专利名称：一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法
技术领域：
本发明涉及一种炭布铺层方法，尤其是涉及一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层 方法。
背景技术：
单晶硅拉制炉是直拉法(Czochralski法)生产单晶硅的装置，其工作原理是将 多晶硅料置于石英坩埚和炭质坩埚组成的双层坩埚内，在保护性气氛下加热至1400°C 1600°C使多晶硅料熔融，仔晶在牵引下晶粒长大形成单晶硅棒。高温下石英坩埚开始软化， 需要布设在石英坩埚外侧的炭/炭坩埚进行保护，因此炭/炭坩埚主要起到传递热量和支 撑多晶硅料的作用。实际使用时，单晶硅拉制炉中所使用的炭/炭坩埚受力情况复杂、严酷，特别是当 系统出现故障无法继续拉晶时，留在坩埚内的多晶硅料冷却体积膨胀率约8%，此时炭/炭 坩埚将受到严峻的考验，强度不佳的坩埚容易在外力作用下破裂，破裂多发生在埚帮与埚 底连接部位——即坩埚结构的薄弱部位。目前，国内炭/炭坩埚的使用寿命仅为40炉次左 右。因此开发在高温工作环境下有较高力学性能、可长期使用的炭/炭坩埚成为发展我国 单晶硅产业迫切需求。炭纤维作为炭/炭复合材料中承担载荷的主体，其结构特性、取向方式、体积含量 等都对材料力学性能有较大影响。欲提高坩埚强度，首先要有设计科学、合理的炭纤维预制 体结构。目前，国内外炭/炭坩埚普遍采用了炭布和网胎针刺方法得到预制体，但对于预制 体中的炭布铺层方式这一影响坩埚力学性能的关键因素国内外还未有相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种提高炭/ 炭坩埚强度的炭布铺层方法，其设计合理、操作简便、投入成本低、原材料浪费较少且使用 效果好、经铺层后所获得的炭/炭坩埚预制体成型产品的力学性能优良，能有效解决现有 单晶硅拉制炉用坩埚存在的力学性能不高、使用过程中易破裂等实际问题。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种提高炭/炭坩埚强度的炭 布铺层方法，在外表面结构和尺寸均与需加工成型炭/炭坩埚预制体内型面的结构和尺寸 均一致的芯模上进行炭布铺层，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、前期准备根据需加工成型炭/炭坩埚的结构与尺寸，确定需加工成型炭 /炭坩埚预制体的结构与尺寸；所述炭/炭坩埚预制体由结构相同且由内至外依次紧密铺 制为一体的多个炭布铺制层铺制而成，且每一个炭布铺制层均包括一个整体包覆层和铺设 在所述整体包覆层上的一个或两个局部补强铺层；步骤二、炭布铺层，其铺层过程如下201、第一个炭布铺制层铺覆先采用整张炭布对所述芯模的外表面进行整体包覆 并形成整体包覆层，再采用小块炭布在本步骤中所述整体包覆层的底部和/或上部进行局部铺层并形成局部补强铺层，本步骤中所述局部补强铺层的铺设位置与步骤一中所述炭/ 炭坩埚预制体的埚帮或埚底位置相对应，且铺覆过程中将本步骤中所铺覆的局部补强铺层 通过热固性树脂粘结固定或通过加入炭纤维网胎后针刺连接固定在本步骤中所铺覆的整 体包覆层上；202、下一个炭布铺制层铺覆按照步骤201所述的铺覆方法，先采用整张炭布对 铺覆完成的上一个炭布铺制层的外表面进行整体包覆并形成整体包覆层，再采用小块炭布 在本步骤中所述整体包覆层的底部和/或上部进行局部铺层并形成局部补强铺层，本步骤 中所述局部补强铺层的铺设位置与步骤一中所述炭/炭坩埚预制体的埚帮或埚底位置相 对应，铺覆过程中将本步骤中所铺覆的局部补强铺层通过热固性树脂粘结固定或通过加入 炭纤维网胎后针刺连接固定在本步骤中所铺覆的整体包覆层上；且铺覆过程中对当前已铺 覆的所有炭布铺制层的厚度进行同步测量；203、多次重复步骤202，直至已铺覆的所有炭布铺制层的厚度与步骤一中所确定 的需加工成型炭/炭坩埚预制体的壁厚一致，则完成炭/炭坩埚预制体的铺制过程；步骤201和步骤202中所用整块炭布的结构与尺寸均与步骤一中所述炭/炭坩埚 预制体的整体结构和尺寸一致，且所用小块炭布的结构与尺寸均与步骤一中所述炭/炭坩 埚预制体的埚帮或埚底的结构与尺寸一致；步骤202和步骤203中进行炭布铺制层铺覆过 程中，采用热固性树脂由内至外逐层将已铺覆的所有炭布铺制层粘结连接为一体或者采用 在层间加入炭纤维网胎后进行针刺连接的连接方式由内至外逐层将已铺覆的所有炭布铺 制层连接为一体；步骤201、步骤202和步骤203中采用热固性树脂将局部补强铺层粘结固定在整体 包覆层上或采用热固性树脂对相邻两个炭布铺制层进行粘结固定时，步骤203中完成炭/ 炭坩埚预制体的铺制过程后，还需采用固化炉对铺制完成所获得的炭/炭坩埚预制体进行 固化处理。