng)的傾向， 在這一點(diǎn)上也不優(yōu)選。如上所述，碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝的直體部是從常溫升溫到800°C時(shí)的石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下，所以即使將石英玻璃坩堝及碳纖維坩堝在緊貼的狀態(tài)下冷卻，石英玻璃坩堝也不會(huì)咬入(牢固地嵌合)到上述直體部中，能夠?qū)⑹⒉Ａй釄鍙奶祭w維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝容易地取出?？墒?，構(gòu)成為，使上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件的拉伸彈性率、碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝的直體部的拉伸彈性率為400 900GPa。在該直體部(碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件)的拉伸彈性率不到400GPa的情況下，碳纖維內(nèi)的石墨取向不發(fā)達(dá)，難以使從常溫升溫到800°C時(shí)的坩堝周向的平均線熱膨脹系數(shù)與石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)大致相同、或比其小，所以并不優(yōu)選。另一方面，如果直體部(碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件)的拉伸彈性率超過(guò)900GPa，則碳纖維變脆，在成形時(shí)在組織內(nèi)部碳纖維折斷，伴隨著組織破壞的機(jī)械的強(qiáng)度下降，所以不優(yōu)選。此外，優(yōu)選的是，坩堝的底部通過(guò)包括浙青類碳纖維布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材與直體部一體地形成，并且上述底部及直體部的從常溫升溫到800°C時(shí)的平均線熱膨脹系數(shù)是石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下，拉伸彈性率是400 900GPa。S卩，優(yōu)選的是不僅上述直體部、將上述底部也同樣形成，是由碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成的一體形狀的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝。另外，上述底部也可以由石墨材形成。此外，更優(yōu)選的是，上述坩堝的直體部(碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件)的周向上的平均線熱膨脹系數(shù)在從常溫升溫到800°C時(shí)是O. 5X10 —6/°C以下。此外，優(yōu)選的是，上述直體部(碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件)、上述底部的平均線熱膨脹系數(shù)在從室溫到400°C的范圍中是負(fù)的系數(shù)，在從室溫到400°C的范圍中熱收縮。這樣，如果上述直體部(碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件)、上述底部的平均線熱膨脹系數(shù)在從室溫到400°C的范圍中是負(fù)的系數(shù)，則在從室溫到400°C的范圍中熱收縮，所以在上述坩堝的內(nèi)表面與石英玻璃坩堝外表面之間發(fā)生空隙，能夠?qū)⑹⒉Ａй釄甯?jiǎn)單地拆下。此外，優(yōu)選的是，上述浙青類碳纖維紡織布的單位面積重量是200 600g/m2。這樣，在浙青類碳纖維紡織布的單位面積重量不到200g/m2的情況下，纖維間的間隙變大，促進(jìn)了基質(zhì)部的硅化，所以不優(yōu)選。另一方面，在浙青類碳纖維紡織布的單位面積重量超過(guò)600g/m2的情況下，碳纖維紡織布變厚，所以對(duì)應(yīng)于規(guī)定厚度的層疊片數(shù)減少，通過(guò)發(fā)生向?qū)盈B的碳纖維紡織布間的基質(zhì)部的應(yīng)力集中而強(qiáng)度下降，所以不優(yōu)選。此外，在為較厚的紡織布的情況下，纖維的曲率變大，在制造時(shí)或使用時(shí)纖維容易折斷，機(jī)械的強(qiáng)度下降，所以不優(yōu)選。