連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體及其制備方法。該預(yù)制體由基礎(chǔ)單元鋪層、連續(xù)纖維增強(qiáng)，經(jīng)針刺技術(shù)成型，通過連續(xù)纖維纏鋪技術(shù)分別對坩堝底部及堝幫堝底連接區(qū)進(jìn)行增強(qiáng)，有效增加了整體結(jié)構(gòu)中貫連的連續(xù)纖維的含量，保證了在高負(fù)荷及膨脹應(yīng)力作用時所需強(qiáng)度，避免坩堝的開裂或堝幫堝底連接區(qū)的脫落，同時能夠保持優(yōu)異的形狀穩(wěn)定性。因此，該預(yù)制體力學(xué)性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，經(jīng)碳/碳復(fù)合后坩堝在高負(fù)荷作用下抗膨脹性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)效率高、使用壽命長，可滿足大尺寸晶硅爐坩堝的使用要求。
【專利說明】連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種坩堝【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體，及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單晶硅拉制及多晶硅冶煉過程中采用石英坩堝盛放反應(yīng)原料，高溫下純石英制作的坩堝會軟化變形，因此必須使用支撐部件來保持石英坩堝的形狀。各向同性的石墨材料具有較高的耐熱性和較高的熱沖擊性，尤其是化學(xué)穩(wěn)定性好，難與生成的諸如SiO等反應(yīng)性氣體反應(yīng)，且與石英坩堝材料中SiO2的反應(yīng)速率較低，一直是石英坩堝的首選材料。近年來，隨著硅晶片的大直徑化，需求的石墨坩堝尺寸變大、重量變得極重，導(dǎo)致高純石墨坩堝生產(chǎn)成本高、難以安裝，且提出的分瓣式組合石墨坩堝易變形，支托作用逐步下降，難以滿足使用需要。
[0003]碳/碳復(fù)合材料坩堝作為一種可設(shè)計性強(qiáng)、性能優(yōu)良的碳素護(hù)鍋，是目前制造大尺寸石墨坩堝的重要技術(shù)方向，而碳纖維預(yù)制體是碳/碳復(fù)合材料坩堝的骨架材料。通過傳統(tǒng)纖維纏繞法和碳布鋪層法成型碳纖維預(yù)制體而獲得的碳/碳復(fù)合材料坩堝存在層間沒有連接纖維容易分層、圓周方向抗膨脹力低(硅凝固時具有8%-9.6%的體積膨脹)，容易開裂、堝底與堝幫連接的坩堝薄弱部位強(qiáng)度低易破裂等不足，無法滿足大尺寸坩堝的使用要求，為此有人提出了碳布/網(wǎng)胎針刺成型技術(shù)。
[0004]中國專利CN102093069A ,ZL200610043186.4 以及 CN101319353A 等所述碳布 / 網(wǎng)胎針刺成型準(zhǔn)三維預(yù)制體采用針刺技術(shù)成型，層間結(jié)合強(qiáng)度高，不易分層。但該方法中碳布呈鋸齒狀開剪造成預(yù)制體整體結(jié)構(gòu)中貫連的連續(xù)纖維含量少，堝底部位多瓣式包覆，纖維連續(xù)性差，長期承載大量重物時容易開裂，另外雖采取局部補(bǔ)強(qiáng)措施，但堝幫與堝底貫連的連續(xù)纖維仍不足，堝幫與堝底連接處作為坩堝的承載應(yīng)力集中點極易脫落，影響坩堝的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明第一目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體，該預(yù)制體力學(xué)性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，經(jīng)碳/碳復(fù)合后坩堝在高負(fù)荷作用下抗膨脹性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)效率高、使用壽命長。
[0006]本發(fā)明的第二目的在于提供上述一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體的制備方法。