上述一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征是步骤201和步骤202中 所用整块炭布和小块炭布的数量均为一块；所述芯模包括用于成型所述炭/炭坩埚预制体 埚体部分的直筒段和用于成型所述炭/炭坩埚预制体埚底部分的底部弧面，所述底部弧面 布设在所述直筒段正下部；步骤201和步骤202中所用的整块炭布均为矩形炭布一且小块炭布为圆形炭布 一，且采用矩形炭布一和圆形炭布一进行铺层时，先采用矩形炭布一沿芯模的直筒段卷绕 一周且卷绕过程中确保矩形炭布一的上边线不低于芯模的上边缘线，再将矩形炭布一宽度 方向上的富余部分向芯模的底部弧面弯折并将所述底部弧面全部覆盖后，则完成对芯模外 表面进行整体包覆的包覆过程；之后，再采用圆形炭布一对芯模的底部弧面进行包覆且确 保圆形炭布一将所述底部弧面全部包覆，所述圆形炭布一通过热固性树脂粘结固定或通过 加入炭纤维网胎后针刺连接固定在所铺覆的矩形炭布一上。上述一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征是步骤201中所用矩形 炭布一的长度与芯模的直筒段的圆周周长相等且其宽度与芯模的直筒段高度和底部弧面 的半径之和相等，所述圆形炭布一的半径与芯模的底部弧面的半径相等；且步骤201、步骤 202和步骤203中铺覆的所有炭布铺制层中所用矩形炭布一和圆形炭布一的尺寸由内至外 逐层递增，且递增的尺寸与每一个炭布铺制层的厚度相对应；步骤201和步骤202中，采用矩形炭布一沿芯模的直筒段卷绕一周时应确保矩形炭布一的上边线与芯模的上边缘线相 平齐。上述一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征是步骤201和步骤202 中采用矩形炭布一沿芯模的直筒段卷绕一周之前或将矩形炭布一宽度方向上的富余部分 向芯模的底部弧面弯折并将所述底部弧面全部覆盖之后，采用裁剪刀具沿所述矩形炭布一 的下边线对所述矩形炭布一下部的多余部分进行裁剪，并使得所述矩形炭布一的整体紧密 覆盖在芯模的外表面上，且裁剪后所述矩形炭布一的下部由多个连续分布的等腰三角形组 成，多个所述等腰三角形的结构和尺寸均相同且所述等腰三角形的底边和矩形炭布一上边 线之间的垂直距离与芯模的直筒段高度相等；且裁剪时，应确保裁剪后的所述矩形炭布一 能对芯模的外表面进行整体包覆。上述一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征是步骤201和步骤202中 所用整块炭布和小块炭布的数量均为一块；所述芯模包括用于成型所述炭/炭坩埚预制体 埚体部分的直筒段和用于成型所述炭/炭坩埚预制体埚底部分的底部弧面，所述底部弧面 布设在所述直筒段正下部；步骤201和步骤202中所用的整块炭布均为圆形炭布二且小块炭布为矩形炭布 二，且采用圆形炭布二和矩形炭布二进行铺层时，先采用圆形炭布二对芯模的底部弧面进 行包覆，再将圆形炭布二的富余部分向芯模的直筒段方向弯折并将所述直筒段全部覆盖 后，则完成对芯模外表面进行整体包覆的包覆过程；之后，再采用矩形炭布二沿芯模的直筒 段卷绕一周且确保矩形炭布二将芯模的直筒段全部包覆，所述矩形炭布二通过热固性树脂 粘结固定或通过加入炭纤维网胎后针刺连接固定在所铺覆的圆形炭布二上。上述一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征是步骤201中所用圆形炭 布二的半径与芯模的底部弧面半径和直筒段的高度之和相等，所述矩形炭布二的长度与芯 模的直筒段圆周周长相等且其宽度与芯模的直筒段高度相等；且步骤201、步骤202和步骤 203中铺覆的所有炭布铺制层中所用矩形炭布一和圆形炭布一的尺寸由内至外逐层递增， 且递增的尺寸与每一个炭布铺制层的厚度相对应；步骤201和步骤202中，采用圆形炭布二 对芯模的底部弧面进行包覆时，应确保所述圆形炭布二的圆心与芯模的底部弧面的中心点 相重合。上述一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征是步骤201和步骤202中 采用圆形炭布二对芯模的底部弧面进行包覆之前或将圆形炭布二的富余部分向芯模的直 筒段方向弯折并将所述直筒段全部覆盖之后，采用裁剪刀具沿所述圆形炭布二的外边线对 所述圆形炭布二外侧的多余部分进行裁剪，并使得所述圆形炭布二整体紧密覆盖在芯模的 外表面上，且所裁剪的多余部分为多个间隔分布的扇形小片炭布，多个扇形小片炭布呈均 勻布设且多个所述扇形小片炭布的结构和尺寸均相同，所述扇形小片炭布的圆心与所述圆 形炭布二圆心之间的间距与芯模的直筒段高度相同且裁剪后所述圆形炭布二的外边线总 长度与芯模直筒段的圆周周长相等；且裁剪时，应确保裁剪后的所述圆形炭布二能对芯模 的外表面进行整体包覆。上述一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征是步骤201和步骤202中 所用整块炭布和小块炭布的材质均相同且均为炭纤维布，所述炭纤维布所用的炭纤维为粘 胶丝基炭纤维、聚丙烯腈基炭纤维或浙青基炭纤维；所述炭纤维布的丝束为2.