此外，優(yōu)選的是，形成上述坩堝的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材料的體積密度是1.3g/cm3 1. 8g/cm3。在體積密度是1. 3g/cm3以下的情況下，由于組織較稀疏，所以氧化硅氣體侵入到組織內(nèi)部，促進(jìn)消耗，所以不優(yōu)選。另一方面，在體積密度是1. 8g/cm3以上的情況下，由于組織較致密，所以熱膨脹系數(shù)變高，難以使從室溫升溫到800°C時(shí)的平均線熱膨脹系數(shù)為石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下，所以不優(yōu)選。根據(jù)本實(shí)用新型，能夠得到冷卻時(shí)的石英玻璃坩堝的咬入被抑制、能夠不損壞石英玻璃坩堝而將石英玻璃坩堝容易地拆下、還能夠抑制硅化的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝及 在其中使用的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件。

圖1是在有關(guān)本實(shí)用新型的坩堝中使用的碳纖維紡織布的俯視圖。圖2是表示表示有關(guān)本實(shí)用新型的坩堝的實(shí)施方式的剖視圖。圖3是表示上述第I實(shí)施方式的變形例的剖視圖。圖4是在圖2、圖3所示的坩堝的直體部中使用的碳纖維紡織布的概念圖。圖5是用來(lái)說(shuō)明圖2、圖3所示的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材的直體部的制造工序的圖。圖6用來(lái)說(shuō)明圖2、圖3所示的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝的制造工序的圖。圖7是表示表示有關(guān)本實(shí)用新型的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝的第2實(shí)施方式的圖，是將底部表示在上方的立體圖。圖8是圖7所示的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝(包括成形用金屬模)的概略剖視圖。圖9是用來(lái)說(shuō)明圖7所示的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝的制造工序的圖。圖10是用來(lái)進(jìn)行在硅單晶提拉裝置中使用的坩堝的說(shuō)明的圖。
具體實(shí)施方式
以下，基于附圖對(duì)有關(guān)本實(shí)用新型的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。首先，基于圖1對(duì)在該坩堝的直體部(碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件)中使用的碳纖維紡織布進(jìn)行說(shuō)明。該碳纖維紡織布I是浙青類的碳纖維紡織布，是以直徑5 y m 20 y m的浙青類的碳纖維1000根 36000根為縱絲la、以直徑5 y m 20 y m的浙青類的碳纖維1000根 36000根為橫絲lb、交替地織成的碳纖維紡織布，其單位面積重量形成為200g/m2 600g/m2,厚度形成為0.1臟 0. 6臟。該浙青類的碳纖維紡織布通過(guò)一般的制法制作。首先，將精制的原料的浙青加熱而調(diào)整粘度及分子量以便能夠紡絲，然后，加熱而帶來(lái)流動(dòng)性，通過(guò)噴嘴，成形規(guī)定的直徑(例如，IOiim)的纖維。在此狀態(tài)下，實(shí)施附加氧的不熔化處理，通過(guò)在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行碳化處理，能夠制造浙青類碳纖維。并且，如上述那樣編織縱絲及橫絲，形成圖1所示那樣的浙青類的碳纖維紡織布。作為該浙青類的碳纖維，例如可以使用日本7 9 7 r 4卜7 r 4 〃'一公司制的商品名XN — 80。一般而言，該浙青類的碳纖維紡織布的線熱膨脹系數(shù)在常溫下是一 1.5X10 —7°C，此外，拉伸彈性率是780GPa。接著，基于圖2對(duì)有關(guān)本實(shí)用新型的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝10的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。