本發(fā)明屬于陶瓷制備領(lǐng)域，具體涉及一種均相的熔融石英坩堝的制備方法。
背景技術(shù)：
熔融石英陶瓷是一種以熔融石英為原料，采用陶瓷生產(chǎn)工藝制備的熔融石英材料，其生產(chǎn)過(guò)程包括制漿、成型、生坯干燥、燒結(jié)、加工等過(guò)程。除了保留有石英玻璃制品本身的優(yōu)良性質(zhì)以外，熔融石英陶瓷還具有其他許多優(yōu)良的性能，如生產(chǎn)成本低、導(dǎo)熱性差等，因此，熔融石英陶瓷問(wèn)世以來(lái)迅速得到推廣應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到冶金、化工、電工、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。
熔融石英坩堝是熔融石英陶瓷的一種，廣泛應(yīng)用于如太陽(yáng)能光伏行業(yè)的多晶硅鑄錠技術(shù)中。在多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中，熔融石英坩堝所處的使用環(huán)境非?？量?，往往要在連續(xù)工作數(shù)十小時(shí)的情況下同時(shí)承受高溫，因此熔融石英坩堝的原料純度和各項(xiàng)性能備受關(guān)注，而且要求頗高。目前熔融石英坩堝的發(fā)展趨勢(shì)是大尺寸、薄壁，就更加加大了熔融石英坩堝加工的難度，而最難點(diǎn)即在于如何在制備過(guò)程中使熔融石英坩堝原料均勻，形成均相制品。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
石英陶瓷的熱膨脹系數(shù)小、具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱系數(shù)低、在干燥及燒成時(shí)收縮小、在高溫下會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變由無(wú)定形態(tài)熔融石英轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)方石英，大多數(shù)物質(zhì)的存在會(huì)促進(jìn)熔融石英的析晶。由石英陶瓷的性質(zhì)可看出，在制備熔融石英坩堝的工藝中，需要嚴(yán)格控制原料來(lái)源、原料選擇、添加劑選擇和加工步驟以達(dá)到形成優(yōu)質(zhì)石英坩堝的目的，從而減少如微觀相不均勻、燒制過(guò)程溫度導(dǎo)致析晶等造成的宏觀缺陷。
本發(fā)明中提供了制備一種新型熔融石英坩堝的方法，從制備漿料入手，嚴(yán)格控制每一項(xiàng)工藝的參數(shù)，以達(dá)到制備微觀相均勻的、強(qiáng)度好的石英坩堝的目的。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下步驟予以實(shí)現(xiàn)：
本發(fā)明提供的一種新型熔融石英坩堝的制備方法，包括如下步驟：
A、制備料漿：將粒徑為150-200μm的SiO2粉體、氧化鋯研磨球、去離子水以質(zhì)量比1:2.8:0.5放置于球磨罐中，在800-850r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行初次球磨，研磨時(shí)間為6-14h；研磨完畢后，在球磨罐中加入占SiO2粉體質(zhì)量為0.55-0.72%的乳酸、0.1-0.15%酒石酸、0.1-0.2%碳酸氫三鈉，然后在500-550r/min轉(zhuǎn)速下繼續(xù)研磨2-3h，研磨結(jié)束后，將過(guò)濾得到的料漿用去離子水定容，制成固含量為70-78vol%的料漿，即為所需料漿；
B、振動(dòng)注漿成型：將步驟A中制得的料漿倒入石膏模具中，將模具固定在振動(dòng)儀中震蕩20-30min，脫模得到生坯；
C、干燥：將步驟B中的生坯在室溫空氣中干燥30-40h，其中室溫不超過(guò)30℃，空氣濕度不超過(guò)60%；然后再將生坯放置于鼓風(fēng)干燥箱中，在60-75℃條件下干燥30-48h；