涨 对1(，其中K表示丝束千根数，且所述炭纤维布的布面密度为300g/m2 600g/m2 ；所述炭纤维布的 种类为平纹、斜纹或缎纹；步骤201、步骤202和步骤203中采用加入炭纤维网胎后针刺连接的连接方式将局 部补强铺层固定在整体包覆层上且采用加入炭纤维网胎后针刺连接的连接方式对相邻两 个炭布铺制层进行固定时，步骤203中完成炭/炭坩埚预制体的铺制过程后，则获得密度为 0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭/炭坩埚预制体成型产品；对应地，采用固化炉对铺制完成所 获得的炭/炭坩埚预制体进行固化处理后，相应获得密度为0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭/ 炭坩埚预制体成型产品。上述一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征是步骤201、步骤202和 步骤203中所采用热固性树脂的总质量为步骤203中铺制完成的炭/炭坩埚预制体总质量 的30% 50%，所述热固性树脂为酚醛树脂；步骤203中完成炭/炭坩埚预制体的铺制过 程后且采用固化炉对铺制完成所获得的炭/炭坩埚预制体进行固化处理时，固化处理时间 为4小时 10小时，固化温度为150°C 180°C，压力为0. 5MPa 1. 5MPa。上述一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征是步骤201、步骤202和 步骤203中所采用炭纤维网胎的总质量为步骤203中铺制完成的炭/炭坩埚预制体总质量 的20% 40%，且针刺密度为20针/cm2 60针/cm2。本发明与现有技术相比具有以下优点1、铺层方法简单、铺层步骤少、设计合理且操作简便。2、投入设备成本低，所采用的设备结构简单且均为常用设备。3、所投入的原材料成本大幅降低。4、使用效果好且实用价值高，由于采用了整张炭布进行整体包覆且对埚帮、埚底 进行局部增强铺层的方法，则在坩埚内引入了由埚帮贯穿埚底的连续长纤维，因而提高了 坩埚的整体强度，尤其是埚帮和埚底连接处的强度，解决了坩埚使用过程中埚帮、埚底连接 处易破裂的问题，且经铺层后所获得的炭/炭坩埚预制体成型产品的力学性能大幅提高且 使用过程中不易破裂，能有效解决现有单晶硅拉制炉用炭/炭分瓣坩埚、炭/炭整体坩埚等 存在的力学性能不高、使用过程中易破裂等实际问题。5、适用范围广且推广应用前景广泛，对铺层所用炭纤维的丝束、编织结构等均不 进行严格限制，可以对多种类型的炭纤维进行铺层，既可用于炭/炭整体坩埚，又可用于炭 /炭分瓣坩埚预制体的制备。综上所述，本发明设计合理、操作简便、投入成本低、原材料浪费较少且使用效果 好、经铺层后所获得的炭/炭坩埚预制体成型产品的力学性能优良，能有效解决现有单晶 硅拉制炉用坩埚存在的力学性能不高、使用过程中易破裂等实际问题。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明的铺层方法流程框图。图2为本发明进行铺层时所用芯模的结构示意图。图3为本发明所用矩形炭布一裁剪之前的结构示意图。图4为本发明所用矩形炭布一裁剪后对芯模进行整体包覆之后的包覆状态示意
8图。图5为本发明所用圆形炭布一的结构示意图。图6为本发明圆形炭布一铺制后的外部结构示意图。图7为本发明所制得炭/炭坩埚预制体成型产品的结构示意图。图8为本发明所用圆形炭布二裁剪之前的结构示意图。图9为本发明所用圆形炭布二裁剪后对芯模进行整体包覆之后的包覆状态示意 图。图10为本发明所用矩形炭布二的结构示意图。图11为本发明所用矩形炭布二铺制后的外部结构示意图。附图标记说明1-芯模；2-矩形炭布一 ；3-圆形炭布一；4-圆形炭布二 ；5-矩形炭布二 ；6-炭/炭坩埚预制体成型产品；7-裁剪线一；8-裁剪线二。
具体实施例方式实施例1如图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示，本发明所述的提高炭/炭坩埚强度 的炭布铺层方法，在外表面结构和尺寸均与需加工成型炭/炭坩埚预制体内型面的结构和 尺寸均一致的芯模1上进行炭布铺层，且铺层过程包括以下步骤步骤一、前期准备根据需加工成型炭/炭坩埚的结构与尺寸，确定需加工成型炭 /炭坩埚预制体的结构与尺寸；所述炭/炭坩埚预制体由结构相同且由内至外依次紧密铺 制为一体的多个炭布铺制层铺制而成，且每一个炭布铺制层均包括一个整体包覆层和铺设 在所述整体包覆层上的一个或两个局部补强铺层。步骤二、炭布铺层，其铺层过程如下201、第一个炭布铺制层铺覆先采用整张炭布对所述芯模1的外表面进行整体包 覆并形成整体包覆层，再采用小块炭布在本步骤中所述整体包覆层的底部和/或上部进行 局部铺层并形成局部补强铺层，本步骤中所述局部补强铺层的铺设位置与步骤一中所述炭 /炭坩埚预制体的埚帮或埚底位置相对应，且铺覆过程中将本步骤中所铺覆的局部补强铺 层通过热固性树脂粘结固定或通过加入炭纤维网胎后针刺连接固定在本步骤中所铺覆的 整体包覆层上。所述芯模1可采用木材或钢材制备。202、下一个炭布铺制层铺覆按照步骤201所述的铺覆方法，先采用整张炭布对 铺覆完成的上一个炭布铺制层的外表面进行整体包覆并形成整体包覆层，再采用小块炭布 在本步骤中所述整体包覆层的底部和/或上部进行局部铺层并形成局部补强铺层，本步骤 中所述局部补强铺层的铺设位置与步骤一中所述炭/炭坩埚预制体的埚帮或埚底位置相 对应，铺覆过程中将本步骤中所铺覆的局部补强铺层通过热固性树脂粘结固定或通过加入 炭纤维网胎后针刺连接固定在本步骤中所铺覆的整体包覆层上；且铺覆过程中对当前已铺 覆的所有炭布铺制层的厚度进行同步测量。203、多次重复步骤202，直至已铺覆的所有炭布铺制层的厚度与步骤一中所确定 的需加工成型炭/炭坩埚预制体的壁厚一致，则完成炭/炭坩埚预制体的铺制过程。
