一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料及制备方法
【专利摘要】一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料及制备方法，包括以下重量百分比的高纯石英砂，其中A料和B料为62~72%，C料为20~28%，D料为7~11%；A料为粒径为2~60mm，B料粒度为4~20目，C料粒度为50~100目，D料粒度为100~200目；按重量百分比计的A料和B料与去离子水混合，经过球磨机球磨和均化罐均化后，与C料和D料混合，搅拌后得到用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料。本发明通过采用从大至小四级粒径级配，且增设均化工序的方式，实现高强度石英坩埚注浆浆料的制备，制成的浆料流动性良好，适于真空注浆工艺。采用两次混合的方式，将两种小粒径物料在均化工序后添加，从而降低了能耗。
【专利说明】一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石英坩埚的制备领域，特别是一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料及制备方法。
【背景技术】
[0002]石英坩埚用原料要求纯度高、一致性好，粒度分布均匀。有害成分高时会影响坩埚的熔制，影响其耐温性，还会出现气泡、色斑、脱皮等现象，严重时造成石英坩埚软化漏硅。例如:当Al含量过高时会对拉制单晶硅的纯度产生影响，当Na、K、Li等元素含量高时会使石英坩埚软化温度降低，当Co、Mo、Fe等元素含量高时会产生色斑。有害元素总含量高还会产生一些气泡、白斑等缺陷，造成石英坩埚透明度下降，严重时还影响坩埚成形。
[0003]现有的用于太阳能电池材料例如多晶硅领域的石英坩埚，还要求形成的坯体干燥、烧成收缩率小的性能要求，同时还需要具备良好的电性能，要求电阻很大，介电常数与介电损耗角正切值随温度的变化都远低于其它高温陶瓷。尤其是较大尺寸的制品对于强度要求较高。
[0004]中国专利文献CN101880166B提供了一种大型石英陶瓷坩埚的制备方法，采用了四种粒料级配的方式配置浆料，但是该种配比并非最优，存在问题是成品强度不足，不能满足单晶硅或多晶硅生产领域的需要。且全部粒料均进入球磨机制浆能耗浪费较大。
[0005]中国专利文献CN102153272A公开了一种制造高致密石英陶瓷坩埚的工艺，采用了两级级配的方式，且浆料是石英玻璃加水磨细制浆，然后加入石英干粉、硅溶胶，混合后搅拌形成浇注浆料，节省了能耗。存在的问题是级配的配比并未达到最佳，且因含水量较低，不适于真空注浆工艺。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料及制备方法，制成的浆料流动性良好，适于注浆成型，制成的成品强度高。
[0007]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料，包括以下重量百分比的高纯石英砂，其中A料和B料为62~72%，C料为20~28%，D料为7~11% ；
其中按重量份计的A料:B料为1(T12:25 ；
A料为粒径为2~60mm，B料粒度为4~20目，C料粒度为50~100目，D料粒度为100~200
目；
按重量百分比计的A料和B料7911%与去离子水If 21%混合，经过球磨机球磨和均化罐均化后，与C料和D料混合，搅拌后得到用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料。
[0008]混合后，还添加有浆料总重量0.09、.11%的羧甲基纤维素(CMC)。
[0009]优选的，按重量百分比计A料和B料为67%，C料为24%，D料为9%。
[0010]所述的高纯石英砂为按重量百分比计的SiO2≥99.99%,且Al2O3 ≤68ppm、Fe2O3 ^ 26ppm、K20 ^ lOppm、Na2O ^ 15ppm。
[0011]在球磨机球磨后的浆料粒度要求为1.47 μ m < dlO% < 1.49 μ m，pH值为3.0-4.5，密度要求为1745~1775g/cm3。
[0012]均化后的浆料粒度要求为1.45μπι< dlO% < 1.49ym, pH值为3.0~5.0，密度要求为 1823~1827g/cm3。
[0013]一种制备上述的注浆浆料的方法，包括以下步骤:
一、在球磨机内装入A料和B料，按重量份计A料:B料为10-12:25，加入去离子水，按重量百分比计的A料和B料79~81与去离子水19~21%混合；
二、球磨10~13h后，压入均化罐；
三、在均化罐内至少均化12天，以提高浆料的悬浮性能；
四、均化后的浆料与C料和D料混合，按重量份计A料和B料为62~72%，C料为20~28%，D料为7~11%，加入浆料总重量0.09、.11%的羧甲基纤维素(CMC)搅拌后即得到用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料。
