碳/碳复合材料保温筒制造技术

本实用新型专利技术公开了一种碳/碳复合材料保温筒，它包括筒体，其特征是所述的筒体为三明治结构，即由内层（1）、中间层（2）和外层（3）组成，厚度为1.05mm～450mm，所述内层（1）、中间层（2）和外层（3）均由碳/碳复合材料制备，内层（1）、外层（3）的厚度为0.45mm～105mm，表观密度为0.8g/cm3～1.7g/cm3，中间层（2）的厚度为0.15mm～240mm，表观密度为0.15g/cm3～1.1g/cm3，内层（1）的表面制备有致密的热解碳涂层（4），本实用新型专利技术结构简单，保温筒综合性能好，在保证了保温效果的同时，又充分保证其力学强度和使用寿命；保温筒采用差异化的涂层技术，保证了热场的纯度；同时，本实用新型专利技术还可以直接替代目前单晶炉的保温系统，从根本上保证了热场系统的纯度。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种高温炉部件，具体地说是一种单晶硅拉制炉用保温筒，特别是涉及一种碳/碳复合材料保温筒。
技术介绍
硅单晶炉热场系统对单晶成品率、拉速及单晶棒质量都有很大的影响，而对硅单晶生产企业来说，提高硅材料利用率，降低单位能耗，提高生产效率，降低生产成本一直是企业追求的目标，因此，热场系统设计和热场内关键元件的选材和使用备受关注。保温筒是硅单晶炉热场系统的关键元件之一，主要作用是减少热量损失和控制热场的温度梯度。长期以来，单晶炉保温系统普遍由软炭毡包裹在由石墨材料制成的保温筒上组成。从使用的效果来看，这种保温系统保温效果一般，而且挤占空间大，使用寿命短。分析原因，主要有以下几点一是石墨本身是热的良导体，保温效果较差，为了达到保温效果，软炭毡的层数增多，导致保温系统挤占空间大；二是石墨性脆，强度低，在维修过程中易损坏，导致保温筒使用寿命较短；三是软炭毡容易吸附熔化的多晶硅中挥发出的杂质，很难清理干净，时间长了容易污染多晶硅熔体，影响晶棒质量；四是大尺寸石墨内筒成形困难，耗材较多，价格昂贵。 因此，近年来，一些硅单晶生产厂家或者材料制造商提出来一些新的保温筒制备方法。如专利号200610136811. X，申请日为2006年12月6日，公开号为CN1994972的专利公开了一种硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其制备方法是⑴采用金属杂质含量很低的软毡作坯体材料，高温预处理使之成为石墨毡体；⑵用石墨毡体制作坯体，对均勻渗入固化剂的坯体进行固化定型；⑶炭化处理坯体；⑷再对坯体进行化学气相预沉积 ’(5) 对坯体机加工；(6)再对坯体高温处理，去除金属杂质和挥发分；(7)进行表面涂层处理及零件的表面强化处理。这种方法制备的固化炭毡保温筒密度低，保温性能好，但是强度低，在维修过程中容易损坏，产品的纯度不高，制备工艺复杂。且在保温筒整个表面制备有涂层， 导致制备涂层后保温筒的导热性能大幅提高，保温性能下降。又如专利号为20082005M40. 1，申请日为2008年3月3日，公开号为CN201158723 的专利公开了一种采用碳/碳复合材料加工制成的高温炉耐火保温罩，其特征是保温罩由高密度的碳/碳复合材料里层和低密度的碳/碳复合材料外层组成。由于保温罩内层强度高，外层导热系数低，因此，保温罩综合性能好。但是保温筒在使用过程中，由于熔化的多晶硅中挥发出的杂质吸附在保温筒的表面(主要是保温筒的内表面)，侵蚀保温罩，影响保温罩的使用寿命，同时容易污染多晶硅熔体，影响晶棒质量。此外，上述两个专利所述的保温筒在使用时都需要在保温筒外面包裹软炭毡，而软炭毡容易吸附熔化的多晶硅中挥发出的杂质，很难清理干净，时间长了容易污染多晶硅熔体，影响晶棒质量。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种碳/碳复合材料保温筒，在保证了保温筒保温效果的同时，又充分保证其力学强度和使用寿命，同时，提高保温筒的抗腐蚀能力，保证热场的纯度。本技术是采用如下技术方案实现其专利技术目的的，一种碳/碳复合材料保温筒，它包括筒体，所述的筒体为三明治结构，即由内层、中间层和外层组成，厚度为1. 05 mm 450 mm，所述内层、中间层和外层均由碳/碳复合材料制备，内层、外层的厚度为0. 45 mm 105 mm，表观密度为0. 8g/cm3 1. 7g/cm3，中间层的厚度为0. 15 mm 240 mm，表观密度为0. 15g/cm3 1. lg/cm3,内层的表面制备有致密的热解碳涂层。本技术的热解碳涂层的厚度为20 μ m 200 μ m。