一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种碳陶复合材料的制备方法，具体涉及一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，属于光伏和半导体的制备领域。

背景技术：

1、多晶硅是用于生产半导体和太阳能光伏产品的主要原料，目前用于生产多晶硅的主要方法包含改良西门子法、硫化床法、硅烷法等方法，其中改良西门子法是采用还原炉进行生产，以高纯度三氯氢硅、氢气等作为原料，在1030℃左右的高温下，使硅沉积在初始硅芯长成多晶硅棒。由于该制备工艺温度高、对炉内用材的纯度以及灰分要求高且炉内存在大流量气体冲刷，传统的保温棉、碳毡等保温隔热材料无法满足多晶硅还原炉的使用要求。因无合适的保温隔热材料，当前多晶硅还原炉的加热和保温功率高，每公斤多晶硅的耗电量高达50kw·h，远高于采用流化床法制备颗粒硅所耗电量。基于此，有必要设计开发出一种高纯度、低热导率、耐气体冲刷的能够满足多晶硅还原炉隔热用的碳陶复合材料，以提高还原炉的热效率，降低多晶硅生产用电成本。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是在于提供一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，该方法中通过在碳纤维预制体的制备过程中引入一定的高分子膜，既保证了预制体的强度，同时降低了碳纤维的使用量，进而降低了碳陶复合材料的热导率。

2、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，该方法是将碳纤维布、碳纤维网胎和高分子膜交替叠层并逐层针刺，得到碳纤维@高分子膜预制体；所述碳纤维@高分子膜预制体依次经碳化处理、一次纯化处理和增密碳处理，得到低密度碳碳多孔体；所述低密度碳碳多孔体经二次纯化处理和碳化硅增密处理，得到碳陶复合材料；所述碳陶复合材料经三次纯化处理，即得。

3、本发明技术方案的关键是在于在碳纤维预制体的制备过程中引入了一定的高分子膜，避免了碳纤维的聚集或打结，同时可以很好固定针刺纤维，使得均匀分布的碳纤维网络能够更平等地承受负载，同时高分子膜作为反应控制层存在，减缓了化学反应，确保了碳纤维与基体之间的有效结合，从而保证了复合材料的整体强度和刚性。同时引入的高分子膜降低了碳纤维的使用量，在进行高温碳化的过程中，高分子膜会经历热分解过程，其大分子链会断裂成小分子，难以形成有序的碳结构，因而降低了整体材料的含碳量，形成低密度碳纤维@高分子膜预制体，同时高分子膜在碳化过程中在材料中也形成了一定的空隙，降低了复合材料的热导率；而碳纤维@高分子膜预制体进一步通过增密碳处理形成低密度碳碳多孔体，提高了碳陶复合材料的抗压强度。此外，本发明通过引入纯化处理和熔融渗硅工艺，确保了碳陶复合材料的高纯度。

4、作为一种优选的方案，所述高分子膜为pe、pet、pp、ps、eva和pla中的至少一种。本发明所选的高分子膜材料均具有残碳率低的特点，而低的残碳率使制备的纤维预制体碳化后空隙率高，降低了整体复合材料的热导率。进一步优选为pe和/或eva。

5、作为一种优选的方案，所述高分子膜的残碳率控制在20～60％。本发明中高分子膜的残碳率对于碳陶复合材料的热导率有着直接影响，若残碳率高时，则会导致碳陶复合材料的热导率大大升高。

6、作为一种优选的方案，所述高分子膜和碳纤维布的体积比(0.1～3)：1，所述碳纤维网胎和碳纤维布的质量比(0.25～10):1。高分子膜用量高，制备的纤维预制体碳化后形变大或无法成型；高分子模用量过低；碳纤维网胎用量高，制备的碳陶导热性较高。碳纤维布用量高制备材料的散热性会好，碳纤维布用量低，碳纤维预制体体碳化后形变大或无法成型。进一步优选为高分子膜和碳纤维布的体积比(0.1～1)：1，碳纤维网胎和碳纤维布的质量比(4～10)：1。

