一种c-sic双涂层炭/炭复合材料坩埚的制备方法
技术领域
1.本发明涉及炭/炭复合材料坩埚制备技术领域，特别涉及一种c-sic双涂层炭/炭复合材料坩埚的制备方法。
背景技术：
2.炭/炭复合材料坩埚是生产单晶硅棒的重要热场材料，随着光伏半导体行业的迅猛发展，单晶太阳能电池板逐步占据市场的主导地位，炭/炭复合材料坩埚的用量需求也与日俱增。
3.目前单晶硅的生产方法以直拉法为主，将装有多晶硅料的石英坩埚放置于炭/炭复合材料坩埚内。由于单晶硅棒的拉制温度高达1550℃左右，高温的硅蒸汽、含硅气体及二氧化硅(石英坩埚的主要成分)均可于炭/炭复合材料坩埚发生反应，侵蚀炭/炭复合材料坩埚，进而严重影响坩埚的使用寿命。
4.炭/炭复合材料坩埚作为石英坩埚的关键承载热场部件，如何有效解决单晶硅棒拉制工况条件下炭/炭复合材料坩埚的侵蚀失效问题，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成本亟待解决得问题。在炭/炭复合材料坩埚表面制备防侵蚀涂层，可有效提高炭/炭复合材料坩埚的抗侵蚀能力，提高产品的使用寿命。
5.目前有采用化学反应法，以二氧化硅和金属硅为原材料，在一定的温度条件下，在炭/炭复合材料坩埚表面生成一层均匀的碳化硅涂层，或者采用化学气相沉积工艺在炭/炭复合材料坩埚表面原位反应生成碳化硅和氮化硅涂层，或者利用等离子法在坩埚表面制备碳化硅涂层等，以上方法均有效的延长了坩埚的使用寿命，增强了坩埚的抗侵蚀能力，但仍存在生产成本高，工艺过程难控制等缺点。
技术实现要素：
6.本发明要解决的技术问题是提供一种c-sic双涂层炭/炭复合材料坩埚的制备方法，本发明既保证了坩埚表面生成致密的sic涂层提高材料的使用寿命，也防止了si和c在反应过程中si蒸汽对基体材料的侵蚀影响，同时工艺方法简单便捷，适合工业化生产。
7.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种c-sic双涂层炭/炭复合材料坩埚的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤s1：热解碳涂层的制备
9.通过三维针刺的方式编制炭/炭复合材料坩埚的碳纤维预制体，将编制好的碳纤维预制体放入化学气相沉积炉中进行炭沉积增密，达到密度1.2-1.6g/cm3，在炭/炭复合材料坩埚的表面cvd制备热解碳涂层；
10.步骤s2：涂层浆料的制备
11.将液态树脂、乙醇与c粉按比例进行混合，以tmah作为分散剂，质量占比0.2-0.8wt％，通过滚筒球磨机混合24-48h，得到均匀分散的涂层浆料；
12.步骤s3：涂层浆料的涂刷
13.在炭/炭复合材料坩埚的表面涂刷得到的涂层浆料，并进行烘干处理，反复进行2-4次，在碳/碳复合材料表面制得厚度为40-80μm的涂层；
14.步骤s4：气相渗硅制备sic涂层
15.将上述表面涂刷浆料的炭/炭复合材料坩埚在渗硅炉中进行气相渗硅处理，得到表面具备c-sic双涂层的炭/炭复合材料坩埚。
16.优选地，在所述步骤s1中，所述热解碳涂层制备时，是以天然气为气态前驱体，沉积温度为1000-1200℃，气体流量100-500slm，沉积时间10-30h，厚度为1-3μm。
17.优选地，在所述步骤s2中，树脂为酚醛树脂、呋喃树脂或糠酮树脂中的一种。
18.优选地，在所述步骤s2中，所述c粉的粒径为1-10μm。
19.优选地，在所述步骤s2中，所述比例为质量比，质量比为2～3:2～4:6～3。
20.优选地，在所述步骤s4中，在渗硅炉中进行气相渗硅处理时的温度为1550-1800℃，真空度为小于50pa，反应时间为0.5-4h。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
22.本发明通过在炭/炭复合材料坩埚的表面cvd制备热解碳涂层，而后采用浆料涂刷的方式，在坩埚表面制备均匀炭层，结合气相渗硅将表面涂刷的炭层反应生成sic层。第一层热解碳涂层的制备将坩埚表面所有的开气孔闭合，可有效防止气相渗硅时气相硅对基体材料的侵蚀影响，第二层涂刷炭层的制备为气相硅提供了生成sic的反应原材料，可在表面生成致密的sic涂层。该制备方法既保证了坩埚表面生成致密的sic涂层提高材料的使用寿命，也防止了si和c在反应过程中si蒸汽对基体材料的侵蚀影响，同时工艺方法简单便捷，适合工业化生产。
具体实施方式
23.下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.实施例1
