原位反應法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種原位反應法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法，包括如下步驟：將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內的硅粉中，得預反應物料；預反應物料放置在超音頻感應加熱爐中，在1300℃、惰性氣體保護下反應60～90min。本發(fā)明利用原位反應在石墨坩堝的表面通過固相反應生成厚度均勻的SiC涂層，該方法工藝簡單、容易控制，有利于工業(yè)化生產。本發(fā)明的方法制備的SiC涂層與石墨坩堝基體結合牢固，該SiC涂層能有效防止石墨坩堝的氧化，提高石墨坩堝的抗氧化性和抗熱沖擊性，從而提高石墨坩堝的使用壽命，而且不會引入其他雜質。
【專利說明】原位反應法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用原位反應法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法，屬于制備涂層的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]多晶硅中的雜質元素與冶煉過程中使用的坩堝密不可分，如何制造出能盡量少的引入雜質、在硅熔煉過程中不發(fā)生粘連且能多次重復使用的坩堝對提高太陽能電池的質量和降低太陽能的成本有著重要的影響。因此，在坩堝的表面形成涂層以提高坩堝的性能有著十分重要的應用價值。
[0003]在石墨坩堝內表面生成一層SiC涂層可以阻礙坩堝基體與熔融硅之間的反應，減弱硅與坩堝之間的粘連行為，因此可以大大提高坩堝的使用壽命。此外由于涂層阻礙了坩堝與硅之間的傳質過程，對于提高熔煉硅的質量及成品率有一定的作用。
[0004]目前在石墨表面形成SiC涂層的方法有化學氣相沉積(CVD)技術、化學氣相滲透法(CVI)、液Si浸潰技術、泥漿一凝膠法等。但這些方法較為復雜或者制備涂層的周期相對較長。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供一種原位反應法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法。
[0006]本發(fā)明的技術方案·為如下:
[0007]一種原位反應法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法，包括如下步驟:
[0008]( I)將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內的硅粉中，得預反應物料；
[0009](2)將步驟(1)的預反應物料放置在超音頻感應加熱爐中，在1300°C下反應60~90min，其中所述超音頻感應加熱爐中導入惰性氣體，使反應在惰性氣體保護下進行。
[0010]上述制備方法中所述預反應物料包括加熱用石墨坩堝、以及在其中的硅粉和涂層用坩堝。
[0011]本發(fā)明的技術方案中，在步驟(1)所述涂層用石墨坩堝的打磨處理方法優(yōu)選為:用砂紙打磨涂層用坩堝，直至表面平整，其中砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#、2000#。
[0012]本發(fā)明的技術方案中，在步驟(2)中所述惰性氣體的導入速率優(yōu)選為0.2~2L/min，更優(yōu)選為0.5L/min，所述惰性氣體為氬氣或氦氣。
[0013]本發(fā)明的技術方案中，在步驟(2 )的反應過程中，所述超音頻感應加熱爐的音頻頻率優(yōu)選為26.5~27.0KHZ。
[0014]本發(fā)明的技術方案中，所述娃粉的粒徑優(yōu)選為I~IOiim,更優(yōu)選為2~8lim,最優(yōu)選為5 ii m。
[0015]本發(fā)明對石墨坩堝的質量標準沒有特殊的限定，本發(fā)明的石墨坩堝表面制備SiC涂層的原理是在適當?shù)臏囟认率釄逯械腃與埋敷的硅粉發(fā)生原位反應，在石墨坩堝表面生成厚度均勻的SiC涂層，在本發(fā)明的條件下，只要是具有石墨表面的坩堝(或其他)，在其表面均能生成SiC涂層。所述石墨纟甘禍可以優(yōu)選二聞石墨纟甘禍。
[0016]本發(fā)明所述原位反應法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法進一步優(yōu)選的方法包括如下步驟:
[0017]①用砂紙打磨涂層用坩堝，直至表面平整，其中砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#,2000# ；
[0018]②將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內的硅粉中，得預反應物料；
