[發明專利]一種單晶硅爐不銹鋼水冷熱屏用紅外吸熱復合涂層制備方法

在審

• 申請號: 202310024171.7
• 申請日: 2023-01-09
• 公開（公告）號: CN116024516A
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 張山林;唐嘉杰;韓方澤;張婧慧
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C23C4/11
• 分類號: C23C4/11;C23C4/134;C23C4/129;C30B15/00;C30B29/06
• 代理公司: 深圳市創富知識產權代理有限公司 44367
• 代理人: 梁嘉朗

本發明屬于表面工程技術領域，涉及具體涉及一種單晶硅爐不銹鋼水冷熱屏用紅外吸熱復合涂層制備方法。本發明以兩種陶瓷粉末經一定比例機械混合后作為噴涂原料，采用熱噴涂技術，通過工藝控制在噴砂粗化處理的304不銹鋼表面沉積得到復合涂層。與傳統的經不銹鋼發黑處理形成氧化膜的紅外吸熱表面相比，本發明的復合涂層不僅具有高的紅外熱輻射吸收系數(室溫0.9，400℃時0.85)，而且在單晶硅提拉工藝環境(高溫、低氧分壓、低壓)下具有優異的材料與結構穩定性，在長期使用過程中不會因分解或蒸發而導致紅外熱輻射吸收系數降低，而且涂層與不銹鋼基體具有良好的熱膨脹匹配性，在多次循環使用過程中仍可保持良好的界面結合。

技術領域

本發明屬于表面工程技術領域，涉及具體涉及一種單晶硅爐不銹鋼水冷熱屏用紅外吸熱復合涂層制備方法。

背景技術

利用提拉法生長單晶硅是當前制備單晶硅的重要技術。隨著低成本晶硅太陽電池以及電子芯片行業的發展，高品質、大重量、大尺寸、高提拉速度的單晶硅生長技術是當前發展的重要技術方向。

在單晶硅的提拉過程中，通過水冷熱屏吸收已凝固晶棒的輻射散熱是當前單晶硅生產過程中的重要環節之一，此過程可以有效地提高晶棒的冷卻速度，從而顯著提升晶棒的拉升速率，增加產能和效率，降低能耗和成本。水冷熱屏結構較復雜，服役工況惡劣，且必須和單晶硅爐進行良好的裝配。因此，水冷熱屏多采用以304不銹鋼為代表的材質通過焊接等工藝加工而成。然而，不銹鋼的紅外熱輻射吸收系數較低(～0.1-0.2，與表面光潔度等參數有關)，如果不進行表面不處理，僅依靠輻射換熱吸收晶棒熱量的冷卻效果較差，難以充分發揮水冷熱屏的潛在性能。因此，在水冷熱屏加工好后通常需要進行表面發黑處理，使其表面形成黑色的以氧化鉻為主的氧化膜，從而將其輻射換熱系數提升至～0.85，實現較好的輻射換熱。但該技術仍然存在一定的使用缺陷和不足，單晶硅提拉過程的周期較長，水冷熱屏長期處于晶爐內高溫、低氧分壓、低壓的保護氣氛氛圍下，以氧化鉻為主的氧化膜會因蒸發而發生破壞，導致水冷熱屏在使用過程中輻射換熱能力不斷降低，從而使得晶棒的提拉速度受到限制，也使得水冷熱屏的潛在換熱性能無法得到充分發揮。同時，表面氧化膜的蒸發還存在增加晶棒雜質含量的潛在風險。此外，水冷熱屏表面因蒸發而損壞后，后續還需要經過二次表面氧化發黑處理，這樣一來會加長單晶爐的使用周期，影響生產的效率。

因此，有必要突破現有工藝，開發具有高紅外輻射吸收系數、高穩定性、長壽命的水冷熱屏輻射換熱表面，以滿足當前單晶硅高效生產的應用需求。

發明內容

為克服當前硅單晶爐水冷熱屏以不銹鋼氧化膜作為熱輻射吸收表面在服役過程中因蒸發而失效的問題，本發明提出了一種紅外吸熱復合涂層的制備方法，制得的涂層不僅具有高的熱輻射換熱系數，而且換熱性能在服役過程中不隨時間變化而變化，涂層與基體具有優良的結合性能及熱循環能力，從而兼具高的換熱性能和長的服役壽命。

為實現上述目的，本發明是通過以下技術方案來實現的：

本發明提供了一種單晶硅爐不銹鋼水冷熱屏用紅外吸熱復合涂層的制備方法，該方法包括以下步驟：

S1、將線膨脹系數低于304不銹鋼線的陶瓷材料與線膨脹系數高于304不銹鋼的陶瓷材料混合，兩種陶瓷材料的混合質量比為0～100％：0～100％；

S2、對單晶硅爐用304不銹鋼水冷熱屏的內表面進行噴砂加粗處理后，以步驟S1的陶瓷粉末為原料，采用熱噴涂方法在其內表面形成復合涂層。

優選地，線膨脹系數低于304不銹鋼線的陶瓷材料選自La_1-xSr_xMnO₃(x:0.1～0.3)，或La_1-xSr_xTiO₃(x:0.1～0.3)，或La_1-xSr_xCrO₃(x:0.1～0.3)，或La_1-xCa_xCrO₃(x:0.1～0.3)。