25.一种c-sic双涂层炭/炭复合材料坩埚的制备方法，包括以下步骤：
26.步骤s1：热解碳涂层的制备
27.通过三维针刺的方式编制炭/炭复合材料坩埚的碳纤维预制体，将编制好的碳纤维预制体放入化学气相沉积炉中进行炭沉积增密，达到密度1.2g/cm3，在炭/炭复合材料坩埚的表面cvd(cvd是chemical vapor deposition的简称，是指高温下的气相反应)制备热解碳涂层，以天然气为气态前驱体，沉积温度为1000℃，气体流量100slm，沉积时间30h，厚度约为1μm。
28.步骤2：涂层浆料的制备
29.将液态酚醛树脂、呋喃树脂或糠酮树脂、乙醇与粒径为1-10μm c粉进行混合，质量比为2:2:6，以tmah(四甲基氢氧化铵)作为分散剂，质量占比0.2wt％，通过滚筒球磨机混合24h，得到均匀分散的涂层浆料。
30.步骤3：涂层浆料的涂刷
31.在炭/炭复合材料坩埚的表面涂刷得到的涂层浆料，并进行烘干处理，反复进行2
次，在碳/碳复合材料表面制得厚度为40μm的涂层。
32.步骤4：气相渗硅制备sic涂层
33.将上述表面涂刷浆料的炭/炭复合材料坩埚在渗硅炉中进行气相渗硅处理，工艺温度为1550-℃，真空度小于50pa，反应时间为0.5h，得到表面具备c-sic双涂层的炭/炭复合材料坩埚。
34.实施例2
35.一种c-sic双涂层炭/炭复合材料坩埚的制备方法，包括以下步骤：
36.步骤s1：热解碳涂层的制备
37.通过三维针刺的方式编制炭/炭复合材料坩埚的碳纤维预制体，将编制好的碳纤维预制体放入化学气相沉积炉中进行炭沉积增密，达到密度1.3g/cm3，在炭/炭复合材料坩埚的表面cvd制备热解碳涂层，以天然气为气态前驱体，沉积温度1100℃，气体流量300slm，沉积时间20h，厚度约为2μm。
38.步骤s2：涂层浆料的制备
39.将液态酚醛树脂、呋喃树脂或糠酮树脂、乙醇与粒径为5μm c粉进行混合，质量比为2.5:3:4，以tmah作为分散剂，质量占比0.5wt％，通过滚筒球磨机混合36h，得到均匀分散的涂层浆料。
40.步骤s3：涂层浆料的涂刷
41.在炭/炭复合材料坩埚的表面涂刷得到的涂层浆料，并进行烘干处理，反复进行3次，在碳/碳复合材料表面制得厚度为60μm的涂层。
42.步骤s4：气相渗硅制备sic涂层
43.将上述表面涂刷浆料的炭/炭复合材料坩埚在渗硅炉中进行气相渗硅处理，工艺温度1650℃，真空度小于50pa，反应时间为2h，得到表面具备c-sic双涂层的炭/炭复合材料坩埚。
44.实施例3
45.一种c-sic双涂层炭/炭复合材料坩埚的制备方法，包括以下步骤：
46.步骤s1：热解碳涂层的制备
47.通过三维针刺的方式编制炭/炭复合材料坩埚的碳纤维预制体，将编制好的碳纤维预制体放入化学气相沉积炉中进行炭沉积增密，达到密度1.6g/cm3，在炭/炭复合材料坩埚的表面cvd制备热解碳涂层，以天然气为气态前驱体，沉积温度1200℃，气体流量500slm，沉积时间10h，厚度约为3μm。
48.步骤2：涂层浆料的制备
49.将液态酚醛树脂、呋喃树脂或糠酮树脂、乙醇与粒径为1-10μm c粉进行混合，质量比为3:4:3，以tmah作为分散剂，质量占比0.8wt％，通过滚筒球磨机混合48h，得到均匀分散的涂层浆料。
50.步骤3：涂层浆料的涂刷
51.在炭/炭复合材料坩埚的表面涂刷得到的涂层浆料，并进行烘干处理，反复进行4次，在碳/碳复合材料表面制得厚度为80μm的涂层。
52.步骤4：气相渗硅制备sic涂层
53.将上述表面涂刷浆料的炭/炭复合材料坩埚在渗硅炉中进行气相渗硅处理，工艺
温度1800℃，真空度小于50pa，反应时间4h，得到表面具备c-sic双涂层的炭/炭复合材料坩埚。
54.本发明通过在炭/炭复合材料坩埚的表面cvd制备热解碳涂层，而后采用浆料涂刷的方式，在坩埚表面制备均匀炭层，结合气相渗硅将表面涂刷的炭层反应生成sic层。第一层热解碳涂层的制备将坩埚表面所有的开气孔闭合，可有效防止气相渗硅时气相硅对基体材料的侵蚀影响，第二层涂刷炭层的制备为气相硅提供了生成sic的反应原材料，可在表面生成致密的sic涂层。该制备方法既保证了坩埚表面生成致密的sic涂层提高材料的使用寿命，也防止了si和c在反应过程中si蒸汽对基体材料的侵蚀影响，同时工艺方法简单便捷，适合工业化生产。
55.以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。