[0019]③將步驟②的預反應物料放置在超音頻感應加熱爐中，用爐蓋蓋緊發(fā)熱用石墨坩堝，熱電偶插入硅粉中；
[0020]④通過設置在爐蓋上的導氣管，向發(fā)熱用石墨坩堝中通入惰性氣體，接通電源，加熱感應線圈，調節(jié)感應線圈的功率，使超音頻感應加熱爐內溫度保持在1300°C，保溫加熱反應60~90min，通過爐蓋上的排氣孔排去空氣以及通入的惰性氣體，并降低由于加熱過程中爐內氣體膨脹所產生的高壓；
[0021]⑤反應完畢后，關閉電源，停止超音頻感應加熱爐的加熱，發(fā)熱用石墨坩堝內繼續(xù)通入惰性氣體，使涂層用石墨坩堝在惰性氣體保護氣氛中冷卻，待冷卻至室溫后，停止通入惰性氣體，拔出熱電偶，取出涂層用石墨坩堝，得表面為SiC涂層的石墨坩堝。
[0022]在上述方法的步驟④和⑤中,惰性氣體為氬氣或氦氣,通入速度優(yōu)選為0.2~2L/min,更優(yōu)選為0.5L/m in ;所述娃粉的粒徑優(yōu)選為I~10 y m,更優(yōu)選為2~8 y m,最優(yōu)選為
5u m。
[0023]本發(fā)明的有益效果:
[0024](I)本發(fā)明利用原位反應在石墨坩堝的表面通過固相反應生成厚度均勻的SiC涂層，該方法工藝簡單、容易控制，有利于工業(yè)化生產。
[0025](2)用該方法在石墨纟甘禍表面制備的SiC涂層石墨纟甘禍基體結合牢固，制備的涂層厚度均勻，平均厚度為70-130 u m,且不會引入其他雜質。
[0026](3)石墨坩堝的抗氧化能力與抗熱沖擊能力對于石墨坩堝來說至關重要，這關系到石墨坩堝的使用壽命以及成本，本發(fā)明通過在石墨坩堝表面制備了一層SiC涂層，防止了石墨的進一步反應，對石墨基體起到了保護作用，進而提高了石墨坩堝的抗熱氧化以及抗熱沖擊性能，極大地提高了石墨坩堝的使用壽命，并且降低了利用石墨坩堝熔煉提純多晶硅的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]本發(fā)明附圖共3幅。
[0028]圖1為在超首頻感應加熱制備石墨;t甘禍SiC涂層不意圖。
[0029]圖2為實施例1制備的帶有SiC涂層的石墨坩堝截面的掃描電鏡照片。
[0030]圖3為實施例1制備的SiC涂層的XRD衍射圖譜。
[0031]附圖標號:1、熱電偶，2、排氣孔,3、爐蓋,4、導氣管,5、娃粉,6、發(fā)熱用石墨；t甘禍,7、涂層用石墨坩堝，8、防輻射套，9、水泥外殼，10、感應線圈，11、耐火磚?！揪唧w實施方式】
[0032]下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
[0033]實施例1原位反應法制備石墨坩堝表面的SiC涂層
[0034]將涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內的硅粉中，并將其放置于超音頻感應爐內，通過超音頻加熱，涂層用石墨坩堝與硅粉發(fā)生原位反應，在其表面生成厚度均勻的SiC涂層，如圖1，具體方法包括如下步驟:
[0035]①用砂紙打磨涂層用坩堝，直至表面平整，其中砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#,2000# ；
[0036]②將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內的硅粉中，得預反應物料；
[0037]③將步驟②的預反應物料放置在超音頻感應加熱爐內，用爐蓋蓋緊發(fā)熱用石墨坩堝，熱電偶插入硅粉中；
[0038]④通過設置在爐蓋上的導氣管，向發(fā)熱用石墨坩堝中通入氬氣，接通電源，加熱感應線圈，調節(jié)感應線圈的功率，使超音頻感應加熱爐內溫度保持在1300°C，保溫加熱反應75min，可通過爐蓋上的排氣孔，排氣孔排去空氣以及通入的氬氣，降低由于加熱過程中爐內氣體膨脹所產生的高壓；
[0039]⑤反應完畢后，關閉電源，停止超音頻感應加熱爐的加熱，發(fā)熱用石墨坩堝內繼續(xù)通入氬氣，使涂層用石墨坩堝在氬氣保護氣氛中冷卻，待冷卻至室溫后，停止通入氬氣，拔出熱電偶，取出涂層用石墨坩堝，得表面為SiC涂層的石墨坩堝。
[0040]在上述方法中，所述超音頻感應加熱爐為沈丘鑫鑫電子科技有限公司生產的SSF-60A型全固態(tài)超音頻感應加熱爐。包括最外層的防輻射套、包封在水泥外殼內的感應線圈位于防輻射套內(如圖1);所述發(fā)熱用石墨坩堝配有爐蓋，爐蓋上設置有插入導氣管的通孔和用于排放發(fā)熱用石墨坩堝內氣體的排氣孔。所述超音頻感應加熱爐的加熱部分置于耐火磚上。
[0041]上述方法制備的帶有SiC涂層的石墨坩堝截面用掃描電鏡(SEM)觀察，圖2為所述SiC涂層的SEM照片，由圖中可以看出，SiC涂層厚度均勻，其平均厚度為120 i! m，且SiC涂層與石墨基體結合牢固，結合界面無裂紋。經過后續(xù)的X射線衍射結果分析發(fā)現(xiàn)，其涂層的成分為SiC和極少量的SiO2，在較高的溫度下能夠穩(wěn)定存在，因此涂層均有較高的熱穩(wěn)定性能，SiC涂層的XRD衍射圖譜如圖3。