[0014]在步骤二中，球磨罐内的电导率要控制在10-35 μ S/cm范围内，使用的去离子水电导率要小于5 μ S/cm，出磨浆料粒度要求为1.47μπι< dlO% < L 49 μ m，电导率要求为10~35 μ S/cm，黏度要求为10(T200mPa.s，温度要求为40~75°C，pH值为3.0~4.5，密度要求为1745~1775g/cm3，流动性要求为65~75s。
[0015]在步骤三中，在均化期间内，将浆料的密度从1745~1775 g/cm3逐步提升至1823~1827g/cm3。`
[0016]在步骤四中，均化后的浆料电导率要求为lOlSyS/cm，黏度要求为240~500mPa.s，pH值为3.0~5.0，温度要求为40~75°C，密度要求为1823~1827g/cm3。
[0017]本发明提供的一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料及制备方法，通过采用从大至小四级粒径级配，且增设均化工序的方式，实现高强度石英坩埚注浆浆料的制备，制成的浆料流动性良好，适于真空注浆工艺。采用两次混合的方式，将两种小粒径物料在均化工序后添加，从而降低了能耗。采用本发明的浆料制备的成品具有以下的优点:
1、原料是高达99.99%的高纯硅，形成的坩埚材质主成分与多晶硅的成分相近，不与硅液发生反应，从而最大程度的减少对硅料的污染，且不被高温硅熔液侵蚀。
[0018]2、化学性质稳定。盐酸、硫酸、硝酸以及玻璃液等与其几乎都不发生反应，锂、钠、钾等金属熔体与其也不产生反应。
[0019]3、形成的坯体干燥、烧成收缩率小，一般干燥、烧成收缩率小于5%，因此，利于制备大尺寸制品。
[0020]4、良好的电性能。制成的熔融石英陶瓷电阻很大，介电常数与介电损耗角正切值随温度的变化都远低于其它高温陶瓷；
5、四种粒度原料比例搭配合理，可形成固相紧密堆积，增加产品强度，减少产品裂缝。经试验，本发明的注浆浆料制成的产品具有高的体积密度以及抗折、抗压强度等物理性能，以保证坩埚在常温条件下的移动、运输及高温下的使用性能。该配方生产的产品常温抗折强度为25MPa，抗压强度为80MPa，质量优于同类产品。
[0021]6、在保证流动性的前提下A料和B料中的固相含量已高达80%，添加C料和D料后的固相含量则达到86%，在此高固相的前提下，本发明的浆料仍流动性良好，大大降低了注浆成型的吸浆时间，缩短了产品生产流程，提高了工作效率。
[0022]7、后期添加C料和D料的方式降低了球磨时间和均化时间，节省了能耗。以往常见配方将各个粒度原料一并投入到罐中球磨到指定粒度，耗时耗力，本发明只将大粒径的原料球磨，然后再添加小粒径原料混料，石英颗粒级配合理，增加了料浆致密度，也同时降低了混料能耗。
[0023]8、本发明制成的产品热膨胀系数小，热震稳定性好，从而保证其在高温且温度变化的条件下使用状况稳定，不会产生破损。
[0024]9、产品抗高温变形的能力好，以使坩埚在高温条件下仍能有效的盛装多晶硅熔液而不瘫软。
【具体实施方式】
[0025]实施例1:
一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料，包括以下重量百分比的高纯石英砂，所述的高纯石英砂为按重量百分比计的SiO2≥99.99%,且Al2O3≤ 68ppm、Fe2O3 ≤ 26ppm、K2O ≤ lOppm、Na2O≤ 15ppm。
[0026]其中A料和B料为62~72%，C料为20~28%，D料为7~11% ；
优选的，按重量百分比计A料和B料为67%，C料为24%，D料为9%。
[0027]其中按重量份计的A料:B料为1(T12:25 ；
进一步优选的，A料:B料为11:25。
[0028]A料为粒径为2~60mm，B料粒度为4~20目，C料粒度为50~100目，D料粒度为100~200 目；
按重量百分比计的A料和B料7911%与去离子水If 21%混合，经过球磨机球磨和均化罐均化后，与C料和D料混合，搅拌后得到用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料。
[0029]在球磨机球磨后的浆料粒度要求为1.47 μ m < dl0% < 1.49 μ m，pH值为3.0~4.5，密度要求为1745~1775g/cm3。
[0030]均化后的浆料粒度要求为1.45 μ m < dl0% < 1.49 μ m, pH值为3.0~5.0,密度要求为 1823~1827g/cm3。
[0031]混合后，还添加有浆料总重量0.09、.11%的羧甲基纤维素(CMC)。
[0032]实施例2:
在实施例1配比的基础上，一种制备上述的注浆浆料的方法，包括以下步骤:
一、在球磨机内装入A料和B料，按重量份计A料:B料为10-12:25，加入去离子水，按重量百分比计的A料和B料79~81与去离子水19~21%混合；
二、球磨10~13h后，压入均化罐；