由于采用上述技术方案，本技术较好的实现了专利技术目的，其工艺合理，保温筒采用三明治结构，中间密度低，内、外层密度较高，在保证了保温效果的同时，又充分保证其力学强度和使用寿命，实现了保温筒保温性能与使用寿命的优化匹配；保温筒采用差异化的涂层技术，既能阻挡炉内可能存在的高温腐蚀气体侵入保温筒内，又能防止保温筒内可能存在的杂质逸出，提高了保温筒的抗腐蚀能力，保证了热场的纯度；同时，本技术还可以把单晶炉目前的保温筒系统(软炭毡加内保温筒组成的保温系统)完全用整体保温筒取代，不再需要软炭毡包裹，避免了因为软炭毡吸附杂质对热场系统的污染，同时也避免了软炭毡纯度不高对热场系统的污染，从根本上保证了热场系统的纯度。附图说明图1是本技术保温筒的结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本技术作进一步说明。实施例1 由图1可知，一种碳/碳复合材料保温筒，它包括筒体，所述的筒体为三明治结构， 即由内层1、中间层2和外层3组成，厚度为1.05 IM 450 IM (本实施例为12.0mm)，所述内层1、中间层2和外层3均由碳/碳复合材料制备，内层1、外层3的厚度为0. 45 mm 105 mm(本实施例为2. 7 mm、l. 8 mm)，表观密度为0. 8g/cm3 1. 7g/cm3，中间层2的厚度为0. 15 mm 240 mm(本实施例为7. 5 mm)，表观密度为0. 15g/cm3 1. lg/cm3,内层1的表面制备有致密的热解碳涂层4。一种如上所述碳/碳复合材料保温筒的制备方法，它包括以下步骤⑴保温筒预制体制备将碳纤维网胎与碳纤维布通过针刺使之复合成碳纤维毡， 然后将碳纤维毡缠绕在保温筒模具上针刺复合为内层1，所述碳纤维毡的厚度为0. 45 IM 1. 05 mm (本实施例为0. 9 mm)，碳纤维毡的层数为1层 100层(本实施例为3层)，所述碳纤维网胎的面密度为log/ m2 200g/ m2 (本实施例为40g/ m2)，碳纤维布的面密度为IOOg/ m2 600g/ m2(本实施例为500g/ m2)；接着在内层1上用碳纤维网胎缠绕针刺复合为中间层2，碳纤维网胎的厚度为0. 15 mm 0. 6 mm(本实施例为0. 25 mm)，碳纤维网胎层数为1 400层(本实施例为30层);然后在中间层2上再次用碳纤维毡缠绕针刺复合为外层3，碳纤维毡层数为1层 100层(本实施例为2层)；制备好的保温筒预制体，所述内层1、外层3的表观密度为0. 45g/cm3 0. 75g/cm3(本实施例为0. 55g/cm3)，中间层2的表观密度为0. 15g/cm3 0. 4g/cm3(本实施例为0. 3g/ cm )。⑵增密将步骤⑴所得的保温筒预制体经化学气相沉积增密为所需要求的保温筒坯体；具体的增密工艺为将步骤⑴所得保温筒预制体放入化学气相沉积炉中，抽真空，通入氩气，在氩气保护下进行升温，沉积温度为950°C 1250°C (本实施例为1100°C)，到达沉积温度后保温IOmin 120min (本实施例为60min)，然后通入天然气进行化学气相沉积，天然气流量为2L/min 50L/min (本实施例为25L/min)，沉积时间为Ih 500h (本实施例为120h)；增密后的保温筒坯体，其保温筒整体的表观密度为0. 7g/cm3 1. 5 g/cm3 (本实施例为 1. lg/cm3)。⑶机加工将步骤⑵所得的保温筒坯经纯化后按图纸加工成所需要求形状和尺寸的保温筒；所述的纯化为将步骤⑵所得的保温筒坯体放入高温炉中，在真空条件下加热去除其中杂质。即在真空条件下加热至1800°C ^00°C (本实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种碳／碳复合材料保温筒，它包括筒体，其特征是所述的筒体为三明治结构，即由内层（１）、中间层（２）和外层（３）组成，厚度为１．０５㎜～４５０㎜，所述内层（１）、中间层（２）和外层（３）均由碳／碳复合材料制备，内层（１）、外层（３）的厚度为０．４５㎜～１０５㎜，表观密度为０．８ｇ／ｃｍ３～１．７ｇ／ｃｍ３，中间层（２）的厚度为０．１５㎜～２４０㎜，表观密度为０．１５ｇ／ｃｍ３～１．１ｇ／ｃｍ３，内层（１）的表面制备有致密的热解碳涂层（４）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖寄乔，李军，王跃军，邰卫平，龚玉良，
申请(专利权)人：湖南金博复合材料科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：43