該坩堝10例如是在提拉半導(dǎo)體材料等單晶的單晶提拉裝置(未圖示)中、為了將收容硅熔融液的石英玻璃坩堝支承、保持而使用的坩堝。該坩堝10具有圓筒狀的直體部11和底部12，上述直體部11安裝在上述底部12 的上表面上。此外，接觸在上述直體部11的下部?jī)?nèi)周面和上述底部12的內(nèi)周緣上而設(shè)有環(huán)狀的襯墊13。該底部12及襯墊13與以往同樣由石墨材形成，直體部11由浙青類的碳纖維紡織布形成。在這樣該底部12及襯墊13與以往同樣由石墨材形成的情況下，由于熱膨脹系數(shù)比碳纖維強(qiáng)化碳材料大，所以在冷卻時(shí)不會(huì)咬入到直體部端部中，能夠拆下，是優(yōu)選的。另外，如圖3所示，也可以為將底部及襯墊通過(guò)石墨材一體化的底部12。此外，也可以將底部12及襯墊13通過(guò)碳纖維強(qiáng)化碳材料、特別是浙青類的碳纖維強(qiáng)化碳材料形成。此外,也可以為將底部及襯墊通過(guò)碳纖維強(qiáng)化碳材料一體化的底部12。此外，圖2所示的坩堝10的直體部11的下部外周面嵌合在上述底部12的立起部12a的內(nèi)周上,上述直體部11固定在上述底部12上。相對(duì)于此,也可以如圖3所示那樣、坩堝10的直體部11的下部?jī)?nèi)周面嵌合在上述底部12的立起部12a的外周上、上述直體部11固定在上述底部12上。此外，上述直體部11的上部端部的內(nèi)周側(cè)優(yōu)選的是進(jìn)行R倒角(倒角為曲面形狀)、或者進(jìn)行C倒角(角去除)。在這樣將上述直體部11的上部端部的內(nèi)周側(cè)R倒角(倒角為曲面形狀)、或者C倒角(角去除)的情況下，即使在萬(wàn)一石英玻璃坩堝咬入到坩堝中、將石英玻璃坩堝破壞的情況下，也能夠抑制直體部11的上部端部的內(nèi)周側(cè)的裂紋或缺口等，能夠?qū)⒅斌w部11供再利用。該碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝10將多片上述碳纖維紡織布I擔(dān)持熱硬化性樹(shù)脂與碳粉(例如石墨粉)的混合粘接劑(未圖不)而貼合、然后通過(guò)實(shí)施熱硬化、碳化、石墨化及聞純度化處理而形成。具體而言，將圖4所示的片狀的碳纖維紡織布I在圖5所示那樣的坩堝成型用金屬模14上貼合為多層，實(shí)施熱硬化、碳化、石墨化及高純度化處理而形成。關(guān)于具體的制造方法在后面敘述。該碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝10的直體部11的拉伸彈性率構(gòu)成為400 900GPa。在該直體部11的拉伸彈性率不到400GPa的情況下，碳纖維內(nèi)的石墨取向不發(fā)達(dá)，難以使從常溫升溫到800°C時(shí)的坩堝周向的線熱膨脹系數(shù)比石英玻璃的線熱膨脹系數(shù)小，所以并不優(yōu)選。[0066]當(dāng)石英玻璃坩堝升溫時(shí)，通過(guò)石英玻璃的軟化，沿著坩堝10的內(nèi)徑發(fā)生變形，所以如果考慮向坩堝10的周向發(fā)生的拉伸應(yīng)力，則該直體部11的拉伸彈性率優(yōu)選的是400GPa 以上。另一方面，如果上述直體部的拉伸彈性率超過(guò)900GPa，則碳纖維變脆，在成形時(shí)在組織內(nèi)部碳纖維折斷，伴隨著組織破壞的機(jī)械的強(qiáng)度下降，所以并不優(yōu)選?；诟綀D對(duì)該碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝(碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件)的制造方法的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。首先，如圖5所示那樣準(zhǔn)備坩堝成型用金屬模14，在該金屬模直體部14a上卷繞擔(dān)持有熱硬化性樹(shù)脂(例如，酚醛樹(shù)脂)與碳粉(例如，石墨粉)的混合粘接劑(未圖示)的碳纖維紡織布I (圖6的步驟SI)。此外，碳纖維紡織布I的碳纖維的軸線方向(縱絲la、橫絲Ib的軸線方向)為與相
