一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法

摘要

本发明公开了一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法，制备过程为：采用炭布与短炭纤维网胎交替环向缠绕构成平面纤维，垂直方向引入增强纤维，制成三向结构隔热屏预制体，对三向结构隔热屏预制体进行化学气相渗透致密工艺后再进行树脂或沥青浸渍、炭化处理，高温纯化处理后再机械加工，对机械加工后的炭/炭隔热屏表面进行化学气相沉积涂层处理，即制得高纯度的炭/炭隔热屏。本发明工艺简单，周期短，成本较低，在不显著降低炭/炭隔热屏隔热性的前提下，又能提高产品纯度，而且能大大提高抗热震性及结构稳定性，可有效提高隔热屏产品的抗冲刷能力和在SiCl4、HCl气氛环境中的耐腐蚀能力，延长使用寿命。

权利要求

1.一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法，其特征在于，制备过程为：(1)采用6-48K炭布与短炭纤维网胎交替环向缠绕构成平面纤维，采用针刺工艺在垂3

直炭布方向引入增强纤维，制成体积密度为0.25～0.55g/cm 的三向结构隔热屏预制体，2

针刺密度25～45针/cm，其中，K代表丝束千根数；

(2)化学气相渗透致密工艺：以丙烯或天然气为炭源气体在高温850-1200℃条件下裂解，对三向结构隔热屏预制体进行气相渗透致密处理，使得三向结构隔热屏预制体的体积3

密度≥0.40g/cm ；

(3)树脂或沥青浸渍、炭化处理工艺：该工序分两种方法：一种为树脂或沥青真空浸渍3

炭化，在真空浸渍罐中，在真空度≤-0.090MPa的真空状态下，对体积密度≥0.40g/cm 的三向结构隔热屏预制体浸渍2-4小时后出罐，再转入炭化炉进行炭化处理，制成炭/炭隔热屏预制体；一种为树脂或沥青压力浸渍固化炭化，在压力浸渍罐中，在压力为1.5～2.0MPa3

的条件下，对体积密度≥0.40g/cm 的三向结构隔热屏预制体浸渍3-5小时后出罐，再进行固化处理，然后转入炭化炉进行炭化处理，制成炭/炭隔热屏预制体；其中，固化处理温度为190℃，炭化温度为800-1000℃，所述树脂为糠酮树脂或酚醛树脂；

3

(4)高温纯化处理工艺：重复步骤(3)，当炭/炭隔热屏预制体的体积密度≥1.0g/cm时，在纯化炉中通入氯气或氟利昂的条件下对炭/炭隔热屏预制体进行高温纯化处理，高温纯化处理温度为2300-2800℃；

(5)对步骤(4)中经高温纯化处理的炭/炭隔热屏预制体进行车加工，制成炭/炭隔热屏；

(6)对步骤(5)中进行车加工后的炭/炭隔热屏进行化学气相沉积表面涂层处理，即制得高纯度的炭/炭隔热屏，所述高纯度是指灰分≤50ppm；所述化学气相沉积表面涂层处理温度为900-1200℃。

2.按照权利要求1所述的一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述炭布为平纹、斜纹或缎纹炭布。

3.按照权利要求1所述的一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述化学气相渗透致密处理温度为850-1200℃。

4.按照权利要求1所述的一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述炭/炭隔热屏的热导率为5～30W/mK。

5.按照权利要求1所述的一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述炭/炭隔热屏的直径为1000～1800mm。

说明书

一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于多晶硅氢化炉用隔热材料技术领域，具体涉及一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法。

背景技术

[0002] 目前，生产多晶硅的主要方法为改良西门子法，采用改良西门子法生产的多晶硅占全球多晶硅总产量的80％以上。在改良西门子法生产多晶硅过程中，氢化炉为反应产物回收的循环系统的主要设备，即将反应副产物SiCl4与H2反应生成SiHCl3原料进行重新利用。氢化炉中，SiCl4与H2的混合气体在1250℃条件下发生反应，隔热屏为发热元件外部的隔热材料，也是为上述反应提供一个恒温的区域。因此要求隔热屏隔热性好，纯度高不污染多晶硅产品，强度高耐冲刷。氢化炉连续运行时间在2000小时以上，因此隔热屏的使用寿命将影响到氢化炉的连续运行时间。

[0003] 中国专利ZL200610043184.5，名称为“单晶硅拉制炉及多晶硅冶炼炉用热场炭/炭隔热屏的制备方法”中公开了采用针刺炭布与无纬布相结合制成三向结构隔热屏预制体，基体采用沥青炭与树脂炭双元炭基体，并经2000～2500℃通氯气或氟利昂的条件下进行纯化处理，其不足之处是(1)沥青浸渍时没有采用真空加压浸渍技术方案，浸渍效率偏低30％，周期长成本高；(2)机加工后未进行涂层处理，表面粗糙，不够致密，抗气体冲刷能力和耐腐蚀能力较差。