球磨罐内的电导率要控制在10-35 μ S/cm范围内，使用的去离子水电导率要小于
5μ S/cm,出磨浆料粒度要求为1.47 μ m < dl0% < 1.49 μ m,电导率要求为10~35 μ S/cm,黏度要求为10(T200mPa.s，温度要求为40~75°C，pH值为3.0~4.5，密度要求为1745~1775g/cm3，流动性要求为65~75s。
[0033]三、在均化罐内至少均化12天，以提高浆料的悬浮性能；
在均化期间内，将浆料的密度从1745~1775 g/cm3逐步提升至1823~1827g/cm3。经试验证实，均化工序对于本发明浆料制成的成品的强度具有重要作用，采用均化步骤后，强度提升超过5%，而采用逐步提升密度的方式后，则进一步的增加强度约f 3%。
[0034]四、均化后的浆料电导率要求为10~35 μ S/cm，黏度要求为240~500 mPa.s，pH值为3.0~5.0，温度要求为40~75°C，密度要求为1823~1827g/cm3。
[0035]均化后的浆料与C料和D料混合，按重量份计A料和B料为62~72%，C料为20~28%，D料为7~11%，加入浆料总重量0.09、.11%的羧甲基纤维素(CMC)搅拌后即得到用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料。
[0036]本发明的浆料制备的产品可以广泛适用于大规模及超大规模集成电路、太阳能电池、光纤、激光、航天、军事等行业中。
[0037]实施例3:
在实施例1和2的基础上，现以具体的数值对本作进一步说明。
[0038]一、球磨机装载，球磨机内已预先加入直径30、40、50和60mm的高铝球石各1625Kgo
[0039]往球磨机内装入3600Kg的原料，这3600Kg的原料分别为:2200Kg 4~20目颗粒料和300Kg 4-20目回收颗粒料，即B料，IlOOKg粒径2~60mm块料，即A料，再加入950L去离子水和6.5公斤的直径60_的球石。装好后球磨Ilh出磨压入均化罐。
[0040]此步骤需控制的工艺参数:球磨罐内电导率要要控制在10-35 μ S/cm范围内，使用去离子水电导率要小于5 μ S/cm,出磨料将粒度要求为1.47 μ m < dl0% < L 49 μ m，其中dl0%为累计百分比达到10%时的粒径。黏度要求为10(T200mPa *s,即100~200毫帕?秒，温度要求为40~75°C，pH值为3.0-4.5，密度要求为1745~1775g/cm3，流动性要求为65~75s。流动性试验采用特制圆柱流速杯，外径155mm`,内径145mm,流出孔外径13mm,内径8mm,流出高度为65mm所得的时间。
[0041]二、均化罐内均化
AB混合料浆出磨后需在均化罐内至少均化12天，以期提高料浆的悬浮性能。
[0042]此步骤需控制的工艺参数:
均化后的浆料电导率要求为lOlSyS/cm，黏度要求为240~500 mPa.s, pH值为
3.0~5.0，温度要求为40~75°C，密度要求为1823~1827g/cm3。流动性要求为45_85s
尤其需要注意的是，12天内均化罐内密度曲线需按如下的均化曲线走，逐步提升密度，密度过低，开盖蒸发水分，密度过高，添加去离子水。
[0043]均化工序中，每天分为3班:
第一天I班控制在177(Tl780，2班控制在177广1781，3班控制在1772~1782。
[0044]第二天I班控制在1773~1783，2班控制在1774~1784，3班控制在1775~1785。
[0045]第三天I班控制在1778~1788，2班控制在1779~1789，3班控制在1780~1790。
[0046]第四天I班控制在1782~1792，2班控制在1783~1793，3班控制在1784~1794。
[0047]第五天I班控制在1781~1792，2班控制在1783~1794，3班控制在1785~1797。
[0048]第六天I班控制在1788~1798，2班控制在1789~1800，3班控制在1790~1803。
[0049]第七天I班控制在1793~1805，2班控制在1794~1806，3班控制在1795~1807。
[0050]第八天I班控制在1797~1810，2班控制在1798~1811，3班控制在1799~1812。
[0051]第九天I班控制在1800~1815，2班控制在1804~1816，3班控制在1806~1817。[0052]第十天I班控制在1810~1822，2班控制在1812~1825，3班控制在1815~1827。
[0053]第^^一天I班控制在1816~1827，2班控制在1817~1827，3班控制在1818~1827。
[0054]第十二天I班控制在1819~1827，2班控制在1821~1825，3班控制在1823~1827。
[0055]以上参数单位均为:g/cm3。
[0056]三、生产箱内混合
均化完成后，每3个均化罐内料浆导入一个生产箱混合搅拌，调节密度为1823-1827g/cm3，一天后可进行混料。
