一種棒狀硅材料鑄造模具及其鑄造方法
【專利摘要】一種棒狀硅材料鑄造模具及其鑄造方法，涉及硅材料的鑄造。所述棒狀硅材料鑄造模具設有緊固件、真空容器、冷卻管、冷卻箱、風機、震動器；緊固件設于真空容器內(nèi)，在緊固件內(nèi)部與高溫硅液接觸部分設有耐熱層，在緊固件外圍設有一圈加熱器，在加熱器的外周包裹保溫層，緊固件與設于真空容器內(nèi)底部的震動器接觸，在真空容器的上部設有出氣口，出氣口經(jīng)冷卻管接冷卻箱的進氣口，冷卻箱的出氣口經(jīng)風機接入真空容器內(nèi)。將棒狀硅材料鑄造模具在真空中預熱后，將熔融的硅液倒入棒狀硅材料鑄造模具的型腔內(nèi)，開啟震動器使硅液震動，震動結(jié)束后加熱，加熱后再退火，最后冷卻，出料，即得棒狀硅材料。成本低、生產(chǎn)效率高。
【專利說明】一種棒狀硅材料鑄造模具及其鑄造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅材料的鑄造，尤其是涉及一種棒狀硅材料鑄造模具及其鑄造方法。【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類對環(huán)境保護認識的提高，綠色能源越來越受到人們的重視。近年來，人們相續(xù)投入了綠色能源的研發(fā)，太陽能電池、鋰離子電池等新興綠色能源得到了長足的發(fā)展，正在逐步步入人們的生活中。
[0003]硅材料在太陽能電池、鋰離子電池的生產(chǎn)中有著廣泛的應用，是一種生產(chǎn)、貯存綠色能源的重要材料而備受人們的關(guān)注。目前，硅材料的研究方向有:硅材料的提純與結(jié)晶及硅薄膜的生產(chǎn)等課題。
[0004]硅材料的提純可以利用雜質(zhì)在固、液相中分凝系數(shù)的存在，利用區(qū)域熔煉的方法進行，提純過程中，需要使用到棒狀硅材料。在單晶硅、硅薄膜的生產(chǎn)過程中，為了降低二次加料對硅熔體的影響，提供一個穩(wěn)定液面及穩(wěn)定溫度的硅熔體源，可以利用棒狀硅材料進行滴熔加料。
[0005]由于硅材料在凝固點附近溫度時，液態(tài)硅密度比固態(tài)硅密度大這一特性，在鑄造硅材料過程中由于硅的凝固膨脹容易導致鑄造模具膨脹變形，造成損壞，需要提供一種方法克服這一影響。目前，在太陽能多晶硅的鑄造過程中，主要使用了定向凝固減少硅的這一影響，但是其鑄造使用的坩堝是一次性使用的。
[0006]中國專利CN102131599A介紹了一種用于棒狀硅材料鑄造的模具，是通過彈簧對抗棒狀硅材料凝固時的膨脹，并無闡述其對棒狀硅材料特性的控制。
[0007]中國專利CNlO 1717990A介紹了一種用于單晶硅區(qū)域熔煉法中使用的高純多晶硅棒的制備方法，是將硅粉利用等靜壓的方法進行制造。
[0008]中國專利CN102471868A介紹了一種用于薄膜制造的硅材料，是闡述硅材料的特性對薄膜制造的影響，并無涉及到棒狀娃材料的制造模具及制造方法。
[0009]中國專利CN102084022A介紹了一種用于薄膜制造的硅材料，是闡述硅材料的特性對薄膜制造的影響，并無涉及到棒狀娃材料的制造模具及制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供成本低、生產(chǎn)效率高，可以重復使用的一種棒狀硅材料鑄造模具及其鑄造方法。
[0011]所述棒狀硅材料鑄造模具設有緊固件、真空容器、冷卻管、冷卻箱、風機、震動器；
[0012]所述緊固件設于真空容器內(nèi)，在緊固件內(nèi)部與高溫硅液接觸部分設有耐熱層，在緊固件外圍設有一圈加熱器，在加熱器的外周包裹保溫層，緊固件與設于真空容器內(nèi)底部的震動器接觸，在真空容器的上部設有出氣口，出氣口經(jīng)冷卻管接冷卻箱的進氣口，冷卻箱的出氣口經(jīng)風機接入真空容器內(nèi)。