對(duì)于坩堝周向T平行方向直交的方向(坩堝的軸線方向)。此時(shí)，碳纖維紡織布I在與圖5中用箭頭表示的坩堝周向T平行方向上不伸長(zhǎng)，此外在與坩堝周向T正交方向(坩堝的軸線方向)上也不伸長(zhǎng)，但該金屬模直體部14a的直徑不變化，所以能夠在金屬模直體部14a上不折皺而粘貼碳纖維紡織布I。另外，反復(fù)多次進(jìn)行碳纖維紡織布I的粘貼工序，層疊為規(guī)定的厚度(圖6的步驟S2)。此時(shí)，既可以將短條的碳纖維紡織布I使用多片多次卷繞到金屬模直體部14a上而形成，或者也可以將一片長(zhǎng)條的碳纖維紡織布I多次卷繞到金屬模直體部14a上而形成。如果這樣的碳纖維紡織布I的粘貼(層疊)全部結(jié)束，則將最內(nèi)層的碳纖維紡織布I的下端部(在坩堝使用時(shí)是上端部)向外周方向彎折、粘貼以使其覆蓋坩堝端部，進(jìn)行端部成形處理(圖6的步驟S3)。為了進(jìn)行該端部處理，將最內(nèi)層的碳纖維紡織布I預(yù)先形成為比其他層的碳纖維紡織布I的下端部向下方長(zhǎng)。這樣，如果得到坩堝型的預(yù)成形坯，則在粘貼在坩堝成型用金屬模14的周圍上的狀態(tài)下配置在真空爐內(nèi)，在100°C 300°C的溫度下進(jìn)行熱硬化(圖6的步驟S4)。接著，將坩堝成型用金屬模14拆下(圖6的步驟S5)，將得到的成型體在惰性氣體環(huán)境中在約1000°c的溫度下進(jìn)行碳化處理(圖6的步驟S6)，然后，根據(jù)需要而含浸酚醛樹(shù)脂或焦油浙青等，再次進(jìn)行碳化處理。在碳化處理后，在2000°C以上的溫度下加熱，進(jìn)行石墨化處理(圖6的步驟S7)。并且，將通過(guò)石墨化得到的坩堝通常從1500°C加熱到2500°C的溫度，實(shí)施高純度化處理，制造由碳纖維構(gòu)成的圓筒狀的直體部11。即，制造在坩堝10中使用的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件。該圓筒狀的直體部(碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件)11安裝在由石墨構(gòu)成的底部上，成為包括浙青類的碳纖維紡織布的坩堝10。另外，底部12、襯墊13通過(guò)以往的制法由石墨材形成。這樣形成的上述直體部的周向的平均線熱膨脹系數(shù)、上述底部的周向、徑向的平均線熱膨脹系數(shù)在從室溫升溫到800°C時(shí)是0. 5 X 10 — 6/°C以下。特別是，在從室溫到400°C的范圍中是0. 0X10 —6/°C以下，在從室溫到400°C的范圍中熱收縮。S卩，在從400°C冷卻到室溫時(shí)膨脹。[0081]另一方面，構(gòu)成上述石英玻璃坩堝的石英玻璃的從常溫到800°C的平均線熱膨脹系數(shù)是O. 5 X 10 — V0C O. 6 X 10 — V0C，在上述溫度域中大致是一定，上述直體部、上述底部的平均線熱膨脹系數(shù)具有與石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)近似或其以下的值。這樣，坩堝的直體部由具有與石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)近似或其以下的較小的熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成，所以在將石英玻璃坩堝及碳纖維坩堝冷卻時(shí)，即使是將兩者在緊貼的狀態(tài)下冷卻的情況，石英玻璃坩堝也不會(huì)咬入(牢固地嵌合)到上述直體部中，能夠?qū)⑹⒉Ａй釄鍙奶祭w維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝容易地取出。特別是，如果上述直體部、上述底部的平均線熱膨脹系數(shù)在從室溫到400°C的范圍中是負(fù)的值、即不到O. 0X10 —6/°C，則在從400°C到室溫的冷卻過(guò)程中，碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝膨脹，所以在與石英玻璃坩堝之間發(fā)生空隙，能夠更簡(jiǎn)單地拆下。另外，上述浙青類碳纖維紡織布的單位面積重量?jī)?yōu)選的是200 600g/m2。在這樣浙青類碳纖維紡織布的單位面積重量不到200g/m2的情況下，纖維間的間隙變大，促進(jìn)基質(zhì)部的硅化，所以不優(yōu)選。另一方面，在浙青類碳纖維紡織布的單位面積重量超過(guò)600g/m2的情況下，碳纖維紡織布變厚，所以對(duì)應(yīng)于規(guī)定厚度的層疊片數(shù)減少，通過(guò)發(fā)生向?qū)盈B的碳纖維紡織布間的基質(zhì)部的應(yīng)力集中而強(qiáng)度下降，所以并不優(yōu)選。