一种碳碳坩埚的预制体结构的制作方法

1.本实用新型涉及碳碳坩埚技术领域，特别涉及一种碳碳坩埚的预制体结构。


背景技术：

2.长期以来，能源一直是各国经济发展中的热点问题。本世纪以来，由于石油、天然气价格持升，各国能源问题空前紧张。综观全球各国的能源战略和政策，可以看出很多的共同点。其中，首次把积极开发利用新能源和可再生能源，提高能源的利用效率，厉行节能政策提到了能源战略的高度。
3.近几年来，我国根据自身国情，制定了相应的能源战略，积极引导新能源和可再生能源的开发利用，鼓励相关产业的发展。特别是在太阳能光伏产业，取得了显著的成绩。我国光伏产业的快速发展，也给一些相关生产企业带来了历史性的发展机遇。单晶炉热场关键零部件高纯等压石墨坩埚，使用量逐年递增，由于热场尺寸逐渐增大，石墨坩埚的缺点也日益暴露，综合性价比更高的碳/碳坩埚开始进入市场，逐步替代石墨坩埚。
4.随着碳纤维复合材料的应用越来越广泛，在单晶拉制的过程中，石墨/碳碳坩埚为关键核心部件，起高温承载作用，石墨/碳碳坩埚承载石英坩埚和多晶硅等原料的重量，保证高温石英坩埚变软后，原料不会泄露出来，并且在拉晶过程中承载原料做旋转运动，因此，对其力学性能要求比较高；在紧急情况下停炉时，由于多晶硅冷却时体积膨胀约10％，石墨/碳碳坩埚短时间内会承受很大的应力；坩埚强度低，在这种情况下一般会炸裂而报废。
5.基于现有技术存在的缺点，急需研究一种碳碳坩埚的预制体结构，来解决上述问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本实用新型的提供了一种碳碳坩埚的预制体结构，本实用新型通过将第一保护壳体和第二保护壳体覆盖在预制碳碳坩埚本体的内外表面，并通过针刺连接，使得第一保护壳体和第二保护壳体紧密连接在预制碳碳坩埚本体的内外表面，进而保证在使用化学沉积增加碳碳坩埚密度时，能够在第一保护壳体和第二保护壳体表面被堵塞时，能够及时去除一定厚度的第一保护壳体和第二保护壳体，使得能够再次进行化学沉积增加密度，进而在最大程度上增加碳碳坩埚的成品密度，也提高了碳碳坩埚的强度，避免其在工作过程中损坏，进而也降低了生产成本。
7.本实用新型公开了一种碳碳坩埚的预制体结构，包括预制碳碳坩埚本体、第一保护壳体和第二保护壳体；
8.所述预制碳碳坩埚本体、所述第一保护壳体和所述第二保护壳体均为两端开口的结构；
9.所述预制碳碳坩埚本体和所述第一保护壳体依次套设在所述第二保护壳体上，所述预制碳碳坩埚本体、所述第一保护壳体和所述第二保护壳体针刺连接。
10.进一步地，所述预制碳碳坩埚本体包括侧壁、过渡部和底壁；
11.所述侧壁和所述底壁通过所述过渡部连接，所述底壁的厚度大于所述侧壁的厚度，且小于所述过渡部的厚度。
12.进一步地，所述第一保护壳体上设置有至少两个限位凸起，所述限位凸起用于与碳碳埚托的限位槽匹配。
13.进一步地，所述过渡部的位置与所述限位凸起的位置相对应，所述过渡部的厚度为25-45mm。
14.进一步地，所述预制碳碳坩埚本体包括针刺连接的复合碳布层、环向碳丝层、网格缠丝层和碳纤维网胎层；
15.所述环向碳丝层套设在所述复合碳布层的侧壁上，所述网格缠丝层套设在所述环向碳丝层和所述复合碳布层的弧形过渡部和底壁上；所述碳纤维网胎层套设在所述网格缠丝层上。
16.进一步地，所述环向碳丝层沿着所述复合碳布层周向缠绕；
17.所述网格缠丝层包括第一缠丝层和第二缠丝层，所述第一缠丝层以第一角度缠绕在所述环向碳丝层以及所述复合碳布层的弧形过渡部和底部；
18.所述第二缠丝层以第二角度缠绕在所述第一缠丝层上。
19.进一步地，所述第一角度为30
°
至45
°
；所述第二角度为-30
°
至-45
°
。
20.进一步地，所述复合碳布层、所述环向碳丝层和所述网格缠丝层的总克重与所述碳纤维网胎层的克重比为(65％-80％)：(20％-35％)。
21.进一步地，所述第一保护壳体和所述第二保护壳体的克重为60-100g/m2，所述第一保护壳体和所述第二保护壳体的侧壁厚度为2-3mm。
22.进一步地，针刺连接后，所述预制碳碳坩埚本体、所述第一保护壳体和所述第二保护壳体的两端开口形成相对设置的、能够容纳坩埚盖体的第一开口和能够容纳底座的第二开口。
23.实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：
