【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于单层结构的一体化坩埚预制体，属于单晶硅用热场部件。
技术介绍
1、传统拉制单晶硅所采用的单晶硅拉制炉通常由炭/炭坩埚和石英坩埚组成，即将石英坩埚嵌套于炭/炭坩埚中，石英坩埚起承载硅料的作用，保证硅料的纯度，而炭/炭坩埚起承载石英坩埚的作用，提供强度支撑。单晶硅拉制炉炉内温度高达1500℃，盛放硅料的石英坩埚会出现变形、软化等问题，更换十分频繁，大约使用1件炭/炭坩埚将消耗12～18件石英坩埚。另外，生产石英坩埚的原材料石英砂相对紧缺，近几年高纯石英砂价格的飞速上涨且供需不平衡，导致拉晶成本居高不下。
2、碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳基体形成的复合材料，具有低密度、高比强度、耐磨损、耐高温等优异性能，目前已广泛应用于航空航天、冶金、新能源等领域。目前已有科研人员提出了采用“一体化碳/碳复合材料坩埚”代替传统“炭/炭坩埚与石英坩埚组合方式”，一方面可以避免受高纯石英砂价格飞速上涨的影响，降低拉晶用材料成本，另一方面采用一体化的设计能够将材料与性能合二为一，最大程度发挥其优势，进一步降低产品成本。
3、一体化碳/碳复合材料坩埚是由碳纤维预制体经过致密化处理后并结合表面高性能涂层得到的。其中，碳纤维预制体是制备碳/碳复合材料坩埚的坯体，直接影响坩埚产品的使用寿命。碳纤维预制体通常是由碳纤维编织布、碳纤维网胎以及碳纤维丝组成，如：专利cn 111002435a公开了一种单晶硅炉用碳碳坩埚预制体编织工艺，在工装上先铺一层平纹布，之后铺一层网胎，然后在横向、纵向均用纤维长丝均匀缠绕，
技术实现思路
1、针对目前一体化碳/碳复合材料坩埚中的预制体与后续功能性涂层存在结合性差的问题，本专利技术提供一种基于单层结构的一体化坩埚预制体，该预制体采用纯网胎针刺铺层并喷淋树脂制备而成，整体为近各向同性结构，既保证预制体力学强度，又确保与后续功能性涂层的良好结合效果，进而能够提高坩埚产品的使用寿命，还简化了预制体的制备工艺。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
3、基于单层结构的一体化坩埚预制体，所述预制体是采用以下方法制备得到的：
4、(1)在芯模上采用碳纤维网胎进行针刺铺层，形成网胎层；
5、(2)在网胎层表面喷淋一层树脂，形成树脂层；
6、(3)多次重复步骤(1)～(2)的操作，在步骤(2)所述树脂层的表面形成先网胎层后树脂层的交替叠加结构，直至最后一次喷淋树脂后达到所述预制体所需厚度，得到预制体前驱体；
7、(4)对步骤(3)得到的预制体前驱体进行固化处理，得到基于单层结构的一体化坩埚预制体。
8、进一步地，所述碳纤维网胎是采用短切碳纤维制成的薄毡，面密度为50～500g/m2。
9、进一步地，所述网胎层的针刺密度为10～50针/cm2，针刺深度5～10mm。
10、进一步地，所述树脂层喷淋用的树脂为糠酮树脂或者酚醛树脂。
11、进一步地，所述树脂层的树脂喷淋量为0.5～1.5l/cm2。
12、进一步地，步骤(1)采用的是软质芯模，便于针刺，如木质芯模、橡胶芯模；而步骤(4)固化处理之前优选将软质芯模替换成硬质芯模，如金属芯模、石墨芯模，避免固化处理过程中芯模发生变形。
13、进一步地，固化处理的条件如下：固化压力为1.0～3.0mpa，固化温度为100～250℃，固化时间为3～5h。
14、进一步地，根据一体化坩埚的结构，由坩埚上部至下部沿其深度方向依次分为坩埚直筒段、坩埚r角过渡段、坩埚底面，则预制体中坩埚直筒段的厚度小于坩埚r角过渡段的厚度，坩埚r角过渡段的厚度小于等于坩埚底面的厚度。
15、进一步地，所述预制体中坩埚直筒段、坩埚r角过渡段、坩埚底面的厚度分别为200～500mm、300～600mm、400～800mm。
16、进一步地，一层网胎层与一层树脂层组成一个铺层单元，一个铺层单元的厚度为5～10mm。所述预制体中不同区域的不同厚度是由铺层单元数量不同实现的。
17、进一步地，所述预制体的密度为0.30～0.50g/cm3。
18、有益效果：
19、(1)本专利技术采用喷淋树脂的碳纤维网胎制备一体化坩埚预制体，一方面，喷淋树脂经固化处理后能在网胎层之间起力学支撑作用，不仅增加了基于纯网胎单层结构制备的一体化坩埚预制体的力学性能，还能使该预制体结构硬化而不易变形，更有利于运输以及存储；另一方面，均匀的各向同性纯网胎层作为一体化坩埚预制体的内表面，具备一定的粗糙度且均匀的表观质量，不仅利于后续功能性涂层的制备，而且提高了功能性涂层与坩埚基体的结合性能，解决因功能性涂层易脱落而影响坩埚产品使用寿命的问题。
20、(2)相对于由碳纤维编织布、碳纤维网胎以及碳纤维丝制成的预制体，本专利技术基于纯网胎制成的预制体的工艺操作更为简单，制备周期短。