此外，在為較厚的紡織布的情況下，纖維的曲率變大，在制造時(shí)或使用時(shí)纖維容易折斷，機(jī)械的強(qiáng)度下降，所以不優(yōu)選。此外,上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材料優(yōu)選的是體積密度為1. 3g/cm3 1. 8g/cm3。在體積密度是1. 3g/cm3以下的情況下，由于組織較稀疏，所以氧化硅氣體侵入到組織內(nèi)部，促進(jìn)消耗，所以并不優(yōu)選。另一方面，在體積密度是1. 8g/cm3以上的情況下，由于組織較致密，所以熱膨脹系數(shù)變高，難以使從室溫升溫到800°C時(shí)的平均線熱膨脹系數(shù)成為石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下，所以并不優(yōu)選。接著，基于圖7說(shuō)明碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝的第2實(shí)施方式。該第2實(shí)施方式使用與第I實(shí)施方式相同的浙青類的碳纖維紡織布形成為將直體部21與底部22 —體化的坩堝20。另外，在第2實(shí)施方式中，將第I實(shí)施方式的襯墊13省略。關(guān)于圖7所示的碳纖維坩堝20，基于圖4、圖5、圖7 圖9對(duì)制造工序進(jìn)行說(shuō)明。另外，第2實(shí)施方式的碳纖維坩堝20和第I實(shí)施方式的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝10基本上通過(guò)相同的制造工序制造，所以根據(jù)需要而使用第I實(shí)施方式的圖進(jìn)行說(shuō)明。首先，如圖5所示，準(zhǔn)備坩堝成型用金屬模14，在該金屬模直體部14a上卷繞擔(dān)持有熱硬化性樹(shù)脂(例如，酚醛樹(shù)脂)與碳粉(例如，石墨粉)的混合粘接劑(未圖示)的圖4所示的碳纖維紡織布I (圖9的步驟SI)。此外，碳纖維紡織布I的碳纖維的軸線方向(縱絲la、橫絲Ib的軸線方向)為與相對(duì)于坩堝周向T平行方向正交的方向(坩堝的軸線方向)。此時(shí)，碳纖維紡織布I在與圖5中用箭頭表示的坩堝周向T平行方向上不伸長(zhǎng)，此外在與坩堝周向T正交方向(坩堝的軸線方向)上也不伸長(zhǎng)，但由于該金屬模直體部14a的直徑不變化，所以能夠在金屬模直體部14a上沒(méi)有折皺地粘貼碳纖維紡織布I。在第2實(shí)施方式中，如圖8所示，在坩堝成 型用金屬模14的底部14b上擔(dān)持上述混合粘接劑，將圓形的碳纖維紡織布2粘貼覆蓋，形成底部(圖9的步驟S2)。該圓形的碳纖維紡織布2是將碳纖維紡織布I的外形做成圓形形狀的結(jié)構(gòu)。并且，進(jìn)行粘貼，以使得形成碳纖維坩堝20的直體部21的碳纖維紡織布I與形成底部22的碳纖維紡織布2的邊界部分不重疊、此外不發(fā)生間隙。在該圓形的碳纖維紡織布2的粘貼中，能夠一邊將碳纖維紡織布2在與碳纖維的軸線方向等不同的方向上拉伸一邊粘貼。由此，彎曲后的部分也不折皺而粘貼。并且，從粘貼的碳纖維紡織布1、2的上方擔(dān)持上述混合粘接劑，如圖8所示那樣粘貼碳纖維紡織布3，以使其將由碳纖維紡織布I形成的直體部21 (成形模14的直體部14a)和由碳纖維紡織布2形成的彎曲部覆蓋(圖9的步驟S3)。此時(shí)，使碳纖維紡織布3的碳纖維的軸線方向相對(duì)于坩堝周向T傾斜。將這樣的碳纖維紡織布1、2、3的粘貼工序如圖8的剖視圖所示那樣反復(fù)進(jìn)行多次(在圖8中是3次)，層疊為規(guī)定的厚度(圖9的步驟S4)。如果碳纖維紡織布1、2、3的粘貼(層疊)全部結(jié)束，則將最內(nèi)層的碳纖維紡織布I的下端部IA (在坩堝使用時(shí)是上端部)向圖8所示的箭頭方向彎折，進(jìn)行粘貼以使其覆蓋坩堝端部，進(jìn)行端部成形處理(圖9的步驟 S5)。這樣，如果得到坩堝型的預(yù)成形坯，則在粘貼在坩堝成型用金屬模14的周圍的狀態(tài)下配置在真空爐內(nèi)，在100°C 300°C的溫度下進(jìn)行熱硬化(圖9的步驟S6)。接著，將坩堝成型用金屬模14拆下(圖9的步驟S7)，將得到的成型體在惰性氣體環(huán)境中在約1000°c的溫度下進(jìn)行碳化處理(圖9的步驟S8)，然后，根據(jù)需要而含浸酚醛樹(shù)脂或焦油浙青等，再次進(jìn)行碳化處理。在碳化處理后，在2000°C以上的溫度下加熱，進(jìn)行石墨化處理(圖9的步驟S9)。