連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體。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(duì)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(shí)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(shí)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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種石英坩堝【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。
【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(huì)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(jì)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(shí)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(shí)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(diǎn)極易脫落，影響坩堝的使用壽命。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型針對(duì)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]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供以下技術(shù)方案:一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的坩堝預(yù)制體，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。
[0007]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。
[0008]進(jìn)一步地，所述連續(xù)碳纖維為多步多次旋轉(zhuǎn)，纖維規(guī)格為> 1K。
[0009]進(jìn)一步地，所述基礎(chǔ)單元鋪層為多步多次旋轉(zhuǎn)錯(cuò)開拼接縫。
[0010]進(jìn)一步地，該i甘禍預(yù)制體的體積密度為0.30 g/cm3?0.55g/cm3。[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是能夠確保高負(fù)荷強(qiáng)度，這是因?yàn)樗鲱A(yù)制體通過沿弧面増加了整體結(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(shí)，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(shí)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，本實(shí)用新型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。
[0012]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】
[0013]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]圖4為纖維增強(qiáng)方式ー增強(qiáng)方式部分示意圖。
[0017]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。
[0018]圖6為纖維增強(qiáng)方式ニ增強(qiáng)方式部分示意圖。
[0019]圖7為纖維增強(qiáng)方式ニ連續(xù)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]附圖標(biāo)記說明:
[0021]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)方式ニ-8 ;中心軸-9 ;碳纖
維布/網(wǎng)胎復(fù)合料——10 ;網(wǎng)胎——11 ;碳纖維布——12 ;開剪縫——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——16 ;平行弦與堝幫纏鋪軌跡形成平面的中心線——17 ;中心軸和平面的線面角——18 ;纖維增強(qiáng)方式ニ堝幫開端圓周上的交叉弦——19 ;圓周上交叉弦所對(duì)應(yīng)的圓心角——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——21 ;交叉弦與堝幫纏鋪軌跡形成的平面——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(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型進(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(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍有任何的限制作用。
[0023]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)単元鋪層由整體結(jié)構(gòu)層5與局部加強(qiáng)層6復(fù)合構(gòu)成。
[0024]實(shí)施例1:[0025]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 ；
[0026]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 ；
[0027]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 ；
[0028]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(gè)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° ；
[0029]層數(shù)設(shè)計(jì):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；
[0030]多次多步旋轉(zhuǎn)錯(cuò)開基礎(chǔ)單元拼接縫，針刺密度為25針/cm2 ；
[0031]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。
[0032]實(shí)施例2:
[0033]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 ；
[0034]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；
[0035]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；
[0036]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(gè)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。
[0037]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Θ 20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(diǎn)數(shù)m為100 ;如圖6和7所示。
[0038]層數(shù)設(shè)計(jì):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；
[0039]多次多步旋轉(zhuǎn)錯(cuò)開基礎(chǔ)單元拼接縫，針刺密度為30針/cm2 ；
[0040]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。
[0041]實(shí)施例3:
[0042]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 ;
[0043]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 ；
[0044]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 ；
[0045]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Θ 20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(diǎn)數(shù)m為82;[0046]層數(shù)設(shè)計(jì):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)方式ニ 8為30層；
[0047]多次多步旋轉(zhuǎn)錯(cuò)開基礎(chǔ)單元拼接縫，針刺密度為30針/cm2 ；
[0048]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)単元鋪層由碳纖維布/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。
3.如權(quán)利要求1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≥1K。
4.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)単元鋪層為多步多次旋轉(zhuǎn)錯(cuò)開拼接縫。
5.如權(quán)利要求1所述坩堝預(yù)制體，其特征在干:該坩堝預(yù)制體的體積密度為0.30g/cm"~0.55g/cm3。
【文檔編號(hào)】C30B35/00GK203411478SQ201320475246
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)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(qǐng)人:江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司