步骤201和步骤202中所用整块炭布的结构与尺寸均与步骤一中所述炭/炭坩埚 预制体的整体结构和尺寸一致，且所用小块炭布的结构与尺寸均与步骤一中所述炭/炭坩 埚预制体的埚帮或埚底的结构与尺寸一致；步骤202和步骤203中进行炭布铺制层铺覆过 程中，采用热固性树脂由内至外逐层将已铺覆的所有炭布铺制层粘结连接为一体或者采用 在层间加入炭纤维网胎后进行针刺连接的连接方式由内至外逐层将已铺覆的所有炭布铺 制层连接为一体。实际铺制过程中，当步骤201、步骤202和步骤203中采用热固性树脂将局部补强 铺层粘结固定在整体包覆层上或采用热固性树脂对相邻两个炭布铺制层进行粘结固定时， 步骤203中完成炭/炭坩埚预制体的铺制过程后，还需采用固化炉对铺制完成所获得的炭 /炭坩埚预制体进行固化处理。并且步骤201、步骤202和步骤203中所采用热固性树脂的 总质量为步骤203中铺制完成的炭/炭坩埚预制体总质量的30% 50%，所述热固性树脂 为酚醛树脂，也可以选用其它类型的热固性树脂；步骤203中完成炭/炭坩埚预制体的铺制 过程后且采用固化炉对铺制完成所获得的炭/炭坩埚预制体进行固化处理时，固化处理时 间为4小时 10小时，固化温度为150°C 180°C，压力为0. 5MPa 1. 5MPa。而采用固化 炉对铺制完成所获得的炭/炭坩埚预制体进行固化处理时，所用的固化炉为真空袋-热压 罐。采用固化炉对铺制完成所获得的炭/炭坩埚预制体进行固化处理后，相应获得密度为 0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭/炭坩埚预制体成型产品6。步骤201和步骤202中进行铺层 时，还需根据需加工成型炭/炭坩埚预制体成型产品6的具体结构，在相邻两个炭布铺制层 之间的对应部位夹垫一层或多层炭纤维布。当步骤201、步骤202和步骤203中采用加入炭纤维网胎后针刺连接的连接方式将 局部补强铺层固定在整体包覆层上且采用加入炭纤维网胎后针刺连接的连接方式对相邻 两个炭布铺制层进行固定时(无需进行固化处理)，步骤203中完成炭/炭坩埚预制体的 铺制过程后，则获得密度为0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭/炭坩埚预制体成型产品6。实际 进行针刺连接时，步骤201、步骤202和步骤203中所采用炭纤维网胎的总质量为步骤203
中铺制完成的炭/炭坩埚预制体总质量的20% 40%，且针刺密度为20针/cm2 60针/
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cm ο实际对炭纤维布进行选择时，步骤201和步骤202中所用整块炭布和小块炭布的 材质均相同且均为炭纤维布，所述炭纤维布所用的炭纤维为粘胶丝基炭纤维、聚丙烯腈基 炭纤维或浙青基炭纤维；所述炭纤维布的丝束为2. 5K MK，其中K表示丝束千根数，且所 述炭纤维布的布面密度为300g/m2 600g/m2 ；所述炭纤维布的种类为平纹、斜纹或缎纹，因 而可以根据具体实际需要选择相应类型的炭纤维布。实际进行铺制时，步骤201和步骤202中所用整块炭布和小块炭布的数量均为一 块；所述芯模1包括用于成型所述炭/炭坩埚预制体埚体部分的直筒段和用于成型所述炭 /炭坩埚预制体埚底部分的底部弧面，所述底部弧面布设在所述直筒段正下部。实际铺制过程中，步骤201和步骤202中所用的整块炭布均为矩形炭布一 2且小 块炭布为圆形炭布一 3，且采用矩形炭布一 2和圆形炭布一 3进行铺层时，先采用矩形炭布 一 2沿芯模1的直筒段卷绕一周且卷绕过程中确保矩形炭布一 2的上边线不低于芯模1的 上边缘线，再将矩形炭布一 2宽度方向上的富余部分向芯模1的底部弧面弯折并将所述底 部弧面全部覆盖后，则完成对芯模1外表面进行整体包覆的包覆过程；之后，再采用圆形炭布一 3对芯模1的底部弧面进行包覆且确保圆形炭布一 3将所述底部弧面全部包覆，所述 圆形炭布一 3通过热固性树脂粘结固定或通过加入炭纤维网胎后针刺连接固定在所铺覆 的矩形炭布一 2上。本实施例中，步骤201中所用矩形炭布一 2的长度与芯模1的直筒段的圆周周长 相等且其宽度与芯模1的直筒段高度和底部弧面的半径之和相等，所述圆形炭布一 3的半 径与芯模1的底部弧面的半径相等；且步骤201、步骤202和步骤203中铺覆的所有炭布铺 制层中所用矩形炭布一 2和圆形炭布一 3的尺寸由内至外逐层递增，且递增的尺寸与每一 个炭布铺制层的厚度相对应，以确保外侧的炭布铺制层能将其内侧的相邻炭布铺制层完全 包覆；步骤201和步骤202中，采用矩形炭布一 2沿芯模1的直筒段卷绕一周时应确保矩形 炭布一 2的上边线与芯模1的上边缘线相平齐。实际铺制时，也可以选用尺寸稍大的矩形 炭布一 2和矩形炭布一 2，且对芯模1进行包覆后，再相应对多余部分进行修剪。