并且，將通過(guò)石墨化得到的坩堝通常從1500°C加熱到2500°C的溫度，實(shí)施高純度化處理，得到包括浙青類的碳纖維紡織布的碳纖維坩堝20 (圖9的步驟S10)。這樣形成的上述直體部的周向的平均線熱膨脹系數(shù)、上述底部的周向、徑向的平均線熱膨脹系數(shù)在從室溫升溫到800°c時(shí)是0. 5 X 10 — 6/°C以下。特別是，在從室溫到400°C的范圍中是0. 0X10 —6/°C以下，在從室溫到400°C的范圍中熱收縮。S卩，在從400°C冷卻到室溫時(shí)膨脹。另一方面，構(gòu)成上述石英玻璃坩堝的石英玻璃的從常溫到800°C的平均線熱膨脹系數(shù)是0. 5 X 10 — V0C 0. 6 X 10 — 6/°C、在上述溫度域中大致是一定，上述直體部、上述底部的平均線熱膨脹系數(shù)具有與石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)近似或其以下的值。這樣，坩堝的直體部由具有與石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)近似或其以下的較小的熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成，所以在將石英玻璃坩堝及碳纖維坩堝冷卻時(shí)，即使是兩者在緊貼的狀態(tài)下冷卻的情況，石英玻璃坩堝也不會(huì)咬入(牢固地嵌合)到上述直體部中，能夠?qū)⑹⒉Ａй釄鍙奶祭w維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝容易地取出。特別是，如果上述直體部、上述底部的平均線熱膨脹系數(shù)在從室溫到400°C的范圍中是負(fù)的值、即不到0.0X10 —6/°C，則在從400°C到室溫的冷卻過(guò)程中，碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝膨脹，所以在與石英玻璃坩堝之間發(fā)生空隙，能夠更簡(jiǎn)單地拆下。另外，在第2實(shí)施方式中，也與第I實(shí)施方式同樣，上述浙青類碳纖維紡織布的單位面積重量?jī)?yōu)選的是200 600g/m2。此外，上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材料優(yōu)選的是體積密度為1. 3g/cm3 1. 8g/cm3。[0106][實(shí)施例1]從市場(chǎng)上出售的拉伸彈性率780GPa的浙青類碳纖維織造單位面積重量為400g/m2的碳纖維紡織布，在其上擔(dān)持石墨粉與酚醛樹(shù)脂的混合粘接劑而得到預(yù)成型料。將其通過(guò)粘貼層疊到Φ 500mm的圓筒形狀的金屬模上，在150°C下硬化，得到了圓筒形狀的成型體。將其填埋到碳粉內(nèi)，在約1000°C下燒成后，在2100°C下進(jìn)行2次燒成及高純度化處理。得到的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材圓筒的體積密度是1. 55g/cm3，從室溫升溫到800°C時(shí)的平均線熱膨脹系數(shù)是0.31X10 — 7°C。將得到的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材圓筒安裝到由石墨材構(gòu)成的承接皿上，做成坩堝。在這些碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝中放入裝滿多晶硅的石英玻璃坩堝，在1550°C下進(jìn)行5小時(shí)熱處理而逐漸冷卻，確認(rèn)與石英玻璃坩堝的嵌合的狀態(tài)。結(jié)果，能夠?qū)⑹⒉Ａй釄灞容^ 容易地拆下。[實(shí)施例2]從市場(chǎng)上出售的拉伸彈性率780GPa的浙青類碳纖維織造單位面積重量為400g/m2的碳纖維紡織布，在其上擔(dān)持石墨粉與酚醛樹(shù)脂的混合粘接劑，得到預(yù)成型料。將其通過(guò)粘貼層疊到Φ 500mm的圓筒形狀的金屬模上，在150°C下硬化，得到圓筒形狀的成型體。將其填埋到碳粉內(nèi)，在約1000V下燒成，含浸酚醛樹(shù)脂而再次燒成后，在2100°C下進(jìn)行2次燒成及高純度化處理。得到的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材圓筒的體積密度是1. 55g/cm3，從室溫升溫到800°C時(shí)的平均線熱膨脹系數(shù)是O. 49 X 10 — 7°C。