[0057]此步骤需控制的工艺参数:生产箱内料浆粒度要求为1.45 μ m < dl0%< 1.49 μ m,电导率要求为10~30 μ S/cm,黏度要求为240^500 mPa.s，pH要求为3.5-5.3，温度要求为32-48°C，密度要求为1823-1827 g/cm3，流动性要求为45 — 80s。
[0058]四、混料
配料比例为:67%AB混合料浆，24%C料，9%D料。按此比例在混料箱内进行混料，加入
0.1%的羧甲基纤维素，搅拌40min后检测，合格后放入压力罐中抽真空40min后待用。此步骤需控制的工艺参数:混合料浆黏度要求为180(T2600 mPa*s，流动性要求为35~56s。
[0059]由上述的步骤制成用于制`备高强度石英坩埚的注浆浆料。
【权利要求】
1.一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料，其特征是:包括以下重量百分比的高纯石英砂，其中A料和B料为62~72%，C料为20~28%，D料为7~11% ； 其中按重量份计的A料:B料为1(T12:25 ； A料为粒径为2~60mm，B料粒度为4~20目，C料粒度为50~100目，D料粒度为100~200目； 按重量百分比计的A料和B料7911%与去离子水If 21%混合，经过球磨机球磨和均化罐均化后，与C料和D料混合，搅拌后得到用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料。
2.根据权利要求1所述的一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料，其特征是:混合后，还添加有浆料总重量0.09、.11%的羧甲基纤维素(CMC)。
3.根据权利要求1所述的一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料，其特征是:优选的，按重量百分比计A料和B料为67%，C料为24%，D料为9%。
4.根据权利要求1所述的一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料，其特征是:所述的高纯石英砂为按重量百分比计的SiO2≥99.99%,且Al2O3 ≤ 68ppm、Fe2O3 ≤26ppm、K2O ≤ lOppm、Na2O ≤ 15ppm。
5.根据权利要求1所述的一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料，其特征是:在球磨机球磨后的浆料粒度要求为1.47μπι< dl0%< 1.49ym, pH值为3.0~4.5，密度要求为1745~1775g/cm3。
6.根据权利要求1所述的一种用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料，其特征是:均化后的浆料粒度要求为1.45μπι < dl0% < 1.49ym, pH值为3.0~5.0，密度要求为1823~1827g/cm3。
7.一种制备权利要求1飞任一项所述的注浆浆料的方法，其特征是包括以下步骤: 一、在球磨机内装入A料和B料，按重量份计A料:B料为10-12:25，加入去离子水，按重量百分比计的A料和B料79~81与去离子水19~21%混合； 二、球磨10~13h后，压入均化罐； 三、在均化罐内至少均化12天，以提高浆料的悬浮性能； 四、均化后的浆料与C料和D料混合，按重量份计A料和B料为62~72%，C料为20~28%，D料为7~11%，加入浆料总重量0.09、.11%的羧甲基纤维素(CMC)搅拌后即得到用于制备高强度石英坩埚的注浆浆料。
8.根据权利要求7所述的一种制备注浆浆料的方法，其特征是:在步骤二中，球磨罐内的电导率要控制在10-35μ S/cm范围内，使用的去离子水电导率要小于5μ S/cm，出磨浆料粒度要求为1.47 μ m < dl0% < 1.49 μ m,电导率要求为10~35 μ S/cm,黏度要求为100~200mPa.s，温度要求为40~75。。，pH值为3.0~4.5，密度要求为1745~1775g/cm3，流动性要求为65~75s。
9.根据权利要求7所述的一种制备注浆浆料的方法，其特征是:在步骤三中，在均化期间内，将浆料的密度从1745~1775 g/cm3逐步提升至1823~1827g/cm3。
10.根据权利要求9所述的一种制备注浆浆料的方法，其特征是:在步骤四中，均化后的浆料电导率要求为10~35μ S/cm，黏度要求为240~500 mPa.s，pH值为3.0~5.0，温度要求为40~75°C，密度要求为1823~1827g/cm3。
【文档编号】C04B35/622GK103496956SQ201310474940
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】胡潇勇, 胡忠, 毛潇萌, 屈林仪, 陈昌 申请人:宜昌金盛太阳能材料科技有限公司