21、(3)本专利技术所述铺层单元的厚度大，重复次数少，制备效率高，但纯网胎铺层的均匀度不易保证，容易导致预制体力学性能降低；反之若厚度小，则纯网胎铺层较为均匀，但重复次数多，制备效率较低。因此，合适的铺层单元厚度能够确保预制体中纯网胎铺层的均匀性及整体制备效率。
22、(4)基于坩埚自身的结构特征可知，r角处应力集中最大，易产生疲劳裂纹，增加此处厚度可有效使得直筒段向底面的平滑过渡，减少r角处应力集中问题；另外，受实际工况影响，r角处及底面处受硅熔体重力影响最大，增加该两处厚度可有效防止“漏硅”发生；且针对不同区域进行不同厚度的设置，可在确保预制体力学性能基础上，有效减少预制体整体重量，降低预制体的制造成本。
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1.基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述预制体是采用以下方法制备得到的：
2.根据权利要求1所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述碳纤维网胎是采用短切碳纤维制成的薄毡，面密度为50～500g/m2；
3.根据权利要求1所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述树脂层喷淋用的树脂为糠酮树脂或者酚醛树脂；
4.根据权利要求1所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：步骤(1)采用的是软质芯模，而步骤(4)固化处理之前需将软质芯模替换成硬质芯模。
5.根据权利要求4所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述软质芯模为木质芯模或橡胶芯模；
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：固化处理的条件如下：固化压力为1.0～3.0MPa，固化温度为100～250℃，固化时间为3～5h。
7.根据权利要求1所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：根据一体化坩埚的结构，由坩埚上部至下部沿其深度方向依次分为坩埚直筒段、坩埚R
8.根据权利要求7所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述预制体中坩埚直筒段、坩埚R角过渡段、坩埚底面的厚度分别为200～500mm、300～600mm、400～800mm。
9.根据权利要求1-3、7-8中任一项所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：一层网胎层与一层树脂层组成一个铺层单元，一个铺层单元的厚度为5～10mm。
10.根据权利要求9所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述预制体的密度为0.30～0.50g/cm3。
...【技术特征摘要】
1.基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述预制体是采用以下方法制备得到的：
2.根据权利要求1所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述碳纤维网胎是采用短切碳纤维制成的薄毡，面密度为50～500g/m2；
3.根据权利要求1所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述树脂层喷淋用的树脂为糠酮树脂或者酚醛树脂；
4.根据权利要求1所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：步骤(1)采用的是软质芯模，而步骤(4)固化处理之前需将软质芯模替换成硬质芯模。
5.根据权利要求4所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：所述软质芯模为木质芯模或橡胶芯模；
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于单层结构的一体化坩埚预制体，其特征在于：固化处理的条件如下：固化压力为1.0～3.0mpa，固化温度为100～25...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯雯菲，张永辉，白鸽，程皓，
申请(专利权)人：西安超码科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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