本发明涉及石英陶瓷技术领域，具体涉及一种石英陶瓷坩埚的制造方法。
背景技术：
石英陶瓷又称熔融石英陶瓷、石英玻璃陶瓷、石英玻璃烧结制品、熔融石英烧结制品,它是采用熔融石英或石英玻璃为原料,经粉碎、成形、烧成等一系列陶瓷工艺制备的制品,于20世纪60年代初最先由美国开发成功并投入批量生产。
石英陶瓷具有成本低、高温荷重软化温度高、热膨胀系数小、热稳定性好、耐化学侵蚀性好、介电性高及电阻大等优良特性。石英陶瓷因具有极低的热膨胀系数，其抗热冲击性能优异，同时具有优良的化学稳定性和极强的耐酸腐蚀性(除氢氟酸和热硫酸之外不溶于其它酸)，因此石英坩埚广泛应用于各种稀有金属、贵金属、特种玻璃等冶炼以及光伏行业的多晶硅铸锭方面。尤其在多晶硅铸锭所用的石英坩埚，因其尺寸大(1200*1200mm)，壁薄(约20mm)，制作难度较大。可以制成玻璃水平钢化炉用石英陶瓷辊、浮法玻璃窑用闸板砖、浮法玻璃退火炉用空心辊、铸钢用水口、金属带材热处理炉用空心辊、有色金属冶炼用水口、塞棒、流槽、坩埚、焦炉炉门，以及上升管内衬、玻璃工业用料碗、匀料筒、搅拌棒、料盆、旋转管、雷达天线罩等,广泛应用于宇宙飞船、火箭、导弹、雷达、原子能、电子、钢铁、炼焦、有色金属及玻璃等工业领域。
传统制作石英陶瓷坩埚的工艺中，均用熔融石英块料作为原料，在制作过程中也会产生不合格的废品，而这些废品不能再利用，只能废弃，造成了资源的浪费。
关于多晶铸锭用石英坩埚的成型方法，目前大都采用两种工艺：注浆工艺和注凝工艺。注浆工艺属于传统工艺，它有如下特点：工艺成熟；结构不均匀；生坯强度低；密度较高；成品率低成本高。越来越无法满足日趋发展的铸锭工艺要求。注凝工艺是近几年新兴的工艺，它的特点是：生坯强度高；结构均匀；适合做大尺寸坩埚；但其密度低、工艺复杂、成本较高。随着铸锭工艺的提高对坩埚纯度要求日益苛刻、坩埚成本的降低也不断提出新的要求，注浆工艺和注凝工艺都无法一次成型高纯复合坩埚、成本压力也日益增大。因此，急需一种全新工艺来满足坩埚工艺简单、低成本、高纯度、高密度、结构均匀的坩埚来满足铸锭市场不断发展的需求。
此外传统的石英陶瓷坩埚内表面不够光滑，容易粘料，较难清洁，使用成本高。
技术实现要素：
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种工艺简单、低成本、高纯度、高密度、石英陶瓷坩埚内表面光滑、不容易粘料、易清洁结、构均匀的石英陶瓷坩埚制造方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种石英陶瓷坩埚的制造方法，所述制造方法包括如下工艺步骤：
s1：原料的选取，分别选用纯度为：99.9％普通纯度的熔融石英砂、99.995％高纯度的熔融石英砂和99.9999％超高纯度熔融石英砂中的一种、或两种、或三种作为主要原料，每种纯度的熔融石英砂分别按照不同粒度进行配置，其中每种粒度的熔融石英砂所占的质量百分比分别为：
2～0.5mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为5％～35％；
0.5～0.1mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为15％～40％；
0.1～0.09mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为10％～35％；
小于0.09mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为10％～35％；
s2：浆料制备，将步骤s1中配比的熔融石英砂均匀混合后加入10～30wt％的超纯水和0.2～10wt％的粘结剂，然后在球磨机或搅拌机中充分混合制成料浆；
s3：生坯成型，将s2步骤中制得的浆料注入成型喷涂设备，通过调节喷涂压力和喷枪移动速度调节每次喷涂的厚度，通过机械臂在模具内壁上进行循环喷涂，直至达到设定的壁厚，根据设定的纯度要求，控制坩埚内壁层与外壁层的熔融石英砂纯度，其中内壁层用高纯度和/或超高纯度的料浆喷涂，外壁层用普通纯度的浆料喷涂，喷涂结束后将坩埚生坯从模具中取出；