[0004] 俄罗斯制备多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏采用炭布叠层缠绕预制体，纯化学气相渗透工艺致密，表面涂层处理。该化学气相渗透工艺致密方法周期长，效率低，成本高。其产品直径约1000mm，尺寸规格较小，已逐渐不能满足氢化炉向大尺寸发展的需求。

[0005] 德国西格里制备多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏，采用无纬布叠层预制体，以沥青浸渍加压制得长方形平板，使用螺栓环向八角拼接，其缺点为拼接处有接缝，密封性不好，无法承受氢化炉内较大压力，且安装较为不便，容易损坏。该结构的隔热屏产品已在国内多晶硅企业进行试用，存在较大的设计缺陷，不能完全满足隔热屏功能要求。

发明内容

[0006] 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，提供一种工艺简单，周期短，成本较低的多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法。该方法在不显著降低炭/炭隔热屏隔热性的前提下，又能提高产品纯度，而且能大大提高抗热震性及结构稳定性，可有效提高隔热屏产品的抗冲刷能力和在SiCl4、HCl气氛环境中的耐腐蚀能力，延长使用寿命。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的制备方法，其特征在于，制备过程为：

[0008] (1)采用6-48K炭布与短炭纤维网胎交替环向缠绕构成平面纤维，采用针刺工艺3
在垂直炭布方向引入增强纤维，制成体积密度为0.25～0.55g/cm 的三向结构隔热屏预制
2
体，针刺密度25～45针/cm，其中，K代表丝束千根数；

[0009] (2)化学气相渗透致密工艺：以丙烯或天然气为炭源气体在高温850-1200℃条件下裂解，对三向结构隔热屏预制体进行气相渗透致密处理，使得三向结构隔热屏预制体的3
体积密度≥0.40g/cm ；

[0010] (3)树脂或沥青浸渍、炭化处理工艺：该工序分两种方法：一种为树脂或沥青真空浸渍炭化，在真空浸渍罐中，在真空度≤-0.090MPa的真空状态下，对体积密度≥0.40g/3
cm 的三向结构隔热屏预制体浸渍2-4小时后出罐，再转入炭化炉进行炭化处理，制成炭/炭隔热屏预制体；一种为树脂或沥青压力浸渍固化炭化，在压力浸渍罐中，在压力为1.5～
3
2.0Mpa的条件下，对体积密度≥0.40g/cm 的三向结构隔热屏预制体浸渍3-5小时后出罐，再进行固化处理，然后转入炭化炉进行炭化处理，炭/炭隔热屏预制体；其中，固化处理温度为190℃，炭化温度为800-1000℃，所述树脂为糠酮树脂或酚醛树脂；

[0011] (4)高温纯化处理工艺：重复步骤(3)，当炭/炭隔热屏预制体的体积密度3
≥1.0g/cm 时，在纯化炉中通入氯气或氟利昂的条件下对炭/炭隔热屏预制体进行高温纯化处理，高温纯化处理温度为2300-2800℃；

[0012] (5)对步骤(4)中经高温纯化处理的炭/炭隔热屏预制体进行车加工，制成炭/炭隔热屏；

[0013] (6)对步骤(5)中进行车加工后的炭/炭隔热屏进行化学气相沉积表面涂层处理，即制得高纯度的炭/炭隔热屏，所述高纯度是指灰分≤50ppm。

[0014] 上述步骤(1)中所述炭布为平纹、斜纹或缎纹炭布。

[0015] 上述步骤(2)中所述化学气相渗透致密处理温度为850-1200℃。

[0016] 上述步骤(6)中所述化学气相沉积表面涂层处理温度为900-1200℃。

[0017] 上述步骤(6)中所述炭/炭隔热屏的热导率为5～30W/mK。

[0018] 上述步骤(6)中所述炭/炭隔热屏的直径为1000～1800mm。

[0019] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0020] (1)采用针刺6～48K平纹、斜纹或缎纹炭布与短炭纤维网胎交替环向缠绕制得三向结构隔热屏预制体，提高了炭/炭隔热屏的强度及隔热性；并且短炭纤维网胎提供了径向垂直纤维，提高了预制体致密工艺过程抗分层的能力；