[0013]所述耐熱層可采用耐高溫燒結(jié)管、耐高溫涂層等中的至少一種。[0014]所述耐熱層的材質(zhì)可選自耐高溫化合物、耐高溫金屬、耐高溫金屬合金、耐高溫金屬碳化物等中的一種，所述耐高溫化合物可選自氧化鋁、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化硼等中的一種，所述耐高溫金屬可選自如鎢、鑰、鉭、鈮等中的一種。
[0015]所述耐高溫燒結(jié)管可以由耐高溫化合物研磨成細粉，加入溶劑攪拌或添加粘結(jié)劑等,通過打結(jié)，晾干,再高溫燒結(jié)而成，或由耐高溫金屬管/棒材經(jīng)過機械加工,退火而成。所述溶劑可選自水或油等。
[0016]所述耐高溫涂層可以由耐高溫化合物研磨成細粉后噴涂而成，也可由化學氣相沉積法或物理氣相沉積法進行鍍附。
[0017]所述緊固件可采用鐵緊固件、鐵合金緊固件、耐高溫金屬緊固件等，所述耐高溫金屬可采用鎢、鑰、鉭、鈮及其合金或其碳化物。緊固件可由3?4個緊固模塊組成一根可以拆分的圓棒，并能由外圍抱箍拉緊或放松由此進行模具的固定或是與棒狀硅材料分開。所述緊固件主要起到確定鑄造棒狀硅材料外形尺寸的作用，但需要不同外形尺寸的棒狀硅材料時，需要使用不同尺寸的緊固件。所述緊固件也起到了抵抗內(nèi)部硅材料凝固時的膨脹力的作用，阻止硅材料在膨脹過程中受力不均產(chǎn)生斷裂，故而緊固件外圍抱箍需要有一定的抱緊力，抱緊的方式可以是螺絲等。
[0018]加熱器和外周包裹的保溫層組成加熱裝置，所述加熱器其加熱方式可以是電阻加熱，也可以是電磁感應加熱等其他方式。所述加熱器的作用主要是在鑄液澆鑄進入模具后，對棒狀硅材料進行退火處理以消除鑄造棒狀硅材料的內(nèi)部應力，降低斷裂的可能。其中，力口熱溫度在100?1500°C，優(yōu)選在300?800°C。當溫度過低時，無法有效的消除棒狀硅材料的內(nèi)部應力，而當溫度過高，會降低加熱器及緊固件的壽命，造成成本上升。其中，所述保溫層主要是隔絕加熱器熱量向外輻射降低其熱量對外圍設備的影響并提高能量的利用率。
[0019]冷卻管、冷卻箱和風機組成冷卻裝置。冷卻管抽風口接真空容器，排風口接保溫層內(nèi)部。冷卻氣體由風機從冷卻管抽風口進入并在冷卻箱進行熱交換冷卻，冷卻后的氣體由冷卻管排風口排出后進入保溫層內(nèi)部與模具進行熱交換冷卻模具，高溫氣體再由模具上部排出。其中所述冷卻氣體主要是化學惰性氣體，如氬氣、氮氣、氦氣等。其中所述冷卻箱主要是熱交換管組成，并無物質(zhì)交換過程，冷卻介質(zhì)可以是冷卻水，也可以是干冰等。
[0020]所述震動器其主要震動形式是機械震動，所述震動器可采用電機偏心震動器或電磁鐵震動器等。其震動原理可以是電機的偏心震動，也可以是電磁鐵的震動。其主要目的是在震動過程中促進娃熔液晶核的形成，從而細化棒狀娃材料的晶粒。其中所述震動器的震動功率在10?5000W，頻率在50?50000Hz，優(yōu)選震動功率在100?1000W，頻率在500?5000Hz。當功率較低時，由于能量不足，晶核形成數(shù)量較少，晶粒尺寸較大，當功率較高時，容易損壞耐熱層導致安全隱患。而頻率過高及過低都會影響晶粒的形成質(zhì)量。
[0021]所述棒狀硅材料的鑄造方法如下:
[0022]將棒狀硅材料鑄造模具在真空中預熱后，將熔融的硅液倒入棒狀硅材料鑄造模具的型腔內(nèi)，開啟震動器使硅液震動，震動結(jié)束后加熱，加熱后再退火，最后冷卻，出料，即得棒狀硅材料。
[0023]所得棒狀硅材料的純度可為95%?99.9999%，所述棒狀硅材料的長度可為10?3000mm,直徑可為20?500_ ；
[0024]所述震動器的震動功率可為250W，頻率可為1000Hz，震動時間可為IOmin ;所述加熱可采用電阻絲加熱等，加熱的溫度可為100?1500°C，加熱的時間可為2h，優(yōu)選加熱的溫度為300?800°C ;所述冷卻的方法可采用冷卻氣體、冷卻水或干冰，所述采用冷卻氣體的方法是向鑄造模具內(nèi)部吹入35?45°C的冷卻氣體，冷卻時間可為2h，所述冷卻氣體可采用惰性氣體，所述惰性氣體可選自氬氣、氮氣、氦氣中的一種。