D、燒成：將步驟C中干燥完畢的生坯在高溫爐中以1175-1200℃溫度燒制成型，保溫時(shí)間為2.5-4h，即制成所需熔融石英坩堝。
低粘度、高固相含量，并且具有較好的穩(wěn)定性和分散性的石英漿料是制備高質(zhì)量石英坯體的關(guān)鍵。影響石英漿料流變性的因素非常多，主要包括適應(yīng)顆粒的大小及分布、固相含量、pH值、分散劑的種類及加入量等。對(duì)于同一種材料而言，制備工藝不同，顆粒的表面行為及在液體介質(zhì)中的分散情況也不相同，因此漿料的流變性也存在差異。本發(fā)明的技術(shù)方案中，從制備漿料著手，選擇150-200μm的SiO2粉體作為原料，通過(guò)控制氧化鋯研磨球和水的質(zhì)量進(jìn)行控制研磨過(guò)程，通過(guò)控制研磨時(shí)間和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制最終研磨出的粉體粒度分布。本發(fā)明中采用的研磨方法為濕法研磨SiO2粉體，在研磨進(jìn)行到一定程度后，加入乳酸、酒石酸、碳酸氫三鈉進(jìn)行二次研磨，從而得到分散的高固含量的料漿。
濕法研磨是一種傳統(tǒng)的研磨方法，在本發(fā)明中可有助于形成表面水合狀態(tài)佳的SiO2粉體，但是傳統(tǒng)的濕法研磨容易導(dǎo)致顆粒之間發(fā)生粘連。尤其熔融石英粉體是一種憎液物質(zhì)，在水中不易分散，為了使粉料形成料漿就必然需要大量的水，然而制備均相坯體要求料漿的固含量必須呈現(xiàn)高水平，因此必須添加一些藥劑保證料漿的流動(dòng)性。乳酸的加入可以使SiO2粉體顆粒的表面張力降低，潤(rùn)濕性提高，從而改善料漿的流動(dòng)性。酒石酸可吸附于SiO2粉體顆粒表面，減弱體系內(nèi)離子之間的吸引力，提升排斥力位能，使高固相料漿中含有足夠的自由水，從而保持料漿具有良好的流動(dòng)性。乳酸、酒石酸、碳酸氫三鈉作為分散劑和pH調(diào)節(jié)劑配合使用，控制其添加量不會(huì)對(duì)燒結(jié)性能產(chǎn)生影響，同時(shí)能夠有效改善SiO2粉體顆粒表面的潤(rùn)濕性，提升料漿的穩(wěn)定性。
進(jìn)一步地，步驟A初次球磨過(guò)程中，SiO2粉體中還加入占其質(zhì)量百分比為0.35-0.65%的Si3N4粉體。
熔融石英粉體中加入Si3N4粉體可明顯抑制方石英晶體的析出，具體是因?yàn)镾i3N4粉體可減少SiO2粉體顆粒間的自由表面，降低其與氧的結(jié)合能力。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用添加占SiO2粉體顆粒質(zhì)量百分比為0.35-0.65%的50-80μm的Si3N4粉體最佳。
進(jìn)一步優(yōu)選原料，步驟A中SiO2粉體純度大于99.99wt%。
進(jìn)一步優(yōu)選，步驟A中加入的乳酸占SiO2粉體質(zhì)量0.62-0.68%。
因還未研磨號(hào)的料漿中水分含量低，為避免溶解不完全以及分散不均勻，步驟A中加入乳酸、酒石酸、碳酸氫三鈉的方法為將三種藥品分別溶于水以后以液態(tài)依次順序加入。
進(jìn)一步地，步驟A中球磨過(guò)程使用的是行星式球磨機(jī)。
再進(jìn)一步地，步驟D中燒成所采用的高溫爐為馬弗爐、真空爐或者氣氛爐。
步驟D中燒制成型步驟具體為：以3-5℃/min由室溫升至700℃，保溫20min后，再以6-8℃/min升至1175-1200℃，保溫后隨爐冷卻。