24.本实用新型通过将第一保护壳体和第二保护壳体覆盖在预制碳碳坩埚本体的内外表面，并通过针刺连接，使得第一保护壳体和第二保护壳体紧密连接在预制碳碳坩埚本体的内外表面，进而保证在使用化学沉积增加碳碳坩埚密度时，能够在第一保护壳体和第二保护壳体表面被堵塞时，能够及时去除一定厚度的第一保护壳体和第二保护壳体，使得能够再次进行化学沉积增加密度，进而在最大程度上增加碳碳坩埚的成品密度，同时也提高了碳碳坩埚的强度，避免其在工作过程中损坏，进而也降低了生产成本。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其它附图。
26.图1为本实施例所述碳碳坩埚的预制体结构的结构图；
27.图2为本实施例所述碳碳坩埚的预制体结构的结构图；
28.图3为本实施例所述预制碳碳坩埚本体的结构图；
29.图4为本实施例所述网格缠丝层的结构图。
30.其中，图中附图标记对应为：
31.1-预制碳碳坩埚本体；2-第一保护壳体；3-第二保护壳体；11-侧壁；12-过渡部；13-底部；14-复合碳布层；15-环向碳丝层；16-网格缠丝层；17-碳纤维网胎层；21-限位凸起。
具体实施方式
32.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.现有技术存在以下缺点：随着碳纤维复合材料的应用越来越广泛，在单晶拉制的过程中，石墨/碳碳坩埚为关键核心部件，起高温承载作用，石墨/碳碳坩埚承载石英坩埚和多晶硅等原料的重量，保证高温石英坩埚变软后，原料不会泄露出来，并且在拉晶过程中承载原料做旋转运动，因此，对其力学性能要求比较高；在紧急情况下停炉时，由于多晶硅冷却时体积膨胀约10％，石墨/碳碳坩埚短时间内会承受很大的应力；坩埚强度低，在这种情况下一般会炸裂而报废。
35.针对现有技术的缺陷，本实用新型通过将第一保护壳体和第二保护壳体覆盖在预制碳碳坩埚本体的内外表面，并通过针刺连接，使得第一保护壳体和第二保护壳体紧密连接在预制碳碳坩埚本体的内外表面，进而保证在使用化学沉积增加碳碳坩埚密度时，能够在第一保护壳体和第二保护壳体表面被堵塞时，能够及时去除一定厚度的第一保护壳体和第二保护壳体，使得能够再次进行化学沉积增加密度，进而在最大程度上增加碳碳坩埚的成品密度，同时也提高了碳碳坩埚的强度，避免其在工作过程中损坏，进而也降低了生产成本。
36.实施例1
37.参见附图1～图4，本实施例提供了一种碳碳坩埚的预制体结构，包括预制碳碳坩埚本体1、第一保护壳体2和第二保护壳体3；
38.预制碳碳坩埚本体1、第一保护壳体2和第二保护壳体3均为两端开口的结构；
39.预制碳碳坩埚本体1和第一保护壳体2依次套设在第二保护壳体3上，预制碳碳坩埚本体1、第一保护壳体2和第二保护壳体3针刺连接。
40.需要说明的是：本实用新型通过将第一保护壳体和第二保护壳体覆盖在预制碳碳
坩埚本体的内外表面，并通过针刺连接，使得第一保护壳体和第二保护壳体紧密连接在预制碳碳坩埚本体的内外表面，进而保证在使用化学沉积增加碳碳坩埚密度时，能够在第一保护壳体和第二保护壳体表面被堵塞时，能够及时去除一定厚度的第一保护壳体和第二保护壳体，使得能够再次进行化学沉积增加密度，进而在最大程度上增加碳碳坩埚的成品密度，同时也提高了碳碳坩埚的强度，避免其在工作过程中损坏，还使用回收的碳纤维预制体也避免了浪费碳纤维原材料，进而也降低了生产成本。
41.还需要说明的是：第一保护壳体2和第二保护壳体3的材质相同，第一保护壳体2包括由回收的碳纤维预制体针刺成型的碳纤维层，在制备碳碳坩埚的成品时，可对增密过程后的第一保护壳体2和第二保护壳体3进行减薄处理，减薄处理时对第一保护壳体2处处减薄相同厚度。
42.具体地，回收的碳纤维预制体是碳纤维织物(包括碳布/网胎或无纬布/网胎的混合物，回收主要针对性回收边料中的长纤维)和网胎通过铺层设计，经针刺机逐层针刺成型，这个针刺过程，由于产品边缘处没有约束，刺针的反复向下运动，会使预制体边缘的碳纤维向外侧延伸滑移，从而边缘位置会因为纤维的滑移，而有所塌陷，出现边缘偏薄。因此在预制体坯体设计时，会放有一定的裁切余量(将塌陷位置裁切掉)，确保预制体经裁切后，边缘处与其他地方等厚度。
43.在一些可能的实施例中，预制碳碳坩埚本体1包括侧壁11、过渡部12和底壁13；
44.侧壁11和底壁13通过过渡部12连接，底壁13的厚度大于侧壁11的厚度，且小于过渡部12的厚度，通过增厚过渡部12能够增强其受力强度。
45.在一些可能的实施例中，如图2所示，第一保护壳体2上设置有至少两个限位凸起21；限位凸起21经过后续减薄处理后得到碳碳坩埚成品时，仍为凸起结构，所述凸起结构用于与碳碳埚托的限位槽匹配，通过凸起结构与限位槽配合，保证碳碳坩埚与碳碳埚托连接的稳定性，同时也避免使用复杂安装结构，这减少了整体成本。