实际铺制时，为了使炭纤维布伏贴，可对炭纤维布边缘进行少量裁剪。随着铺层不 断进行，炭纤维布的尺寸应该递增，才能确保后面铺层将前面的铺层包覆。因而，步骤201 和步骤202中采用矩形炭布一 2沿芯模1的直筒段卷绕一周之前或将矩形炭布一 2宽度方 向上的富余部分向芯模1的底部弧面弯折并将所述底部弧面全部覆盖之后，采用裁剪刀具 沿所述矩形炭布一 2的下边线对所述矩形炭布一 2下部的多余部分进行裁剪，并使得所述 矩形炭布一 2的整体紧密覆盖在芯模1的外表面上，且裁剪后所述矩形炭布一 2的下部由 多个连续分布的等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的结构和尺寸均相同且所述等腰三 角形的底边和矩形炭布一 2上边线之间的垂直距离与芯模1的直筒段高度相等；且裁剪时， 应确保裁剪后的所述矩形炭布一 2能对芯模1的外表面进行整体包覆。本实施例中，步骤201和步骤202中采用矩形炭布一 2沿芯模1的直筒段卷绕一周 之前，采用裁剪刀具沿所述矩形炭布一 2的下边线对所述矩形炭布一 2下部的多余部分进 行裁剪，具体是沿着裁剪线一 7进行裁剪。实际铺制时，也可以在将矩形炭布一 2宽度方向 上的富余部分向芯模1的底部弧面弯折并将所述底部弧面全部覆盖之后，再对所述矩形炭 布一 2下部的多余部分进行裁剪。综上，本实施例中，步骤201和步骤202中对炭布铺制层 进行铺层时，所采用的铺层方法是先采用矩形炭布进行整体包覆再采用圆形炭布对底部弧 面进行包覆的方法，且本铺层方法较适合应用于炭/炭分瓣坩埚预制体的制备过程中。实 际进行铺制时，为满足不同产品形状和规格要求，可在需要加厚的部位垫若干层炭布，铺层 出埚底、凸台等特定外观结构。本实施例中，所选用的炭纤维布为12K PAN基平纹炭布且其布面密度为600g/m2。 所采用芯模1的直筒段直径为489mm且直筒段高度为251mm，底部弧面的直径为590mm，且 芯模1为与需加工成型坩埚的内型面规格相同的木质芯模。实际使用过程中，先将炭纤维 布裁成长度为1535mm (即π X 489mm)且宽度为M6mm(即251mm+590mm/2)的矩形炭布一 2 和直径为590mm的圆形炭布一 3各20张；随着裁剪工作的不断进行，所裁矩形炭布一 2和 圆形炭布一 3的尺寸逐渐递增10mm，也就是后一个铺制的炭布铺制层中所用矩形炭布一 2 和圆形炭布一 3的尺寸与前一个铺制的炭布铺制层中所用矩形炭布一 2和圆形炭布一 3的 尺寸递增10mm，以保证后铺层炭布能将先铺层炭布包覆。实际炭布铺制层进行铺制时，多 个所述炭布铺制层的铺制方法均相同，具体是先将矩形炭布一 2沿芯模1的直筒段卷绕一 周后，将宽度方向富余部分向芯模1的底部弯折，覆盖住底部弧面后，外加一层圆形炭布一3铺层在芯模1的底部补强，每两层炭布间加少量炭纤维网胎针刺且逐层针刺连接为一体， 所加入炭纤维网胎的总重量占炭/炭坩埚预制体成型产品6总质量的20%，针刺密度为20 针/cm2，多次重复上述铺制过程直至达到产品要求尺寸。由于本实施例中需成型炭/炭坩 埚预制体成型产品6的埚底有凸台，因而用小块圆形炭纤维布在底部铺层出此凸台，最终 得到内径489mm、外径509mm、高390mm且密度0. 40g/cm3坩埚预制体。实际进行铺层时，可以根据实际具体需要，对所采用炭纤维布的材质、尺寸、数量 以及芯模1的结构等进行相应调整。实施例2本实施例中，与实施例1不同的是步骤201和步骤202中所用整块炭布和小块炭 布的数量均为一块；所述芯模1包括用于成型所述炭/炭坩埚预制体埚体部分的直筒段和 用于成型所述炭/炭坩埚预制体埚底部分的底部弧面，所述底部弧面布设在所述直筒段正 下部。步骤201和步骤202中所用的整块炭布均为圆形炭布二 4且小块炭布为矩形炭布 二 5，且采用圆形炭布二 4和矩形炭布二 5进行铺层时，先采用圆形炭布二 4对芯模1的底 部弧面进行包覆，再将圆形炭布二 4的富余部分向芯模1的直筒段方向弯折并将所述直筒 段全部覆盖后，则完成对芯模1外表面进行整体包覆的包覆过程；之后，再采用矩形炭布二 5沿芯模1的直筒段卷绕一周且确保矩形炭布二 5将芯模1的直筒段全部包覆。本实施例 中，所述矩形炭布二 5通过加入炭纤维网胎后针刺连接固定在所铺覆的圆形炭布二 4上且 相邻两个炭布铺制层之间通过加入炭纤维网胎后进行针刺连接的连接方式进行连接，实际 进行粘贴时，每铺好一层炭纤维布，将树脂均勻涂刷在炭纤维布表面，然后铺下一层炭纤维 布，炭/炭坩埚预制体成型产品6的铺层结束后，再进行固化处理。实际进行铺制时，步骤201中所用圆形炭布二 4的半径与芯模1的底部弧面半径 和直筒段的高度之和相等，所述矩形炭布二 5的长度与芯模1的直筒段圆周周长相等且其 宽度与芯模1的直筒段高度相等；且步骤201、步骤202和步骤203中铺覆的所有炭布铺制 层中所用矩形炭布一 2和圆形炭布一 3的尺寸由内至外逐层递增，且递增的尺寸与每一个 炭布铺制层的厚度相对应；步骤201和步骤202中，采用圆形炭布二 4对芯模1的底部弧面 进行包覆时，应确保所述圆形炭布二 4的圆心与芯模1的底部弧面的中心点相重合。实际 铺制时，也可以选用尺寸稍大的圆形炭布二 4和矩形炭布二 5，且对芯模1进行包覆后，再相 应对多余部分进行修剪。