s4：生坯干燥，将s3步骤中制成的坩埚生坯在40～150℃的温度下干燥4～20小时；
s5：烧结，将s4步骤中得到的坩埚生坯放入烧结窑炉中，坩埚生坯在烧结窑炉中由常温升温至1100～1200℃，然后在1100～1200℃下保温2～8小时。
为了提高坩埚内壁层的质量，同时又能降低坩埚的制造成本，优选的技术方案是，所述s3步骤中的成型喷涂设备分为外壁成型喷涂设备和内壁成型喷涂设备，外壁成型喷涂设备是注入浆料普通纯度的熔融石英砂浆料的喷涂设备，内壁成型喷涂设备又分为注入高纯度的熔融石英砂浆料的喷涂设备和注入的超高纯度熔融石英砂浆料的喷涂设备。
为了提高坩埚内壁层的质量，同时又能降低坩埚的制造成本，进一步优选的技术方案，所述s3步骤中先采用注入浆料普通纯度的熔融石英砂浆料的喷涂设备喷涂外壁层，然后再采用注入高纯度的熔融石英砂浆料的喷涂设备喷涂内壁层，或再采用注入超高纯度的熔融石英砂浆料的喷涂设备喷涂内壁层，或再采用注入高纯度的熔融石英砂浆料的喷涂设备喷涂内壁中层后再采用注入超高纯度的熔融石英砂浆料的喷涂设备喷涂内壁外层。
为了有效地将熔融石英砂粘合成浆状原料，便于注入到喷涂设备内，同时便于坩埚的成型，便于烧结后将熔融石英砂凝固成整体结构，优选的技术方案还有，所述s2步骤中粘结剂的成分为甲基纤维素、聚乙烯醇类有机粘结剂或者高纯硅溶胶类粘结剂。
为了便于坩埚体的成型，便于磨具的加工制造，降低磨具的制造成本，优选的技术方案还有，所述s3步骤中的模具为石膏模具、金属模具、树脂模具、木模具中的任意一种。
为了提高干过制造工艺的自动化水平，提高坩埚的生产效率，提高坩埚的成型质量，能够达到随意调节坩埚内壁层与外壁层的厚度，优选的技术方案还有，所述s3步骤中喷涂设备的喷枪连接在机械手上，机械手根据喷涂压力和喷涂速度自动调整并喷涂。
为了确保坩埚成型过程中能够快速的定型，保持生坯干燥，喷涂上的料浆能及时吸附在生坯表面而不出现流浆现象，优选的技术方案还有，所述s3步骤中成型过程中模具的温度需要保持在40～90℃。
为了提高坩埚内壁层的质量，同时又能降低坩埚的制造成本，确保坩埚具有一定的强度，优选的技术方案还有，所述s3步骤中外壁层的喷涂厚度为12～18mm，内壁层的喷涂厚度为2～8mm。
为了提高喷涂设备的自动化程度，提高喷涂效率，使其喷涂的坩埚结构能够达到多样化的效果，优选的技术方案还有，所述s3步骤中的成型喷涂设备为3d打印机。
为了确保干过的烧结过程加热均匀、烧结后石英砂与粘结剂之间结合的牢固，优选的技术方案还有，所述s2步骤中在球磨机或搅拌机中充分混合的时间为8～12小时。
本发明的优点和有益效果在于：所述石英陶瓷坩埚的制造方法，根据增材制造的理念并结合梯度功能材料的原理建立起来的3d-fgm打印技术应用在石英陶瓷坩埚制作中，该制造方法具有工艺简单、低成本、高纯度、高密度、石英陶瓷坩埚内表面光滑、不容易粘料、易清洁结、构均匀、成型效率高等特点。该制造方法适合应用在大尺寸薄壁坩埚的生产制造，能满足要求日趋苛刻的多晶铸锭行业的要求。在该制造方法是在不同纯度石英原料的基础上进行合理的粒度级配并制成石英料浆，可对喷涂参数进行优化，形成一套工艺简单、效率高、周期短、成本低、结构均匀、密度高、纯度和材质梯度自由过渡的3d-fgm打印技术。
具体实施方式
下面结合和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明是一种石英陶瓷坩埚的制造方法，所述制造方法包括如下工艺步骤：
第一步：原料的选取，分别选用纯度为：99.9％普通纯度的熔融石英砂，熔融石英砂分别按照下列粒度进行配置，其中每种粒度的熔融石英砂所占的质量百分比分别为：
2～0.5mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为25％；
0.5～0.1mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为30％；
0.1～0.09mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为25％；