[0007]為了實現(xiàn)上述發(fā)明第一目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案:一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體，該坩堝預(yù)制體由基礎(chǔ)單元鋪層、連續(xù)纖維增強(qiáng)層經(jīng)針刺成型的準(zhǔn)三維立體織物，所述基礎(chǔ)單元鋪層由碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料或碳纖維布和網(wǎng)胎組合層構(gòu)成。
[0008]進(jìn)一步地，所述坩堝預(yù)制體中連續(xù)纖維5%~30%、碳纖維布50%~85%和網(wǎng)胎5%~20%。
[0009]進(jìn)一步地，所述碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料是由碳纖維布與網(wǎng)胎經(jīng)針刺固定成型。[0010]進(jìn)一步地,所述碳纖維布的面密度為100 g/m2~640 g/m2,纖維規(guī)格為≥1K。
[0011]進(jìn)一步地，所述網(wǎng)胎為短切碳纖維制成的薄氈，面密度為20 g/m2~300 g/m2，纖維規(guī)格為> 3K。
[0012]進(jìn)一步地，所述連續(xù)纖維為多步多次旋轉(zhuǎn)，纖維規(guī)格為> 1K。
[0013]進(jìn)一步地，所述基礎(chǔ)單元鋪層為多步多次旋轉(zhuǎn)錯開拼接縫。
[0014]進(jìn)一步地，該坩堝預(yù)制體的整體結(jié)構(gòu)層層間密度為6層/cm~13層/cm，體積密度為 0.30 g/cm3 ~0.55g/cm3。
[0015]為了實現(xiàn)上述發(fā)明第二目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案:一種如上所述坩堝預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟:
⑴、將碳纖維布和網(wǎng)胎經(jīng)預(yù)針刺固定成碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料，預(yù)針刺密度為2針/cm2 ~6 針 / cm2 ；
⑵、步驟⑴碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料或碳纖維布和網(wǎng)胎組合層按整體結(jié)構(gòu)層和局部加強(qiáng)層進(jìn)行分瓣裁剪、貼模鋪層；
⑶、采用連續(xù)纖維按照以下方式纏繞，形成連續(xù)纖維增強(qiáng)層:
3.1、在坩堝圓周上的總等分方向數(shù)，第一方向纖維沿堝幫開端圓周上的平行弦以及弦所在切面與坩堝表面的相交線所圍成的軌跡線連續(xù)纏鋪纖維；旋轉(zhuǎn)改變至下一方向重復(fù)第一方向纖維纏鋪步驟；
3.2、在坩堝圓周上的總等分點數(shù)，第一點纖維沿堝幫開端圓周上的交叉弦以及交叉弦所在切面與坩堝表面的相交線所圍 成的軌跡線，連續(xù)纏鋪纖維；旋轉(zhuǎn)改變至下一等分點位置重復(fù)第一點纖維纏鋪步驟；
⑷、采用針刺將步驟⑵和步驟⑶的產(chǎn)品固定連接，針刺密度為15-35針/cm2 ;獲得坩堝預(yù)制體。
[0016]進(jìn)一步地，步驟3.1中，預(yù)制體的中心軸在弦與堝幫纏鋪軌跡線形成平面上的投影應(yīng)投射在該平面的中心線上，圓周上的總等分方向數(shù)為> 2，平行弦間距為> 3mm，預(yù)制體中心軸與該平面的中心線的夾角為0°~15°。
[0017]進(jìn)一步地，步驟3.2中，預(yù)制體的中心軸在交叉弦與堝幫纏鋪軌跡線形成平面上的投影應(yīng)投射在該平面的中心線上，圓周上的總等分點數(shù)為> 6，交叉弦所對應(yīng)的圓心角為10°~180°，預(yù)制體中心軸與該平面的夾角為0°~45°。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是能夠確保高負(fù)荷強(qiáng)度，這是因為所述預(yù)制體通過沿弧面增加了整體結(jié)構(gòu)中連續(xù)纖維的含量，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。上述連續(xù)纖維在坩堝底部形成交連，在載重負(fù)荷下很好地起到支托作用，彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)單元多瓣式包覆帶來的纖維連續(xù)性差、底部強(qiáng)度薄弱的不足，避免了坩堝底部的開裂。