实际铺制过程中，为了使炭纤维布伏贴，可对炭纤维布边缘进行少量裁剪。随着铺 层不断进行，炭纤维布的尺寸应该递增，才能确保后面铺层将前面的铺层包覆。本实施例 中，步骤201和步骤202中采用圆形炭布二 4对芯模1的底部弧面进行包覆之前或将圆形 炭布二4的富余部分向芯模1的直筒段方向弯折并将所述直筒段全部覆盖之后，采用裁剪 刀具沿所述圆形炭布二 4的外边线对所述圆形炭布二 4外侧的多余部分进行裁剪，并使得 所述圆形炭布二 4整体紧密覆盖在芯模1的外表面上，且所裁剪的多余部分为多个间隔分 布的扇形小片炭布，多个扇形小片炭布呈均勻布设且多个所述扇形小片炭布的结构和尺寸 均相同，所述扇形小片炭布的圆心与所述圆形炭布二 4圆心之间的间距与芯模1的直筒段 高度相同且裁剪后所述圆形炭布二 4的外边线总长度与芯模1直筒段的圆周周长相等；且 裁剪时，应确保裁剪后的所述圆形炭布二 4能对芯模1的外表面进行整体包覆。
本实施例中，步骤201和步骤202中采用圆形炭布二 4对芯模1的底部弧面进行 包覆之前，采用裁剪刀具沿所述圆形炭布二 4的外边线对所述圆形炭布二 4外侧的多余部 分进行裁剪，具体是沿着裁剪线二 8进行裁剪。实际铺制时，也可以在将圆形炭布二 4的富 余部分向芯模1的直筒段方向弯折并将所述直筒段全部覆盖之后，采用裁剪刀具沿所述圆 形炭布二 4的外边线对所述圆形炭布二 4外侧的多余部分进行裁剪。综上，本实施例中，步 骤201和步骤202中对炭布铺制层进行铺层时，所采用的铺层方法是先采用圆形炭布进行 整体包覆再采用矩形炭布对直筒段进行缠绕包覆的方法，且本铺层方法较适合应用于炭/ 炭整体坩埚预制体的制备过程中。本实施例中，实际进行铺层时，与实施例1不同的是所选用的炭纤维布为3K粘 胶丝基斜纹炭布且其布面密度为350g/m2。所采用芯模1的直筒段直径为489mm且直筒段 高度为251mm，底部弧面的直径为590mm，且芯模1为与需加工成型坩埚的内型面规格相同 的木质芯模。实际使用过程中，先将炭纤维布裁成长度为1535mm(S卩π X489mm)且宽度为 251mm的矩形炭布二 5和直径为1092mm(即590mm+251mmX2)的圆形炭布二 4各20张；随 着裁剪工作的不断进行，所裁圆形炭布二4和矩形炭布二 5的尺寸逐渐递增10mm，也就是后 一个铺制的炭布铺制层中所用圆形炭布二 4和矩形炭布二 5的尺寸与前一个铺制的炭布铺 制层中所用圆形炭布二 4和矩形炭布二 5的尺寸递增10mm，以保证后铺层炭布能将先铺层 炭布包覆。实际炭布铺制层进行铺制时，多个所述炭布铺制层的铺制方法均相同，具体是 先将圆形炭布二 4覆盖住芯模1的底部弧面后，将富余部分向芯模1的直筒段方向弯折，覆 盖住芯模1的直筒段后，外加一层矩形炭布二 5沿直筒段卷绕一周补强，层间刷酚醛树脂粘 帖，酚醛树脂的总用量占炭/炭坩埚预制体成型产品6总质量的50%，多次重复上述铺制过 程直至达到产品要求尺寸。由于本实施例中需成型炭/炭坩埚预制体成型产品6的埚底有 凸台，因而用小块圆形炭纤维布在底部铺层出此凸台。步骤203中铺层结束后，炭/炭坩埚 预制体成型产品6在真空袋-热压罐中加压固化，固化温度为150°C，压力为0. 6MPa,时间 为4h，最终得到内径489mm、外径509mm、高390mm且密度1. 20g/cm3的炭/炭坩埚预制体成 型产品6。本实施例中，其余铺制步骤和方法均与实施例1相同。实施例3本实施例中，与实施例1不同的是所选用的炭纤维布为6K浙青基平纹炭布且 其布面密度为^Og/m2，炭布层间刷酚醛树脂粘帖，酚醛树脂的总质量占炭/炭坩埚预制体 成型产品6总质量的50%，铺层结束后，产品在真空袋-热压罐中加压固化，固化温度为 180°C，压力为1. 2MPa，时间为》1，得到得到内径489mm、外径509mm、高390mm且密度1. 30g/ cm3的炭/炭坩埚预制体成型产品6。实际进行固化时，可以根据实际具体需求，对固化工 艺参数进行相应调整。本实施例中，其余铺制步骤和方法均与实施例1相同。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，在外表面结构和尺寸均与需加工成型炭 /炭坩埚预制体内型面的结构和尺寸均一致的芯模(1)上进行炭布铺层，其特征在于该方 法包括以下步骤步骤一、前期准备根据需加工成型炭/炭坩埚的结构与尺寸，确定需加工成型炭/炭 坩埚预制体的结构与尺寸；所述炭/炭坩埚预制体由结构相同且由内至外依次紧密铺制为 一体的多个炭布铺制层铺制而成，且每一个炭布铺制层均包括一个整体包覆层和铺设在所 述整体包覆层上的一个或两个局部补强铺层；步骤二、炭布铺层，其铺层过程如下201、第一个炭布铺制层铺覆先采用整张炭布对所述芯模(1)的外表面进行整体包覆 并形成整体包覆层，再采用小块炭布在本步骤中所述整体包覆层的底部和/或上部进行局 部铺层并形成局部补强铺层，本步骤中所述局部补强铺层的铺设位置与步骤一中所述炭/ 炭坩埚预制体的埚帮或埚底位置相对应，且铺覆过程中将本步骤中所铺覆的局部补强铺层 通过热固性树脂粘结固定或通过加入炭纤维网胎后针刺连接固定在本步骤中所铺覆的整 