一种炭炭复合材料坩埚的制作方法

1.本实用新型涉及高温炉用热场工装部件技术领域，具体涉及一种炭炭复合材料坩埚。


背景技术：

2.随着单晶硅太阳能电池的迅猛发展，单晶太阳能电池已反超多晶太阳能电池，成为太阳能电池市场的第一主力(单晶太阳能电池市场占有率达50％以上)：拉动了太阳能行业对单晶硅的需求量。作为生产单晶硅(棒)的重要热场材料——炭炭复合材料坩埚，也得到了迅速的发展。
3.目前，单晶硅炉拉制单晶硅棒时，盛装多晶硅的石英坩埚安放在炭炭复合材料坩埚内。单晶硅棒拉制过程中，炉内温度高达1500℃左右，石英坩埚将变软，靠炭炭复合材料坩埚承力；同时，高温下的硅蒸汽、含硅气体及二氧化硅(石英坩埚的主要成分)均可与炭炭复合材料坩埚发生反应，导致石英坩埚和炭炭复合材料坩埚粘结，冷却后难以分离。
4.石英坩埚是单晶硅炉的一次性工装，必须逐炉更换，而拉晶后残留的石英坩埚常紧贴于炭炭复合材料坩埚的内壁，去除困难，为了重复使用炭炭坩埚，目前绝大部分厂家通过击打石英坩埚内壁，以此使石英坩埚和炭炭坩埚分离，但该方法常会损坏炭炭坩埚而导致不能再次使用，由于炭炭坩埚的成本高，炭炭坩埚的损坏造成生产成本的大大提升。如何有效解决石英坩埚和炭炭复合材料坩埚之间的分离以延长炭炭复合材料坩埚的使用寿命，是进一步降低单晶硅太阳能电池的成本亟需解决得问题。
5.近年来，解决石英坩埚和炭炭坩埚之间的分离方法基本可以归为两类：物理隔离和化学隔离。专利cn 202064032 u公开了一种方便去除石英坩埚残体的碳/碳复合材料坩埚，采用石墨纸填充与石英坩埚与碳碳坩埚之间，起到防粘结的作用，由于间隙的存在，石英坩埚晃动及安装存在问题，此外，高温下，硅蒸汽、含硅气体及二氧化硅(石英坩埚的主要成分)均可与石墨纸/炭炭坩埚发生反应，产生粘结，不易于分离。专利cn 111848201 a及cn10355371 a分别公开了具有涂层炭炭坩埚的制备方法，但是此类方法因涂层的制备增加了坩埚的成本；而且，涂层隔离法无法完全有效解决粘结问题：由于炭炭复合材料坩埚是多孔材料，高温软化的石英坩埚将物理挤压渗透至炭炭材料中产生粘结力。专利cn 204097595 u公开了一种四节式炭素材料组合坩埚，该组合坩埚同样存在涂层成本高及涂层无法有效解决粘结的问题，此外，高温软化的石英坩埚会填充通孔的一分部体积，导致坩埚分离清理更加困难。