同時，堝幫堝底連接區(qū)采用連續(xù)纖維沿弧面補(bǔ)強(qiáng)，確保了薄弱部位的足夠強(qiáng)度，其形成的斜向交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在受高負(fù)荷及膨脹應(yīng)力作用時容易變形，從而吸收被施加的應(yīng)力，避免堝幫堝底連接區(qū)的脫落。此外，連續(xù)纖維有效貫連了堝幫、堝底及其連接區(qū)，保證了在高強(qiáng)度及膨脹應(yīng)力作用下坩堝的形狀穩(wěn)定性。因此，本發(fā)明制備的坩堝能夠確保高強(qiáng)度，保持優(yōu)異的形狀穩(wěn)定性，滿足大尺寸晶硅爐坩堝的使用要求。
[0019]此外，根據(jù)上述構(gòu)成，通過改變基礎(chǔ)單元的構(gòu)成，可以改變預(yù)制體的體積密度和各部位強(qiáng)度；通過改變線面角、平行弦間距、交叉弦圓心角以及增強(qiáng)軌跡等，可以改變各部位徑向的力學(xué)性能，或者可以根據(jù)功能用途改變各部位的力學(xué)性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為整體結(jié)構(gòu)層鋪層用基礎(chǔ)單元裁剪后結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為局部加強(qiáng)層鋪層用基礎(chǔ)單元裁剪后結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4為纖維增強(qiáng)方式一增強(qiáng)方式部分示意圖。
[0024]圖5為纖維增強(qiáng)方式一連續(xù)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖6為纖維增強(qiáng)方式二增強(qiáng)方式部分示意圖。
[0026]圖7為纖維增強(qiáng)方式二連續(xù)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]附圖標(biāo)記說明:
堝底——I ;堝幫堝底連接區(qū)——2 ;堝幫——3 ;堝幫開端——4 ;整體結(jié)構(gòu)層——5 ;局
部加強(qiáng)層-6 ;纖維增強(qiáng)方式一-7 ;纖維增強(qiáng)方式二-8 ;中心軸-9 ;碳纖維布/
網(wǎng)胎復(fù)合料一10 ;網(wǎng)胎一11 ;碳纖維布一12 ;開剪縫一13 ;纖維增強(qiáng)方式一堝幫開端圓周上的平行弦——14 ;堝幫開端圓周上平行弦所在切面或弧面所形成的纏鋪軌跡——15 ;平行弦與堝幫纏鋪軌跡 形成的平面一16 ;平行弦與堝幫纏鋪軌跡形成平面的中心線一17 ;中心軸和平面的線面角一18 ;纖維增強(qiáng)方式二堝幫開端圓周上的交叉弦一19 ;圓周上交叉弦所對應(yīng)的圓心角一20 ;堝幫開端圓周上交叉弦所在切面或弧面所形成的纏鋪軌跡一21 ;交叉弦與堝幫纏鋪軌跡形成的平面一22 ;交叉弦與堝幫纏鋪軌跡形成平面的中心線——23 ;中心軸和平面的線面角——24。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應(yīng)對本發(fā)明的保護(hù)范圍有任何的限制作用。
[0029]如圖1所示的一種坩堝，其中的坩堝預(yù)制體為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)，在堝底1、堝幫堝底連接區(qū)2和堝幫3內(nèi)坩堝預(yù)制體由基礎(chǔ)單元鋪層、連續(xù)纖維增強(qiáng)層經(jīng)針刺成型的準(zhǔn)三維立體織物，所述基礎(chǔ)單元鋪層由整體結(jié)構(gòu)層5與局部加強(qiáng)層6復(fù)合構(gòu)成。
[0030]實施例1:
基礎(chǔ)單元構(gòu)成為一層3K平紋碳纖維布12與一層面密度40g/m2網(wǎng)胎11預(yù)針刺成型的碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料10，其面密度為320g/m2，預(yù)針刺密度為2針/cm2 ；