將得到的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材圓筒安裝到由石墨材構(gòu)成的承接皿上，做成坩堝。在這些碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝中放入裝滿多晶硅的石英玻璃坩堝，在1550°C下進(jìn)行5小時(shí)熱處理而逐漸冷卻，確認(rèn)與石英玻璃坩堝的嵌合的狀態(tài)。結(jié)果，能夠?qū)⑹⒉Ａй釄灞容^容易地拆下。[比較例I]除了使用的碳纖維是市場(chǎng)上出售的拉伸彈性率240GPa的PAN類碳纖維以外，都與實(shí)施例1同樣，得到碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材圓筒。體積密度是1. 44g/cm3,從室溫升溫到800°C時(shí)的平均線熱膨脹系數(shù)是O. 81 X 10 — 7°C。與實(shí)施例1同樣，將得到的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材圓筒安裝到由石墨材構(gòu)成的承接皿上，做成坩堝。在這些碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝中放入裝滿多晶硅的石英玻璃坩堝，在1550°C下進(jìn)行5小時(shí)熱處理而逐漸冷卻，確認(rèn)與石英玻璃坩堝的嵌合的狀態(tài)。結(jié)果，在上述圓筒中，石英坩堝咬入，較難拆下，如果想要拆下，則在碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材圓筒上發(fā)生缺口或裂紋而破損。附圖標(biāo)記說(shuō)明I (浙青類)碳纖維紡織布2 (浙青類)碳纖維紡織布(圓形碳纖維紡織布)3 (浙青類)碳纖維紡織布10浙青類碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝(碳纖維坩堝)11直體部(圓筒部件)12 底部14坩堝成型用金屬模[0124]20浙青類碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝(碳纖維坩堝)21直體部22 底部。
權(quán)利要求1.一種碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件，是在將收容熔融材料的石英玻璃坩堝支承、保持的坩堝中使用的、由碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件，其特征在于， 上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材是包括使用拉伸彈性率400GPa以上900GPa以下的浙青類碳纖維的碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材； 并且，從常溫升溫到800°C時(shí)的周向的平均線熱膨脹系數(shù)是石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下。
2.如權(quán)利要求1所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件，其特征在于，上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材的從常溫升溫到800°C時(shí)的周向的平均線熱膨脹系數(shù)是0. 5X 10 —6/°C以下。
3.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件，其特征在于，上述平均線熱膨脹系數(shù)在從室溫到400°C的范圍中是負(fù)的系數(shù)，上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材在從400°C到室溫的冷卻過(guò)程中熱膨脹。
4.如權(quán)利要求1所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件，其特征在于，上述浙青類碳纖維紡織布的單位面積重量是200 600g/m2。
5.如權(quán)利要求1所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件，其特征在于，碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材的體積密度是1. 3g/cm3以上1. 8g/cm3以下。