技术实现要素：

6.本实用新型所要解决的技术问题是针对现阶段上述技术的不足，提供一种易于与石英坩埚分离的炭炭复合材料坩埚。该实用新型技术方案有效地解决石英坩埚和炭炭复合材料坩埚难以分离及炭炭复合材料损伤的问题，从而大幅度提高炭炭复合材料坩埚的使用寿命。
7.本实用新型采用如下技术方案实现其发明目的，一种炭炭复合材料坩埚，包括用于生产单晶硅的坩埚本体，所述坩埚本体上埚身和埚底的交汇处设有预留通孔，所述坩埚本体上的每个预留通孔内插装有隔热塞，所述隔热塞从坩埚本体的内侧向外侧插装、并且与预留通孔大小相匹配，所述隔热塞为一端大、一端小的锥台型，所述隔热塞小端从坩埚本体的外壁伸出形成敲击端，其大端从坩埚本体的内壁伸出形成支撑端。坩埚本体在埚身和埚底的交汇处是石英坩埚应力集中点，因此在此处设置预留通孔，通过隔热塞将石英坩埚与坩埚本体隔离，有利于石英坩埚与坩埚本体后续的分离。
8.本实施方式中，所述坩埚本体密度为1.2～2.0g/cm3，所述隔热塞密度比坩埚本体的密度大0～0.5g/cm3。
9.本实施方式中，所述隔热塞为炭材料制成，进一步优选为炭炭复合材料。这样保证隔热塞与坩埚本体的材料相近或相同，使得两者热膨胀系数接近，避免高温使用过程中两种材料膨胀系数不一致导致损坏。
10.本实施方式中，所述坩埚本体的埚身和/或埚底上均匀分布有多个预留通孔。
11.本实施方式中，所述坩埚本体相邻预留通孔的间距为300～500mm。
12.本实施方式中，所述坩埚本体上的预留通孔端面面积为1～25cm2。
13.本实施方式中，所述隔热塞的形状为正方台、长方台、圆台体或楔形体。
14.采用上述技术方案，本实用新型利用物理隔离的方式，成本低、结构简单、操作简便，通过隔热塞将石英坩埚与坩埚本体隔离，使得石英坩埚与炭炭复合材料坩埚的接触面积减少，降低了石英坩埚对炭炭复合材料坩埚的挤压力及反应粘结力，因此在两者分离时，通过从坩埚本体外侧敲击隔热塞，使得分离力作用于隔热塞上，隔热塞再将敲击的力传递至石英坩埚，从而将石英坩埚破坏，实现与炭炭复合材料坩埚有效分离，有效地解决石英坩埚和炭炭复合材料坩埚难以分离及炭炭复合材料损伤的问题，从而大幅度提高炭炭复合材料坩埚的使用寿命。
附图说明
15.图1：本实用新型的结构示意图
16.图2：本实用新型的隔热塞结构示意图。
17.附图说明，1、坩埚本体，2、隔热塞，3、预留通孔。
具体实施方式
18.以下结合附图对本实用新型实例例作进一步说明。
19.实施例1：
20.如图1、2所示，本实施例坩埚本体1的密度为1.2g/cm3，在坩埚本体1的埚底和埚身均匀布设有圆锥台型的预留通孔3，所述预留通孔3在坩埚本体1内壁的开口面积为5.00cm2，在外壁上的开口面积为3.00cm2。
21.隔热塞2为炭炭复合材料制成，密度为1.2g/cm3，隔热塞的数量与坩埚本体1上通孔数量相同；隔热塞的形状、尺寸与预留通孔3大小相匹配的圆锥台型。
22.使用时，在单晶硅炉拉制单晶硅棒完毕后，取出内壁粘附有石英坩埚的炭炭复合材料坩埚，通过从坩埚本体外侧敲击隔热塞，隔热塞将敲击的力传递至石英坩埚，石英坩埚
受到隔热塞的挤压力而破碎，实现与炭炭复合材料坩埚有效分离。
23.与现有带涂层的炭炭复合材料坩埚相比，本实用新型制备成本低：制造成本节约5～10％；结构简单，操作方便，能有效的去除粘附于炭炭复合材料坩埚内壁的石英坩埚，使用寿命有原来的30～35炉，提高到60炉以上。
24.实施例2：
25.本实施例与实施例1的区别仅在于：坩埚本体1的密度为2.0g/cm3，隔热塞2的密度为2.2g/cm3.
26.经实践使用，与现有带涂层的炭炭复合材料坩埚相比，本实用新型制备成本低：制造成本节约5～10％；结构简单，操作方便，能有效的去除粘附于炭炭复合材料坩埚内壁的石英坩埚，使用寿命有原来的50～60炉，提高到100炉以上。
27.实施例3：
28.本实施例与实施例1的区别仅在于：坩埚本体1的密度为1.4g/cm3，通孔形状为长方台，内端头面积为5.00cm2，外端头面积为1.00cm2；隔热塞2密度为1.4g/cm3。
29.经实践使用，与现有带涂层的炭炭复合材料坩埚相比，本实用新型制备成本低：制造成本节约5～10％；结构简单，操作方便，能有效的去除粘附于炭炭复合材料坩埚内壁的石英坩埚，使用寿命有原来的35～45炉，提高到90炉以上。
30.实施例4：
31.本实施例与实施例1的区别仅在于：预留通孔的数量为40个，坩埚底均布8个，其他32个均布于坩埚埚身。
32.经实践使用，与现有带涂层的炭炭复合材料坩埚相比，本实用新型制备成本低：制造成本节约4～9％；结构简单，操作方便，能有效的去除粘附于炭炭复合材料坩埚内壁的石英坩埚，使用寿命有原来的35～35炉，提高到60炉以上。
33.实施例5：
34.本实施例与实施例1的区别仅在于：预留通孔内端头面积为25cm2，外端头面积为20cm2，隔热塞形状，尺寸与通孔尺寸相匹配。
35.经实践使用，与现有带涂层的炭炭复合材料坩埚相比，本实用新型制备成本低：制造成本节约5～10％；结构简单，操作方便，能有效的去除粘附于炭炭复合材料坩埚内壁的石英坩埚，使用寿命有原来的30～35炉，提高到60炉以上。
36.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围。