整體結(jié)構(gòu)層5用碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料10的開剪縫13數(shù)量為6 ；
局部加強(qiáng)層6用碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料10的開剪縫13數(shù)量為6 ；
纖維增強(qiáng)方式一 7連續(xù)纖維在堝幫開端4圓周上形成兩個等分方向(n=2)，單一方向形成的平行弦14數(shù)量為23根，間距為10mm，中心軸9和弦14與堝幫纏鋪軌跡形成平面16的線面角α 18為0° ；
層數(shù)設(shè)計:整體結(jié)構(gòu)層5為40層；局部加強(qiáng)層6為20層；纖維增強(qiáng)方式一 7為30層； 多次多步旋轉(zhuǎn)錯開基礎(chǔ)單元拼接縫，針刺密度為25針/cm2 ；
成型的預(yù)制體外徑尺寸為770.5mm，連續(xù)纖維含量為6.0%，碳纖維布含量為83.0%，網(wǎng)胎含量為11.0%，整體結(jié)構(gòu)層層間密度為10.6層/cm，體積密度為0.45g/cm3，堝幫3環(huán)向T型剝離強(qiáng)度為424.lN/m。
[0031]實施例2:
基礎(chǔ)單元構(gòu)成為二層面密度400g/m2的12K斜紋碳纖維布12與一層面密度60g/m2的12K網(wǎng)胎11預(yù)針刺成型的碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料10，其面密度為320g/m2，預(yù)針刺密度為3針 /cm2 ；
整體結(jié)構(gòu)層5用碳纖維布12、網(wǎng)胎11的開剪縫13數(shù)量為4，如圖2所示；
局部加強(qiáng)層6用碳纖維布12、網(wǎng)胎11的開剪縫13數(shù)量為4，如圖3所示；
纖維增強(qiáng)方式一 7連續(xù)纖維在堝幫開端4圓周上形成三個等分方向(n=3)，單一方向形成的平行弦14數(shù)量為21根，間距為20mm，中心軸9和弦14與堝幫纏鋪軌跡形成平面16的線面角α 18為5° ;如圖4和5所示；
纖維增強(qiáng)方式二 8連續(xù)纖維在堝幫開端4圓周上形成的交叉弦19的圓心角Θ20為100°，中心軸9和弦19與堝幫纏鋪軌跡形成平面22的線面角β24為0°，堝幫開端4圓周上總等分點數(shù)m為100 ;如圖6和7所示；
層數(shù)設(shè)計:整體結(jié)構(gòu)層5為23層；局部加強(qiáng)層6為9層；纖維增強(qiáng)方式一 7為23層；纖維增強(qiáng)方式二 8為16層；
多次多步旋轉(zhuǎn)錯開基礎(chǔ)單元拼接縫，針刺密度為30針/cm2 ；
成型的預(yù)制體外徑尺寸為665.0mm，連續(xù)纖維含量為16.0%，碳纖維布含量為78.5%，網(wǎng)胎含量為5.5%，整體結(jié)構(gòu)層層 間密度為12.8層/cm，體積密度為0.53g/cm3，堝幫3環(huán)向T型剝離強(qiáng)度為305.6N/m。
[0032]實施例3:
基礎(chǔ)單元構(gòu)成為一層面密度320g/m2的6K緞紋碳纖維布12與二層面密度50g/m2的12K網(wǎng)胎11 ；
整體結(jié)構(gòu)層5用碳纖維布12、網(wǎng)胎11的開剪縫10數(shù)量為6 ；
局部加強(qiáng)層6用碳纖維布12、網(wǎng)胎11的開剪縫10數(shù)量為6 ；
纖維增強(qiáng)方式二 8連續(xù)纖維在堝幫開端4圓周上形成的交叉弦19的圓心角Θ20為90°，中心軸9和弦19與堝幫纏鋪軌跡形成平面22的線面角β 24為30°，堝幫開端4圓周上總等分點數(shù)m為82;
層數(shù)設(shè)計:整體結(jié)構(gòu)層5為23層；局部加強(qiáng)層6為9層；纖維增強(qiáng)方式二 8為30層； 多次多步旋轉(zhuǎn)錯開基礎(chǔ)單元拼接縫，針刺密度為30針/cm2 ；