7、作为一种优选的方案，所述碳化处理的条件为：温度为800～1100℃，时间为1～10h。

8、作为一种优选的方案，所述一次纯化处理、二次纯化处理和三次纯化处理的条件独立选自：温度大于等于1800℃，纯化时间为2～15h，氛围为真空、氟利昂、h2氛围、氨气氛围中的一种。本发明中通过三次纯化处理可以深度去除碳陶复合材料中的金属杂质，纯化温度过低难以去除一些高熔点金属化合物，保温时间过短除杂不彻底，而保温时间过长无法继续提高纯化效果。进一步优选为1800～2000℃，氛围为氟利昂。

9、作为一种优选的方案，所述增密碳处理采用含碳有机气体化学气相沉积和/或树脂浸渍碳化将碳纤维@高分子膜预制体增密至0.4～1.5g/cm3。进一步优选为丙烯化学气相沉积。

10、作为一种优选的方案，所述碳化硅增密处理采用硅烷气体化学气相沉积、硅烷浸渍裂解和熔融渗硅中的一种。

11、作为一种优选的方案，所述熔融渗硅的条件为：温度为1550～2200℃，时间为0.5～4h，压力为负压或微正压，硅纯度大于等于6n。温度过低和时间过短均易造成熔融渗硅反应不彻底，温度过高和时间过长易造成熔融渗硅后的材料孔隙率过大。

12、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

13、1)碳纤维预制制备过程中加入高分子膜，既可以保证碳纤维预制体具备足够强度同时可以实现碳纤维预制体的碳纤维含量大幅度降低，最终大幅度降低碳陶复合材料的热导率。同现有技术相比，本发明中还引入纯化工序以及高纯硅熔渗工艺，确保了材料的高纯度。

14、2)本发明制备的碳陶复合材料密度在0.8～2.8g/cm3之间可控，金属以及b、p等杂质总含量小于等于200ppm，热导率小于等于1w/(m·k)，抗压强度大于等于60mpa。将该材料应用于还原炉隔热层，每公斤多晶硅生产耗电量低10％以上。

技术特征：

1.一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：将碳纤维布、碳纤维网胎和高分子膜交替叠层并逐层针刺，得到碳纤维@高分子膜预制体；所述碳纤维@高分子膜预制体依次经碳化处理、一次纯化处理和增密碳处理，得到低密度碳碳多孔体；所述低密度碳碳多孔体经二次纯化处理和碳化硅增密处理，得到碳陶复合材料；所述碳陶复合材料经三次纯化处理，即得。

2.根据权利要求1所述的一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述高分子膜为pe、pet、pp、ps、eva和pla中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述高分子膜和碳纤维布的体积比(0.1～3)：1；

4.根据权利要求1所述的一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳化处理的条件为：温度为800～1100℃，时间为1～10h。

5.根据权利要求4所述的一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述一次纯化处理、二次纯化处理和三次纯化处理的条件独立选自：温度大于等于1800℃，纯化时间为2～15h，氛围为真空、氟利昂、h2氛围、氨气氛围中的一种。

6.根据权利要求5所述的一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述增密碳处理采用含碳有机气体化学气相沉积和/或树脂浸渍碳化将碳纤维@高分子膜预制体增密至0.4～1.5g/cm3。

7.根据权利要求1所述的一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳化硅增密处理采用硅烷气体化学气相沉积、硅烷浸渍裂解和熔融渗硅中的一种。

8.根据权利要求7所述的一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述熔融渗硅的条件为：温度为1550～2200℃，时间为0.5～4h，压力为负压或微正压，硅纯度大于等于6n。

9.根据权利要求1所述的一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述高分子膜的残碳率控制在20～60％。

技术总结本发明公开了一种还原炉隔热用碳陶复合材料的制备方法，将碳纤维布、碳纤维网胎和高分子膜交替叠层并逐层针刺，得到碳纤维@高分子膜预制体；所述碳纤维@高分子膜预制体依次经碳化处理、一次纯化处理和增密碳处理，得到低密度碳碳多孔体；所述低密度碳碳多孔体经二次纯化处理和碳化硅增密处理，得到碳陶复合材料；所述碳陶复合材料经三次纯化处理得到。通过本发明的制备方法得到的还原炉隔热用碳陶复合材料纯度高、热导率低、强度高，大大节省了生产多晶硅的耗电量。技术研发人员：李金伟,肖鹏受保护的技术使用者：湖南世鑫新材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/13