体包覆层上；202、下一个炭布铺制层铺覆按照步骤201所述的铺覆方法，先采用整张炭布对铺覆 完成的上一个炭布铺制层的外表面进行整体包覆并形成整体包覆层，再采用小块炭布在本 步骤中所述整体包覆层的底部和/或上部进行局部铺层并形成局部补强铺层，本步骤中所 述局部补强铺层的铺设位置与步骤一中所述炭/炭坩埚预制体的埚帮或埚底位置相对应， 铺覆过程中将本步骤中所铺覆的局部补强铺层通过热固性树脂粘结固定或通过加入炭纤 维网胎后针刺连接固定在本步骤中所铺覆的整体包覆层上；且铺覆过程中对当前已铺覆的 所有炭布铺制层的厚度进行同步测量；203、多次重复步骤202，直至已铺覆的所有炭布铺制层的厚度与步骤一中所确定的需 加工成型炭/炭坩埚预制体的壁厚一致，则完成炭/炭坩埚预制体的铺制过程；步骤201和步骤202中所用整块炭布的结构与尺寸均与步骤一中所述炭/炭坩埚预 制体的整体结构和尺寸一致，且所用小块炭布的结构与尺寸均与步骤一中所述炭/炭坩埚 预制体的埚帮或埚底的结构与尺寸一致；步骤202和步骤203中进行炭布铺制层铺覆过程 中，采用热固性树脂由内至外逐层将已铺覆的所有炭布铺制层粘结连接为一体或者采用在 层间加入炭纤维网胎后进行针刺连接的连接方式由内至外逐层将已铺覆的所有炭布铺制 层连接为一体；步骤201、步骤202和步骤203中采用热固性树脂将局部补强铺层粘结固定在整体包覆 层上或采用热固性树脂对相邻两个炭布铺制层进行粘结固定时，步骤203中完成炭/炭坩 埚预制体的铺制过程后，还需采用固化炉对铺制完成所获得的炭/炭坩埚预制体进行固化处理。
2.按照权利要求1所述的一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征在于步 骤201和步骤202中所用整块炭布和小块炭布的数量均为一块；所述芯模(1)包括用于成 型所述炭/炭坩埚预制体埚体部分的直筒段和用于成型所述炭/炭坩埚预制体埚底部分的 底部弧面，所述底部弧面布设在所述直筒段正下部；步骤201和步骤202中所用的整块炭布均为矩形炭布一( 且小块炭布为圆形炭布一 (3)，且采用矩形炭布一( 和圆形炭布一 C3)进行铺层时，先采用矩形炭布一( 沿芯模(1)的直筒段卷绕一周且卷绕过程中确保矩形炭布一 O)的上边线不低于芯模(1)的上边 缘线，再将矩形炭布一 O)宽度方向上的富余部分向芯模(1)的底部弧面弯折并将所述底 部弧面全部覆盖后，则完成对芯模(1)外表面进行整体包覆的包覆过程；之后，再采用圆形 炭布一( 对芯模(1)的底部弧面进行包覆且确保圆形炭布一( 将所述底部弧面全部包 覆，所述圆形炭布一 C3)通过热固性树脂粘结固定或通过加入炭纤维网胎后针刺连接固定 在所铺覆的矩形炭布一( 上。
3.按照权利要求2所述的一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征在于步 骤201中所用矩形炭布一(2)的长度与芯模(1)的直筒段的圆周周长相等且其宽度与芯模 (1)的直筒段高度和底部弧面的半径之和相等，所述圆形炭布一 C3)的半径与芯模(1)的底 部弧面的半径相等；且步骤201、步骤202和步骤203中铺覆的所有炭布铺制层中所用矩形 炭布一( 和圆形炭布一(3)的尺寸由内至外逐层递增，且递增的尺寸与每一个炭布铺制 层的厚度相对应；步骤201和步骤202中，采用矩形炭布一( 沿芯模(1)的直筒段卷绕一 周时应确保矩形炭布一 O)的上边线与芯模(1)的上边缘线相平齐。
4.按照权利要求3所述的一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征在于步 骤201和步骤202中采用矩形炭布一( 沿芯模(1)的直筒段卷绕一周之前或将矩形炭布 一 (2)宽度方向上的富余部分向芯模(1)的底部弧面弯折并将所述底部弧面全部覆盖之 后，采用裁剪刀具沿所述矩形炭布一 O)的下边线对所述矩形炭布一( 下部的多余部分 进行裁剪，并使得所述矩形炭布一( 的整体紧密覆盖在芯模(1)的外表面上，且裁剪后所 述矩形炭布一 O)的下部由多个连续分布的等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的结构 和尺寸均相同且所述等腰三角形的底边和矩形炭布一(2)上边线之间的垂直距离与芯模 (1)的直筒段高度相等；且裁剪时，应确保裁剪后的所述矩形炭布一( 能对芯模(1)的外 表面进行整体包覆。
5.按照权利要求1所述的一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征在于步 骤201和步骤202中所用整块炭布和小块炭布的数量均为一块；所述芯模(1)包括用于成 型所述炭/炭坩埚预制体埚体部分的直筒段和用于成型所述炭/炭坩埚预制体埚底部分的 底部弧面，所述底部弧面布设在所述直筒段正下部；步骤201和步骤202中所用的整块炭布均为圆形炭布二(4)且小块炭布为矩形炭布二 (5)，且采用圆形炭布二(4)和矩形炭布二( 进行铺层时，先采用圆形炭布二(4)对芯模 (1)的底部弧面进行包覆，再将圆形炭布二(4)的富余部分向芯模(1)的直筒段方向弯折并 将所述直筒段全部覆盖后，则完成对芯模(1)外表面进行整体包覆的包覆过程；之后，再采 用矩形炭布二( 沿芯模(1)的直筒段卷绕一周且确保矩形炭布二( 将芯模(1)的直筒 段全部包覆，所述矩形炭布二( 通过热固性树脂粘结固定或通过加入炭纤维网胎后针刺 连接固定在所铺覆的圆形炭布二(4)上。