成型的預(yù)制體外徑尺寸為560.5mm，連續(xù)纖維含量為27.0%，碳纖維布含量為53.5%，網(wǎng)胎含量為19.5%，整體結(jié)構(gòu)層層間密度為6.5層/cm，體積密度為0.32g/cm3，堝幫3環(huán)向T型剝離強(qiáng)度為601.6N/m。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體，其特征在于:該坩堝預(yù)制體由基礎(chǔ)單元鋪層、連續(xù)碳纖維增強(qiáng)層經(jīng)針刺成型的準(zhǔn)三維立體織物，所述基礎(chǔ)單元鋪層由碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料或碳纖維布和網(wǎng)胎組合層構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述坩堝預(yù)制體，其特征在于:所述坩堝預(yù)制體中連續(xù)碳纖維5%~30%、碳纖維布50%~85%和網(wǎng)胎5%~20%。
3.如權(quán)利要求1所述坩堝預(yù)制體，其特征在于:所述碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料是由碳纖維布與網(wǎng)胎經(jīng)針刺固定成型。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述坩堝預(yù)制體，其特征在于:所述碳纖維布的面密度為100g/m2~640 g/m2，纖維規(guī)格為1K。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述坩堝預(yù)制體，其特征在于:所述網(wǎng)胎為短切碳纖維制成的薄氈，面密度為20 g/m2~300 g/m2，纖維規(guī)格為3K。
6.如權(quán)利要求2所述坩堝預(yù)制體，其特征在于:所述連續(xù)碳纖維為多步多次旋轉(zhuǎn)，纖維規(guī)格為IK。
7.如權(quán)利要求1所述坩堝預(yù)制體，其特征在于:所述基礎(chǔ)單元鋪層為多步多次旋轉(zhuǎn)錯開拼接縫。
8.如權(quán)利要求1所述坩堝預(yù)制體，其特征在于:該坩堝預(yù)制體體積密度為0.30 g/cm3 ~0.55g/cm3。
9.一種如權(quán)利要求1所述坩堝預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟: ⑴、將碳纖維布和網(wǎng)胎經(jīng)預(yù)針刺固定成碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料，預(yù)針刺密度為2針/cm2 ~6 針 / cm2 ； ⑵、步驟⑴碳纖維布/網(wǎng)胎復(fù)合料或碳纖維布和網(wǎng)胎組合層按整體結(jié)構(gòu)層和局部加強(qiáng)層進(jìn)行分瓣裁剪、貼模鋪層； ⑶、采用連續(xù)碳纖維按照以下方式纏繞，形成連續(xù)纖維增強(qiáng)層: 3.1、在坩堝圓周上的總等分方向數(shù)，第一方向碳纖維沿堝幫開端圓周上的平行弦以及弦所在切面與坩堝表面的相交線所圍成的軌跡線連續(xù)纏鋪；旋轉(zhuǎn)改變至下一方向重復(fù)第一方向碳纖維纏鋪步驟； 3.2、在坩堝圓周上的總等分點數(shù)，第一點碳纖維沿堝幫開端圓周上的交叉弦以及交叉弦所在切面與坩堝表面的相交線所圍成的軌跡線，連續(xù)纏鋪；旋轉(zhuǎn)改變至下一等分點位置重復(fù)第一點碳纖維纏鋪步驟； ⑷、采用針刺將步驟⑵和步驟⑶的產(chǎn)品固定連接，針刺密度為15-35針/cm2 ;獲得坩堝預(yù)制體。
10.如權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于:步驟3.1中，預(yù)制體的中心軸在弦與堝幫纏鋪軌跡線形成平面上的投影應(yīng)投射在該平面的中心線上，圓周上的總等分方向數(shù)為^ 2，平行弦間距為> 3mm，預(yù)制體中心軸與該平面的中心線的夾角為0°~15°。
11.如權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于:步驟3.2中，預(yù)制體的中心軸在交叉弦與堝幫纏鋪軌跡線形成平面上的投影應(yīng)投射在該平面的中心線上，圓周上的總等分點數(shù)為> 6，交叉弦所對應(yīng)的圓心角為10°~180°，預(yù)制體中心軸與該平面的夾角為0°~45。。
【文檔編號】C04B35/83GK103482995SQ201310337762
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月6日
【發(fā)明者】繆云良 申請人:江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司