[0025]本發(fā)明棒狀硅材料鑄造模具主要是在真空容器中，利用可拆卸的緊固件決定鑄造硅材料的外形尺寸。同時，緊固件由抱箍鎖緊防止硅材料在冷卻凝固時膨脹使得緊固件脫落，造成棒狀硅材料斷裂。在緊固件內(nèi)部與高溫硅液接觸部分，分布一層耐熱層，起到了防止高溫硅液腐蝕緊固件的作用。同時，緊固件外圍分布一圈加熱器，其作用是在鑄造過程中對緊固件的預熱及對鑄造完成的棒狀硅材料進行退火以消除棒狀硅材料內(nèi)部應力避免斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。在加熱器的外周包裹一層保溫層以起到防止熱量散失，提高加熱器的加熱效果的作用。同時，緊固件與震動器接觸，在震動器的作用下，緊固件連同其內(nèi)部的硅熔液將進行相應的震動。當風機開啟時，真空容器內(nèi)部的氣體將隨著冷卻管進入冷卻箱，在冷卻箱中的氣體經(jīng)過冷卻后，再由風機打到緊固件附近，通過緊固件的熱傳導進而冷卻棒狀硅材料。
[0026]本發(fā)明所制得的棒狀硅材料是一種細晶粒，內(nèi)部無氣孔，無斷裂的鑄造硅材料。由于采用耐熱層，因此可與硅鑄液直接接觸；由于采用緊固件固定耐熱層，因此可對抗硅鑄造棒材形成時的應力變形；由于采用震動器細化硅鑄造棒材的晶粒，因此提高了硅鑄造棒材的密度；由于采用加熱裝置減小鑄造時硅鑄造棒材內(nèi)部、外部溫差，因此降低了硅鑄造棒材的內(nèi)部應力；由于采用冷卻裝置用于冷卻鑄造完成后的硅鑄造棒材，因此提高了生產(chǎn)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明所述棒狀硅材料鑄造模具實施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
【具體實施方式】
[0028]以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0029]參見圖1，本發(fā)明所述棒狀硅材料鑄造模具實施例設有緊固件2、真空容器5、冷卻管6、冷卻箱7、風機8、震動器9。所述緊固件2設于真空容器5內(nèi)，在緊固件2內(nèi)部與高溫硅液接觸部分設有耐熱層1，在緊固件2外圍設有一圈加熱器3，在加熱器3的外周包裹保溫層4，緊固件2與設于真空容器5內(nèi)底部的震動器9接觸，在真空容器5的上部設有出氣口 51，出氣口 51經(jīng)冷卻管6接冷卻箱7的進氣口，冷卻箱7的出氣口經(jīng)風機8接入真空容器5內(nèi)。
[0030]所述耐熱層I采用耐高溫燒結(jié)管、耐高溫涂層等中的至少一種。
[0031]所述耐熱層I的材質(zhì)選自耐高溫化合物、耐高溫金屬、耐高溫金屬合金、耐高溫金屬碳化物等中的一種，所述耐高溫化合物選自氧化鋁、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化硼等中的一種，所述耐高溫金屬選自如鎢、鑰、鉭、鈮等中的一種。
[0032]所述耐高溫燒結(jié)管可以由耐高溫化合物研磨成細粉，加入溶劑攪拌或添加粘結(jié)劑等,通過打結(jié)，晾干,再高溫燒結(jié)而成,或由耐高溫金屬管/棒材經(jīng)過機械加工,退火而成。所述溶劑可選自水或油等。
[0033]所述耐高溫涂層可以由耐高溫化合物研磨成細粉后噴涂而成，也可由化學氣相沉積法或物理氣相沉積法進行鍍附。
[0034]所述緊固件2可采用鐵緊固件、鐵合金緊固件、耐高溫金屬緊固件等，所述耐高溫金屬可采用鎢、鑰、鉭、鈮及其合金或其碳化物。緊固件可由3?4個緊固模塊組成一根可以拆分的圓棒，并能由外圍抱箍拉緊或放松由此進行模具的固定或是與棒狀硅材料分開。所述緊固件2主要起到確定鑄造棒狀硅材料外形尺寸的作用，但需要不同外形尺寸的棒狀硅材料時，需要使用不同尺寸的緊固件。所述緊固件2也起到了抵抗內(nèi)部硅材料凝固時的膨脹力的作用，阻止硅材料在膨脹過程中受力不均產(chǎn)生斷裂，故而緊固件2外圍抱箍需要有一定的抱緊力，抱緊的方式可以是螺絲等。