小于0.09mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为20％；
第二步：浆料制备，将第二步中配比的熔融石英砂均匀混合后加入30wt％的超纯水和0.2wt％的甲基纤维素粘结剂，然后在球磨机或搅拌机中充分混合制成料浆；
第三步：生坯成型，将第二步中制得的浆料注入成型喷涂设备，将喷涂的压力调节为0.5mpa，将喷枪移动速度调节为10mm/s，通过机械臂在模具内壁上进行循环喷涂，直至达到20mm的壁厚，喷涂结束后将坩埚生坯从模具中取出；
第四步：将第三步中得到的坩埚生坯在80℃的温度下干燥10小时；
第五步：烧结，将第四步中得到的坩埚生坯放入烧结窑炉中，坩埚生坯在烧结窑炉中由常温升温至1120℃，然后在1120℃下保温5小时。
为了提高坩埚内壁层的质量，同时又能降低坩埚的制造成本，本发明优选的实施方案是，所述第三步中的成型喷涂设备分为外壁成型喷涂设备，外壁成型喷涂设备是注入浆料普通纯度的熔融石英砂浆料的喷涂设备。
为了便于坩埚体的成型，便于磨具的加工制造，降低磨具的制造成本，本发明优选的实施方案还有，所述第三步中的模具为金属模具。
为了确保坩埚成型过程中能够快速的定型，保持生坯干燥，喷涂上的料浆能及时吸附在生坯表面而不出现流浆现象，本发明优选的实施方案还有，所述第三步中成型过程中模具的温度需要保持在70℃。
为了提高喷涂设备的自动化程度，提高喷涂效率，使其喷涂的坩埚结构能够达到多样化的效果，本发明优选的实施方案还有，所述第三步中的成型喷涂设备为3d打印机。
为了确保干过的烧结过程加热均匀、烧结后石英砂与粘结剂之间结合的牢固，本发明优选的实施方案还有，所述第二步中在球磨机或搅拌机中充分混合的时间为10小时。
在本实施例中，主要用于制造成型1200*1200mm、壁厚为20mm的多晶铸锭坩埚，坩埚的密度为1.97g/cm3，抗折强度为23mpa。
实施例2
本发明是一种石英陶瓷坩埚的制造方法，所述制造方法包括如下工艺步骤：
第一步：原料的选取，分别选用纯度为：99.9％普通纯度的熔融石英砂和99.995％高纯度的熔融石英砂，熔融石英砂分别按照下列粒度进行配置，其中每种粒度的熔融石英砂所占的质量百分比分别为：
2～0.5mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为35％；
0.5～0.1mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为25％；
0.1～0.09mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为20％；
小于0.09mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为20％；
第二步：浆料制备，将第一步中配比的熔融石英砂均匀混合后加入25wt％的超纯水和0.2wt％的聚乙烯醇粘结剂，然后在球磨机或搅拌机中充分混合制成料浆；
第三步：生坯成型，将第二步中制得的浆料注入成型喷涂设备，将喷涂的压力调节为0.6mpa，将喷枪移动速度调节为8mm/s，通过机械臂在模具内壁上进行循环喷涂，首先采用外壁成型喷涂设备，注入浆料普通纯度的熔融石英砂浆料，由外壁成型喷涂设备生坯壁厚到18mm的外壁层后，然采用内壁成型喷涂设备，注入浆料高纯度的熔融石英砂浆料后，切换内壁成型喷涂设备继续喷涂，使壁厚达到20mm时喷涂结束后将坩埚生坯从模具中取出；
第四步：将第三步骤中得到的坩埚生坯在120℃的温度下干燥5小时；
第五步：烧结，将第四步中得到的坩埚生坯放入烧结窑炉中，坩埚生坯在烧结窑炉中由常温升温至1150℃，然后在1150℃下保温4小时。
为了提高坩埚内壁层的质量，同时又能降低坩埚的制造成本，本发明优选的实施方案是，所述第三步骤中的成型喷涂设备分为外壁成型喷涂设备和内壁成型喷涂设备，在外壁成型喷涂设备中注入浆料普通纯度的熔融石英砂浆料，在内壁成型喷涂设备中注入浆料高纯度的熔融石英砂浆料。
为了便于坩埚体的成型，便于磨具的加工制造，降低磨具的制造成本，本发明优选的实施方案还有，所述第三步中的模具为金属模具。