46.在一些可能的实施例中，过渡部12的位置与限位凸起21的位置相对应，过渡部12的厚度为25-45mm。
47.在一些可能的实施例中，限位凸起21的数量根据实际情况设定，只要保证成品碳碳坩埚与其配合的碳碳埚托配合稳定。
48.具体地，限位凸起21的数量为两个，两个限位凸起321对称设置，形状美观，便于加工，降低成本。
49.在一些可能的实施例中，预制碳碳坩埚本体1包括针刺连接的复合碳布层4、环向碳丝层15、网格缠丝层16和碳纤维网胎层17；
50.环向碳丝层15套设在复合碳布层4的侧壁上，网格缠丝层16套设在环向碳丝层15和复合碳布层4的弧形过渡部和底壁上；碳纤维网胎层17套设在网格缠丝层16上。
51.具体地，复合碳布层4、环向碳丝层15、网格缠丝层16和碳纤维网胎层17在针刺时，采用针柄直径较粗的刺针行针刺，刺针通常为c333型14
×
16
×
36
×
3，使用该刺针能够更好增加层间结合强度，针刺密度控制在30-35针/cm2，孔隙率控制在60-70％。
52.在本实施例中，碳碳坩埚的预制体结构的密度0.45-0.5g/cm3，在碳碳坩埚的预制体结构经过化学沉积增密后，密度变为1.1-1.2g/cm3。
53.在一些可能的实施例中，环向碳丝层15沿着复合碳布层4周向缠绕；
54.网格缠丝层16包括第一缠丝层和第二缠丝层，第一缠丝层以第一角度缠绕在环向碳丝层15以及复合碳布层4的弧形过渡部和底部；
55.第二缠丝层以第二角度缠绕在第一缠丝层上。
56.在一些可能的实施例中，第一角度为30
°
至45
°
；第二角度为-30
°
至-45
°
。
57.需要说明的是：在单晶拉制的过程中，碳碳坩埚为关键核心部件，起高温承载作用，碳碳坩埚承载石英坩埚和多晶硅等原料的重量，保证高温石英坩埚变软后，原料不会泄露出来，并且在拉晶过程中承载原料做旋转运动，因此，对其力学性能要求比较高。在紧急情况下停炉时，由于多晶硅冷却时体积膨胀约10％，碳碳坩埚短时间内会承受很大的应力，在这种情况下一般会炸裂而报废，尤其过渡部12处受力最大。
58.具体地，通过第一缠丝层以第一角度缠绕在环向碳丝层15以及复合碳布层4的弧形过渡部和底部，第二缠丝层以第二角度缠绕在第一缠丝层上，增加了过渡部12处强度。
59.优选地，第一缠丝层以30
°
缠绕在环向碳丝层15以及复合碳布层4的弧形过渡部和底部，第二缠丝层以-30
°
缠绕在第一缠丝层上，进而增加过渡部12处强度。
60.优选地，第一缠丝层以45
°
缠绕在环向碳丝层15以及复合碳布层4的弧形过渡部和底部，第二缠丝层以-45
°
缠绕在第一缠丝层上，进而增加过渡部12处强度。
61.在一些可能的实施例中，复合碳布层4、环向碳丝层15和网格缠丝层16的总克重与碳纤维网胎层17的克重比为(65％-80％)：(20％-35％)。
62.具体地，复合碳布层4由碳纤维布和碳纤维网胎针刺复合而成，碳纤维布延展性大，如果只使用碳纤维布经纬方向的碳丝容易滑移或弯曲，而使用碳纤维布和碳纤维网胎针刺复合后，碳纤维布的经纬方向固定，容易方便剪裁及铺层。
63.在一些可能的实施例中，第一保护壳体2和第二保护壳体3的克重为60-100g/m2，第一保护壳体2和第二保护壳体3的侧壁厚度为2-3mm，通过设置第一保护壳体2和第二保护壳体3，能够防止在后续对碳碳坩埚的预制体结构增密过程中可能因操作失误造成的轻微磕碰变形。
64.在一些可能的实施例中，针刺连接后，预制碳碳坩埚本体1、第一保护壳体2和第二保护壳体3的两端开口形成相对设置的、能够容纳坩埚盖体的第一开口和能够容纳底座的第二开口。
65.在一些可能的实施例中，第二保护壳体3的内径与预制碳碳坩埚本体1的内径的差值为8-10mm。
66.虽然本实用新型已经通过优选实施例进行了描述，然而本实用新型并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本实用新型范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
67.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
68.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征能够相互结合。
69.以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。