[發明專利]連續碳纖維增強的坩堝預制體及其制備方法

有效

• 申請號: 201310337762.6
• 申請日: 2013-08-06
• 公開（公告）號: CN103482995A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 繆云良
• 申請（專利權）人: 江蘇天鳥高新技術股份有限公司
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C30B35/00
• 代理公司: 北京中恒高博知識產權代理有限公司 11249
• 代理人: 宋敏

技術領域

本發明涉及一種坩堝技術領域，尤其是一種連續碳纖維增強的坩堝預制體，及其制備方法。?

背景技術

單晶硅拉制及多晶硅冶煉過程中采用石英坩堝盛放反應原料，高溫下純石英制作的坩堝會軟化變形，因此必須使用支撐部件來保持石英坩堝的形狀。各向同性的石墨材料具有較高的耐熱性和較高的熱沖擊性，尤其是化學穩定性好，難與生成的諸如SiO等反應性氣體反應，且與石英坩堝材料中SiO₂的反應速率較低，一直是石英坩堝的首選材料。近年來，隨著硅晶片的大直徑化，需求的石墨坩堝尺寸變大、重量變得極重，導致高純石墨坩堝生產成本高、難以安裝，且提出的分瓣式組合石墨坩堝易變形，支托作用逐步下降，難以滿足使用需要。?

碳/碳復合材料坩堝作為一種可設計性強、性能優良的碳素護鍋，是目前制造大尺寸石墨坩堝的重要技術方向，而碳纖維預制體是碳/碳復合材料坩堝的骨架材料。通過傳統纖維纏繞法和碳布鋪層法成型碳纖維預制體而獲得的碳/碳復合材料坩堝存在層間沒有連接纖維容易分層、圓周方向抗膨脹力低（硅凝固時具有8%-9.6%的體積膨脹），容易開裂、堝底與堝幫連接的坩堝薄弱部位強度低易破裂等不足，無法滿足大尺寸坩堝的使用要求，為此有人提出了碳布/網胎針刺成型技術。?

中國專利CN102093069A?、ZL200610043186.4以及CN101319353A等所述碳布/網胎針刺成型準三維預制體采用針刺技術成型，層間結合強度高，不易分層。但該方法中碳布呈鋸齒狀開剪造成預制體整體結構中貫連的連續纖維含量少，堝底部位多瓣式包覆，纖維連續性差，長期承載大量重物時容易開裂，另外雖采取局部補強措施，但堝幫與堝底貫連的連續纖維仍不足，堝幫與堝底連接處作為坩堝的承載應力集中點極易脫落，影響坩堝的使用壽命。?

發明內容

本發明第一目的在于克服上述現有技術的不足，提出一種連續碳纖維增強的坩堝預制體，該預制體力學性能優良、結構穩定，經碳/碳復合后坩堝在高負荷作用下抗膨脹性好、結構穩定性好、熱導效率高、使用壽命長。?

本發明的第二目的在于提供上述一種連續碳纖維增強的坩堝預制體的制備方法。?

為了實現上述發明第一目的，本發明提供以下技術方案：一種連續碳纖維增強的坩堝預制體，該坩堝預制體由基礎單元鋪層、連續纖維增強層經針刺成型的準三維立體織物，所述基礎單元鋪層由碳纖維布/網胎復合料或碳纖維布和網胎組合層構成。?

進一步地，所述坩堝預制體中連續纖維5%～30%、碳纖維布50%～85%和網胎5%～20%。?

進一步地，所述碳纖維布/網胎復合料是由碳纖維布與網胎經針刺固定成型。?

進一步地，所述碳纖維布的面密度為100?g/m²～640?g/m²，纖維規格為≥1K。?

進一步地，所述網胎為短切碳纖維制成的薄氈，面密度為20?g/m²～300?g/m²，纖維規格為≥3K。?

進一步地，所述連續纖維為多步多次旋轉，纖維規格為≥1K。?

進一步地，所述基礎單元鋪層為多步多次旋轉錯開拼接縫。?

進一步地，該坩堝預制體的整體結構層層間密度為6層/cm～13層/cm，體積密度為0.30?g/cm³～0.55g/cm³。?

為了實現上述發明第二目的，本發明提供以下技術方案：一種如上所述坩堝預制體的制備方法，包括以下步驟：?

⑴、將碳纖維布和網胎經預針刺固定成碳纖維布/網胎復合料，預針刺密度為2針/cm²～6針/cm²；

⑵、步驟⑴碳纖維布/網胎復合料或碳纖維布和網胎組合層按整體結構層和局部加強層進行分瓣裁剪、貼模鋪層；

⑶、采用連續纖維按照以下方式纏繞，形成連續纖維增強層：

??3.1、在坩堝圓周上的總等分方向數，第一方向纖維沿堝幫開端圓周上的平行弦以及弦所在切面與坩堝表面的相交線所圍成的軌跡線連續纏鋪纖維；旋轉改變至下一方向重復第一方向纖維纏鋪步驟；

??3.2、在坩堝圓周上的總等分點數，第一點纖維沿堝幫開端圓周上的交叉弦以及交叉弦所在切面與坩堝表面的相交線所圍成的軌跡線，連續纏鋪纖維；旋轉改變至下一等分點位置重復第一點纖維纏鋪步驟；

⑷、采用針刺將步驟⑵和步驟⑶的產品固定連接，針刺密度為15-35針/cm²；獲得坩堝預制體。