[0042]實施例2SiC涂層石墨坩堝的抗熱氧化性能的測定
[0043]首先將管式爐(一種能長期加熱與保溫用爐子)升溫至700°C。將本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝放置于管式爐中，管式爐加熱石英管兩端不密封，使其與空氣直接接觸。帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝在管式爐中保溫2h，保溫完畢后取出用電子天平稱其質量，并計算質量損失率。石墨坩堝質量損失的主要原因是與空氣的氧氣發(fā)生氧化反應而消耗，質量損失率越少說明在高溫下其抗氧化能力越強，反之則抗氧化能力越弱。經過測量后發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝700°C氧化兩小時后其質量損失為1.9%,而無SiC涂層的石墨；t甘禍700°C氧化兩小時后其質量損失為11.5%。
[0044]實施例3SiC涂層石墨坩堝的抗熱沖擊性能的測定
[0045]首先將管式爐(一種能長期加熱與保溫用爐子)升溫至700°C。將本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝放置于管式爐中，管式爐加熱石英管兩端不密封，使其與空氣直接接觸。本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝在管式爐中保溫2h，保溫完畢后取出。待其冷卻至室溫后再次將該帶有SiC涂層的石墨坩堝與無涂層的石墨坩堝重新放置于管式爐中，在管式爐中700°C下保溫2h，保溫完畢后取出。如此重復六次。經過六次循環(huán)熱氧化后用電子天平稱其質量，并計算質量損失率。若石墨坩堝的抗熱沖擊性能越強，則在循環(huán)熱沖擊的作用下其質量損失越小，反之越大。經過試驗發(fā)現(xiàn)六次循環(huán)熱沖擊氧化實驗后，本發(fā)明的帶有SiC涂層的石墨坩堝質量損失為13.5%，而無SiC涂層的石墨樹禍的質量損失為59.3%。`
【權利要求】
1.一種原位反應法制備石墨坩堝表面的SiC涂層的方法，包括如下步驟: (1)將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內的硅粉中，得預反應物料； (2)將步驟(1)的預反應物料放置在超音頻感應加熱爐中，在1300°C下反應60~90min，其中所述超音頻感應加熱爐中導入惰性氣體，使反應在惰性氣體保護下進行。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(1)所述涂層用石墨坩堝的打磨處理方法為:用砂紙打磨涂層用坩堝，砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#、2000#。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(2)中所述惰性氣體的導入速率為0.2~2L/min，所述惰性氣體為氬氣或氦氣。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(2)的反應過程中，所述超音頻感應加熱爐的音頻頻率為26.5~27.0KHZ。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅粉的粒徑為I~IOym。
6.根據(jù)權利要求1~5的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: ①用砂紙打磨涂層用坩堝，直至表面平整，其中砂紙使用順序依次為200#、600#、1000#,2000# ； ②將打磨好的涂層用石墨坩堝埋覆于發(fā)熱用石墨坩堝內的硅粉中，得預反應物料； ③將步驟②的預反應物料放置在超音頻感應加熱爐中，用爐蓋蓋緊發(fā)熱用石墨坩堝，熱電偶插入硅粉中； ④通過設置在爐蓋上的導氣管，向發(fā)熱用石墨坩堝中通入惰性氣體，接通電源，加熱感應線圈，調節(jié)感應線圈的功率，使超音頻感應加熱爐內溫度保持在1300°C，保溫加熱反應60~90min，通過爐蓋上的排氣孔排去空氣以及通入的惰性氣體，并降低由于加熱過程中爐內氣體膨脹所產生的高壓； ⑤反應完畢后，關閉電源，停止超音頻感應加熱爐的加熱，發(fā)熱用石墨坩堝內繼續(xù)通入惰性氣體，使涂層用石墨坩堝 在惰性氣體保護氣氛中冷卻，待冷卻至室溫后，停止通入惰性氣體，拔出熱電偶，取出涂層用石墨坩堝，得表面為SiC涂層的石墨坩堝。
【文檔編號】C04B41/87GK103787694SQ201310719947
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權日:2013年12月23日
【發(fā)明者】譚毅, 游小剛, 李佳艷 申請人:大連理工大學