6.一種碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，是為了將收容熔融材料的石英玻璃坩堝支承、保持而使用、具有底部和設(shè)在上述底部的上方的直體部的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，其特征在于， 至少上述直體部由包括使用拉伸彈性率400GPa以上900GPa以下的浙青類碳纖維的碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成，并且從常溫升溫到800°C時(shí)的直體部的周向的平均線熱膨脹系數(shù)是石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下。
7.如權(quán)利要求6所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，其特征在于，上述底部通過(guò)包括使用拉伸彈性率400GPa以上900GPa以下的浙青類碳纖維的碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材與直體部一體地形成，并且從常溫升溫到800°C時(shí)的上述底部及直體部的周向的平均線熱膨脹系數(shù)是石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下。
8.如權(quán)利要求6所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，其特征在于，上述底部由石墨材形成。
9.如權(quán)利要求6或7所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，其特征在于，上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材的從常溫升溫到800°C時(shí)的周向的平均線熱膨脹系數(shù)是0. 5X 10 —6/°C以下。
10.如權(quán)利要求6或7所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，其特征在于，上述直體部、上述底部的平均線熱膨脹系數(shù)在從室溫到400°C的范圍中是負(fù)的系數(shù)，上述碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材在從400°C到室溫的冷卻過(guò)程中熱膨脹。
11.如權(quán)利要求6或7所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，其特征在于，上述浙青類碳纖維紡織布的單位面積重量是200 600g/m2。
12.如權(quán)利要求6或7所述的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，其特征在于，碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材的體積密度是1. 3g/cm3以上1. 8g/cm3以下。
專利摘要提供一種能夠抑制冷卻時(shí)的石英玻璃坩堝的咬入、能夠不將石英玻璃坩堝破壞而將石英玻璃坩堝容易地拆下、還能夠抑制硅化的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合圓筒部件及碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝。一種為了將收容熔融材料的石英玻璃坩堝支承、保持而使用的、具有底部和設(shè)在上述底部的上方的直體部的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材坩堝，其特征在于，上述底部由石墨材形成，并且，上述直體部由包括使用拉伸彈性率400GPa以上900GPa以下的瀝青類碳纖維的碳纖維紡織布的碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材形成，并且從常溫升溫到800℃時(shí)的直體部的周向的平均線熱膨脹系數(shù)是石英玻璃的平均線熱膨脹系數(shù)以下。
文檔編號(hào)C30B15/10GK202830218SQ201220224890
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者津島榮樹(shù), 吉光大志, 森隆員 申請(qǐng)人:科發(fā)倫材料株式會(huì)社