6.按照权利要求5所述的一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征在于步 骤201中所用圆形炭布二 的半径与芯模(1)的底部弧面半径和直筒段的高度之和相 等，所述矩形炭布二(5)的长度与芯模(1)的直筒段圆周周长相等且其宽度与芯模(1)的 直筒段高度相等；且步骤201、步骤202和步骤203中铺覆的所有炭布铺制层中所用矩形炭 布一( 和圆形炭布一(3)的尺寸由内至外逐层递增，且递增的尺寸与每一个炭布铺制层 的厚度相对应；步骤201和步骤202中，采用圆形炭布二(4)对芯模(1)的底部弧面进行包覆时，应确保所述圆形炭布二 的圆心与芯模(1)的底部弧面的中心点相重合。
7.按照权利要求6所述的一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，其特征在于步 骤201和步骤202中采用圆形炭布二(4)对芯模(1)的底部弧面进行包覆之前或将圆形炭 布二 的富余部分向芯模(1)的直筒段方向弯折并将所述直筒段全部覆盖之后，采用裁 剪刀具沿所述圆形炭布二 的外边线对所述圆形炭布二(4)外侧的多余部分进行裁剪， 并使得所述圆形炭布二(4)整体紧密覆盖在芯模(1)的外表面上，且所裁剪的多余部分为 多个间隔分布的扇形小片炭布，多个扇形小片炭布呈均勻布设且多个所述扇形小片炭布的 结构和尺寸均相同，所述扇形小片炭布的圆心与所述圆形炭布二 圆心之间的间距与芯 模(1)的直筒段高度相同且裁剪后所述圆形炭布二(4)的外边线总长度与芯模(1)直筒段 的圆周周长相等；且裁剪时，应确保裁剪后的所述圆形炭布二(4)能对芯模(1)的外表面进 行整体包覆。
8.按照权利要求1至7中任一项权利要求所述的一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层 方法，其特征在于步骤201和步骤202中所用整块炭布和小块炭布的材质均相同且均为炭 纤维布，所述炭纤维布所用的炭纤维为粘胶丝基炭纤维、聚丙烯腈基炭纤维或浙青基炭纤 维；所述炭纤维布的丝束为2.涨 MK，其中K表示丝束千根数，且所述炭纤维布的布面密 度为300g/m2 600g/m2 ；所述炭纤维布的种类为平纹、斜纹或缎纹；步骤201、步骤202和步骤203中采用加入炭纤维网胎后针刺连接的连接方式将局部 补强铺层固定在整体包覆层上且采用加入炭纤维网胎后针刺连接的连接方式对相邻两个 炭布铺制层进行固定时，步骤203中完成炭/炭坩埚预制体的铺制过程后，则获得密度为 0.20g/cm3 1.30g/cm3的炭/炭坩埚预制体成型产品(6)；对应地，采用固化炉对铺制完成 所获得的炭/炭坩埚预制体进行固化处理后，相应获得密度为0. 20g/cm3 1. 30g/cm3的炭 /炭坩埚预制体成型产品(6)。
9.按照权利要求1至7中任一项权利要求所述的一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层 方法，其特征在于步骤201、步骤202和步骤203中所采用热固性树脂的总质量为步骤203 中铺制完成的炭/炭坩埚预制体总质量的30% 50%，所述热固性树脂为酚醛树脂；步骤 203中完成炭/炭坩埚预制体的铺制过程后且采用固化炉对铺制完成所获得的炭/炭坩埚 预制体进行固化处理时，固化处理时间为4小时 10小时，固化温度为150°C 180°C，压 力为 0. 5MPa 1. 5MPa。
10.按照权利要求1至7中任一项权利要求所述的一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺 层方法，其特征在于步骤201、步骤202和步骤203中所采用炭纤维网胎的总质量为步骤 203中铺制完成的炭/炭坩埚预制体总质量的20% 40%，且针刺密度为20针/cm2 60 针 / cm2 ο
全文摘要
本发明公开了一种提高炭/炭坩埚强度的炭布铺层方法，包括步骤一、前期准备；二、炭布铺层，过程如下201、第一个炭布铺制层铺覆先采用整张炭布对所述芯模的外表面进行整体包覆并形成整体包覆层，再采用小块炭布在整体包覆层的底部和/或上部进行局部铺层并形成局部补强铺层；202、下一个炭布铺制层铺覆按步骤201中铺覆方法进行铺覆；203、多次重复步骤202，直至已铺覆所有炭布铺制层的厚度与需加工成型坩埚预制体的壁厚一致。本发明设计合理、操作简便、投入成本低且使用效果好、经铺层后所获得炭/炭坩埚预制体成型产品的力学性能优良，能解决现有单晶硅拉制炉用坩埚存在的力学性能不高、使用过程中易破裂等实际问题。
文档编号C04B35/83GK102093069SQ20101057342
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者侯卫权, 常新, 彭志刚, 肖志超, 赵大明, 邢如鹏, 陈青华 申请人:西安超码科技有限公司