为了确保坩埚成型过程中能够快速的定型，保持生坯干燥，喷涂上的料浆能及时吸附在生坯表面而不出现流浆现象，本发明优选的实施方案还有，所述第三步中成型过程中模具的温度需要保持在70℃。
为了提高喷涂设备的自动化程度，提高喷涂效率，使其喷涂的坩埚结构能够达到多样化的效果，本发明优选的实施方案还有，所述第三步中的成型喷涂设备为3d打印机。
为了确保干过的烧结过程加热均匀、烧结后石英砂与粘结剂之间结合的牢固，本发明优选的实施方案还有，所述第二步中在球磨机或搅拌机中充分混合的时间为8小时。
在本实施例中，主要用于制造成型1050*1050mm、壁厚为20mm的高纯多晶铸锭坩埚，坩埚的密度为1.98g/cm3，抗折强度为24mpa。高纯坩埚能大幅度减少硅锭的侧面红区和底部红区，对电池片转换效率有明显提升。
实施例3
本发明是一种石英陶瓷坩埚的制造方法，所述制造方法包括如下工艺步骤：
第一步：原料的选取，分别选用纯度为：99.9％普通纯度的熔融石英砂、99.995％高纯度的熔融石英砂和99.9999％超高纯度的熔融石英砂，熔融石英砂分别按照下列粒度进行配置，其中每种粒度的熔融石英砂所占的质量百分比分别为：
2～0.5mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为25％；
0.5～0.1mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为27％；
0.1～0.09mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为23％；
小于0.09mm粒度的熔融石英砂所占的质量百分比为25％；
第二步：浆料制备，将第一步中配比的熔融石英砂均匀混合后加入20wt％的超纯水和8wt％的硅溶胶粘结剂，然后在球磨机或搅拌机中充分混合制成料浆；
第三步：生坯成型，将第二步中制得的浆料注入成型喷涂设备，将喷涂的压力调节为0.9mpa，将喷枪移动速度调节为12mm/s，通过机械臂在模具内壁上进行循环喷涂，首先采用外壁成型喷涂设备，注入浆料普通纯度的熔融石英砂浆料，由外壁成型喷涂设备生坯壁厚到15mm的外壁层后，然采用内壁中层成型喷涂设备，注入浆料高纯度的熔融石英砂浆料后，切换内壁中层成型喷涂设备继续喷涂，使壁厚达到18mm，然采用内壁外层成型喷涂设备，注入浆料超高纯度的熔融石英砂浆料后，切换内壁外层成型喷涂设备继续喷涂，使壁厚达到21mm时喷涂结束后将坩埚生坯从模具中取出；
第四步：将第三步中得到的坩埚生坯在70℃的温度下干燥15小时；
第五步：烧结，将第四步中得到的坩埚生坯放入烧结窑炉中，坩埚生坯在烧结窑炉中由常温升温至1130℃，然后在1130℃下保温5小时。
为了提高坩埚内壁层的质量，同时又能降低坩埚的制造成本，本发明优选的实施方案是，所述第三步中的成型喷涂设备分为外壁成型喷涂设备、内壁中层成型喷涂设备和内壁外层成型喷涂设备，在外壁成型喷涂设备中注入浆料普通纯度的熔融石英砂浆料，在内壁中层成型喷涂设备中注入浆料高纯度的熔融石英砂浆料，在内壁外层成型喷涂设备中注入浆料超高纯度的熔融石英砂浆料。
为了便于坩埚体的成型，便于磨具的加工制造，降低磨具的制造成本，本发明优选的实施方案还有，所述第三步中的模具为金属模具。
为了确保坩埚成型过程中能够快速的定型，保持生坯干燥，喷涂上的料浆能及时吸附在生坯表面而不出现流浆现象，本发明优选的实施方案还有，所述第三步中成型过程中模具的温度需要保持在85℃。
为了提高喷涂设备的自动化程度，提高喷涂效率，使其喷涂的坩埚结构能够达到多样化的效果，本发明优选的实施方案还有，所述第三步中的成型喷涂设备为3d打印机。
为了确保干过的烧结过程加热均匀、烧结后石英砂与粘结剂之间结合的牢固，本发明优选的实施方案还有，所述第二步中在球磨机或搅拌机中充分混合的时间为12小时。
在本实施例中，主要用于制造成型1200*1200mm、壁厚为21mm的超高纯多晶铸锭坩埚，坩埚的密度为1.99g/cm3，抗折强度为25mpa。超高纯坩埚可彻底消除硅锭侧面红区、大幅度降低底部红区，能显著提升电池片转换效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。