[0035]加熱器3和外周包裹的保溫層4組成加熱裝置，所述加熱器3其加熱方式可以是電阻加熱，也可以是電磁感應加熱等其他方式。所述加熱器的作用主要是在鑄液澆鑄進入模具后，對棒狀硅材料進行退火處理以消除鑄造棒狀硅材料的內(nèi)部應力，降低斷裂的可能。其中，加熱溫度在100?1500°C，優(yōu)選在300?800°C。當溫度過低時，無法有效的消除棒狀硅材料的內(nèi)部應力，而當溫度過高，會降低加熱器及緊固件的壽命，造成成本上升。其中，所述保溫層4主要是隔絕加熱器熱量向外輻射降低其熱量對外圍設備的影響并提高能量的利用率。
[0036]冷卻管6、冷卻箱7和風機8組成冷卻裝置。冷卻管6抽風口接真空容器5，排風口接保溫層4內(nèi)部。冷卻氣體由風機8從冷卻管6抽風口進入并在冷卻箱7進行熱交換冷卻，冷卻后的氣體由冷卻管6排風口排出后進入保溫層4內(nèi)部與模具進行熱交換冷卻模具，高溫氣體再由模具上部排出。其中所述冷卻氣體主要是化學惰性氣體，如氬氣、氮氣、氦氣等。其中所述冷卻箱7主要是熱交換管組成，并無物質(zhì)交換過程，冷卻介質(zhì)可以是冷卻水，也可以是干冰等。
[0037]所述震動器9其主要震動形式是機械震動，所述震動器可采用電機偏心震動器或電磁鐵震動器等。其震動原理可以是電機的偏心震動，也可以是電磁鐵的震動。其主要目的是在震動過程中促進硅熔液晶核的形成，從而細化棒狀硅材料的晶粒。其中所述震動器的震動功率在10?5000W，頻率在50?50000Hz，優(yōu)選震動功率在100?1000W，頻率在500?5000Hz。當功率較低時，由于能量不足，晶核形成數(shù)量較少，晶粒尺寸較大，當功率較高時，容易損壞耐熱層I導致安全隱患。而頻率過高及過低都會影響晶粒的形成質(zhì)量。
[0038]所述棒狀硅材料的鑄造方法如下:
[0039]將棒狀硅材料鑄造模具在真空中預熱后，將熔融的硅液倒入棒狀硅材料鑄造模具的型腔內(nèi)，開啟震動器使硅液震動，震動結(jié)束后再進行退火作業(yè)，最后進行冷卻，出料，即得棒狀硅材料。
[0040]所得棒狀硅材料的純度可為95%?99.9999%。
[0041]本發(fā)明棒狀硅材料鑄造模具主要是在真空容器5中，利用可拆卸的緊固件2決定鑄造硅材料的外形尺寸。同時，緊固件2由抱箍鎖緊防止硅材料在冷卻凝固時膨脹使得緊固件2脫落，造成棒狀硅材料斷裂。在緊固件2內(nèi)部與高溫硅液接觸部分，分布一層耐熱層1，起到了防止高溫硅液腐蝕緊固件2的作用。同時，緊固件2外圍分布一圈加熱器3，其作用是在鑄造過程中對緊固件2的預熱及對鑄造完成的棒狀硅材料進行退火以消除棒狀硅材料內(nèi)部應力避免斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。在加熱器3的外周包裹一層保溫層4以起到防止熱量散失，提高加熱器3的加熱效果的作用。同時，緊固件2與震動器9接觸，在震動器9的作用下，緊固件2連同其內(nèi)部的硅熔液將進行相應的震動。當風機8開啟時，真空容器5內(nèi)部的氣體將隨著冷卻管6進入冷卻箱7，在冷卻箱7中的氣體經(jīng)過冷卻后，再由風機8打到緊固件2附近，通過緊固件2的熱傳導進而冷卻棒狀硅材料。
[0042]以下給出具體實施例:
[0043]在以下實施例和比較例中，鑄造棒狀硅材料長度在1200mm，直徑在60mm。震動指的是電機的偏心震動，震動功率在250W，頻率在1000Hz，震動時間lOmin。退火指的是電阻絲加熱，加熱溫度為700°C，加熱時間2h，其中，比較例3中，加熱時間為4h。冷卻指的是向鑄造模具內(nèi)部吹入40°C左右的氬氣，冷卻時間為2h，其他因素相同。
[0044]表1:實施例與比較例中工藝的差別