[0021] (2)采用化学气相渗透硬化预制体，树脂或沥青浸渍炭化处理相结合的致密工艺，工艺简单，周期短，成本较低。

[0022] (3)采用2300-2800℃的高温纯化处理，在不显著降低炭/炭隔热屏隔热性的前提下，又能提高产品纯度，而且能大大提高抗热震性及结构稳定性。

[0023] (4)对机加工后的隔热屏产品进行表面CVD涂层处理，可有效提高隔热屏产品的抗冲刷能力和在SiCl4、HCl气氛环境中的耐腐蚀能力，延长使用寿命。

[0024] (5)环向整体成型，高度通过自扣连接，安装便捷，且不易损坏，能显著延长炭/炭隔热屏的使用寿命。

[0025] 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。

附图说明

[0026] 图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

[0027] 实施例1

[0028] (1)采用12K平纹炭布与短炭纤维网胎交替环向缠绕，在厚度方向采用针刺工2
艺引入垂直纤维，制成三向结构发热体预制体，针刺密度35～40针/cm，其体积密度为
3
0.45g/cm ；

[0029] (2)化学气相渗透工艺，在940℃温度下，以丙烯为炭源气体对预制体进行气相渗透致密处理；

[0030] (3)树脂或沥青真空浸渍炭化，炭/炭隔热屏制品体积密度≥0.50g/cm3时，进行糠酮树脂、酚醛树脂或沥青真空浸渍处理，真空度≤-0.094MPa，浸渍之后进行900℃炭化处理；

[0031] (4)高温纯化处理：重复步骤(3)，当其体积密度≥1.20g/cm3时，致密工艺结束，在2600℃通入氯气或氟利昂的条件下对制品进行高温纯化处理；

[0032] (5)机械加工：对步骤(4)中经过纯化处理后炭/炭隔热屏用车床加工；

[0033] (6)对隔热屏表面进行CVD涂层处理，在960℃下，以丙烯为炭源气体对表面进行CVD炭涂层即制得多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏。

[0034] 上述步骤(6)中的多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的直径为1000mm。

[0035] 实施例2

[0036] (1)采用6K斜纹炭布与短炭纤维网胎交替环向缠绕，在厚度方向采用针刺工艺引2
入垂直纤维，制成三向结构发热体预制体，针刺密度25～30针/cm，其体积密度为0.25g/
3
cm ；

[0037] (2)化学气相渗透工艺，在850℃温度下，以丙烯为炭源气体对预制体进行气相渗透致密处理；

[0038] (3)树脂或沥青真空浸渍炭化，炭/炭隔热屏制品体积密度≥0.40g/cm3时，进行糠酮树脂、酚醛树脂或沥青真空浸渍处理，真空度≤-0.090MPa，浸渍之后进行800℃炭化处理；

[0039] (4)高温纯化处理：重复步骤(3)，当其体积密度≥1.0g/cm3时，致密工艺结束，在2300℃通入氯气或氟利昂的条件下对制品进行高温纯化处理；

[0040] (5)机械加工：对步骤(4)中经过纯化处理后炭/炭隔热屏用车床加工；

[0041] (6)对隔热屏表面进行CVD涂层处理，在900℃下，以丙烯为炭源气体对表面进行CVD炭涂层即制得多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏。

[0042] 上述步骤(6)中的多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的直径为1500mm。

[0043] 实施例3

[0044] (1)采用48K缎纹炭布与短炭纤维网胎交替环向缠绕，在厚度方向采用针刺工2
艺引入垂直纤维，制成三向结构发热体预制体，针刺密度40～45针/cm，其体积密度为
3
0.55g/cm ；

[0045] (2)化学气相渗透工艺，在1200℃温度下，以天然气为炭源气体对预制体进行气相渗透致密处理；

[0046] (3)树脂或沥青压力浸渍炭化，炭/炭隔热屏制品体积密度≥0.60g/cm3时，进行糠酮树脂、酚醛树脂或沥青压力浸渍处理，1.5～2.0MPa压力下浸渍4h左右出罐，糠酮树脂、酚醛树脂进行固化，处理温度为190℃，之后进行1000℃炭化处理；

[0047] (4)高温纯化处理：重复步骤(3)，当其体积密度≥1.3g/cm3时，致密工艺结束，在2800℃通入氯气或氟利昂的条件下对制品进行高温纯化处理；

[0048] (5)机械加工：对步骤(4)中经过纯化处理后炭/炭隔热屏用车床加工；

[0049] (6)对隔热屏表面进行CVD涂层处理，在1200℃下，以天然气为炭源气体对表面进行CVD炭涂层即制得多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏。

[0050] 上述步骤(6)中的多晶硅氢化炉用炭/炭隔热屏的直径为1800mm。

[0051] 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、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。