熔融石英坩堝的燒結(jié)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，溫度控制非常重要，溫度過(guò)低無(wú)法保證石英坩堝的燒結(jié)，造成產(chǎn)品密度低、強(qiáng)度差，而燒結(jié)溫度過(guò)高會(huì)造成方石英析出量多，在石英坩堝內(nèi)部產(chǎn)生多點(diǎn)膨脹點(diǎn)（方石英相轉(zhuǎn)變引起體積膨脹），導(dǎo)致坩堝內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力增加，降低坩堝制品強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明中提供的燒制方法進(jìn)行加工，可有效減少燒制成型步驟中方石英發(fā)生相轉(zhuǎn)變，同時(shí)保溫后在升溫的工藝過(guò)程可控制石英晶粒大小，使制備出的坩堝微觀晶粒小且均勻。
本發(fā)明具有如下有益效果：
1、本發(fā)明中提供了一種新型熔融石英坩堝的制備方法，從制備漿料入手，嚴(yán)格控制每一項(xiàng)工藝的參數(shù)，以達(dá)到制備一種微觀相均勻的高強(qiáng)度的熔融石英坩堝的目的。
2、本發(fā)明中采用濕法球磨高純SiO2粉體原料，同時(shí)添加乳酸、酒石酸、碳酸氫三鈉作為分散劑和pH調(diào)節(jié)劑配合使用，控制其添加量不會(huì)對(duì)燒結(jié)性能產(chǎn)生影響，同時(shí)能夠有效改善SiO2粉體顆粒表面的潤(rùn)濕性，提升料漿的穩(wěn)定性。
3、本發(fā)明中提供的熔融石英坩堝的燒制過(guò)程嚴(yán)格控制溫度和升溫工藝，可有效減少燒制成型步驟中方石英發(fā)生相轉(zhuǎn)變，同時(shí)保溫后在升溫的工藝過(guò)程可控制石英晶粒大小，使制備出的坩堝微觀晶粒小且均勻。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的描述。
1、熔融石英坩堝料漿的制備
選擇純度大于99.99wt%的SiO2粉體作為原料，將粒徑為160μm的SiO2粉體、氧化鋯研磨球、去離子水以質(zhì)量比1:2.8:0.5放置于球磨罐中，在820r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行初次球磨，研磨時(shí)間為12h；研磨完畢后，在球磨罐中依次加入溶有乳酸、酒石酸、碳酸氫三鈉的水溶液，然后在550r/min轉(zhuǎn)速下繼續(xù)研磨3h，研磨結(jié)束后，將過(guò)濾得到的料漿用去離子水定容，制成固含量為75vol%的料漿，即為所需料漿。乳酸、酒石酸、碳酸氫三鈉添加量占SiO2粉體質(zhì)量的百分比如下表所示。
在制備實(shí)施例的同時(shí)，制備對(duì)比例：在添加SiO2粉體原料的同時(shí)加入占SiO2粉體質(zhì)量百分比為0.5%的Si3N4粉體，且Si3N4粉體粒徑為55μm，其他工藝條件相同，記為對(duì)比例1-9。
2、振動(dòng)注漿成型
該步驟中采用現(xiàn)有技術(shù)中常用的陶瓷振動(dòng)注漿成型技術(shù)。
將步驟1中制得的料漿倒入石膏模具中，將模具固定在振動(dòng)儀中震蕩30min，脫模得到生坯。
3、干燥
將步驟2中的生坯在室溫空氣中干燥40h，其中室溫不超過(guò)30℃，空氣濕度不超過(guò)60%；然后再將生坯放置于鼓風(fēng)干燥箱中，在70℃條件下干燥48h。
4、燒制成型
將步驟3中干燥完畢的生坯在高溫爐中以1190℃溫度燒制成型，保溫時(shí)間為3h，即制成所需熔融石英坩堝。燒制成型步驟具體為：以4℃/min由室溫升至700℃，保溫20min后，再以6℃/min升至1190℃，保溫后隨爐冷卻。
冷卻后得到制備好的熔融石英坩堝，觀察植被得到的坩堝外觀以及物理性質(zhì)，實(shí)施例序號(hào)中4-8號(hào)坩堝表面狀況最佳，最為平整致密，微觀相均勻；對(duì)比例中，則是3-8號(hào)表面狀況最佳，表面無(wú)任何鼓起或者孔洞。對(duì)比例中制備出的坩堝比實(shí)施例略高，序號(hào)為6-8的對(duì)比例坩堝表面平整度和光滑程度可明顯觀察到比實(shí)施例6-8更佳。對(duì)比市售的普通石英坩堝，本實(shí)施例和對(duì)比例中制備的融石英坩堝表面平整度高、光滑程度高。
最后需要說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換。