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種棒狀硅材料鑄造模具，其特征在于設有緊固件、真空容器、冷卻管、冷卻箱、風機、震動器； 所述緊固件設于真空容器內(nèi)，在緊固件內(nèi)部與高溫硅液接觸部分設有耐熱層，在緊固件外圍設有一圈加熱器，在加熱器的外周包裹保溫層，緊固件與設于真空容器內(nèi)底部的震動器接觸，在真空容器的上部設有出氣口，出氣口經(jīng)冷卻管接冷卻箱的進氣口，冷卻箱的出氣口經(jīng)風機接入真空容器內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述一種棒狀硅材料鑄造模具，其特征在于所述耐熱層采用耐高溫燒結(jié)管、耐高溫涂層中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1所述一種棒狀硅材料鑄造模具，其特征在于所述耐熱層的材質(zhì)選自耐高溫化合物、耐高溫金屬、耐高溫金屬合金、耐高溫金屬碳化物中的一種，所述耐高溫化合物可選自氧化鋁、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化硼中的一種，所述耐高溫金屬可選自如鎢、鑰、鉭、鈮中的一種。
4.如權(quán)利要求2所述一種棒狀硅材料鑄造模具，其特征在于所述耐高溫燒結(jié)管由耐高溫化合物研磨成細粉，加入溶劑攪拌或添加粘結(jié)劑，通過打結(jié)，晾干，再高溫燒結(jié)而成，或由耐高溫金屬管/棒材經(jīng)過機械加工，退火而成；所述溶劑可選自水或油。
5.如權(quán)利要求2所述一種棒狀硅材料鑄造模具，其特征在于所述耐高溫涂層由耐高溫化合物研磨成細粉后噴涂而成，或由化學氣相沉積法進行鍍附，或由物理氣相沉積法進行鍍附。
6.如權(quán)利要求1所述一種棒狀硅材料鑄造模具，其特征在于所述緊固件采用鐵緊固件、鐵合金緊固件、耐高溫金屬緊固件，所述耐高溫金屬可采用鎢、鑰、鉭、鈮及其合金或其碳化物；緊固件可由3?4個緊固模塊組成一根可以拆分的圓棒，并能由外圍抱箍拉緊或放松由此進行模具的固定或是與棒狀硅材料分開。
7.如權(quán)利要求1所述一種棒狀硅材料鑄造模具，其特征在于所述加熱器可采用電阻加熱，或電磁感應加熱。
8.如權(quán)利要求1所述一種棒狀硅材料鑄造模具，其特征在于所述震動器的震動功率在10?5000W，頻率在50?50000Hz，優(yōu)選震動功率在100?1000W，頻率在500?5000Hz。
9.棒狀硅材料的鑄造方法，其特征在于采用如權(quán)利要求1?8所述一種棒狀硅材料鑄造模具中的一種，所述方法如下: 將棒狀硅材料鑄造模具在真空中預熱后，將熔融的硅液倒入棒狀硅材料鑄造模具的型腔內(nèi)，開啟震動器使硅液震動，震動結(jié)束后加熱，加熱后再退火，最后冷卻，出料，即得棒狀硅材料。
10.如權(quán)利要求9所述棒狀硅材料的鑄造方法，其特征在于所得棒狀硅材料的純度為95%?99.9999%，所述棒狀硅材料的長度為10?3000mm，直徑為20?500mm ； 所述震動器的震動功率可為250W，頻率可為1000Hz，震動時間可為IOmin ;所述加熱可采用電阻絲加熱，加熱的溫度可為100?1500°C，加熱的時間可為2h，優(yōu)選加熱的溫度為300?800 °C;所述冷卻的方法可采用冷卻氣體、冷卻水或干冰,所述采用冷卻氣體的方法是向鑄造模具內(nèi)部吹入35?45°C的冷卻氣體，冷卻時間可為2h，所述冷卻氣體可采用惰性氣體，所述惰性氣體可選自氬氣、氮氣、氦氣中的一種。
【文檔編號】B22D27/04GK103949599SQ201410165142
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】吳雁青, 蔣義淳, 姜龍, 黃慶云, 錢文連, 賴文賢, 蘆興, 殷行 申請人:廈門鎢業(yè)股份有限公司