太阳能多晶硅电池是太阳能电池技术中应用最广泛、最成熟的产品。然而,在熔化多晶硅锭的过程中,对盛装多晶硅的容器要求很高。熔融石英陶瓷作为一种能抵抗温度变化的耐火材料,被认为是盛装多晶硅锭的完美容器。
熔融石英陶瓷是以石英玻璃或熔融石英为原料,经研磨、成型、烧结等工艺制备而成的制品,是一种新型高纯耐高温石英材料,又称熔融石英烧结制品、石英制品。玻璃陶瓷。
与石英玻璃相比,石英陶瓷可以算是石英玻璃的全面升级。熔融石英陶瓷的优良特性主要体现在以下几个方面:
(1)优良的耐腐蚀性能,除300℃热浓磷酸、氢氟酸能与之反应外,几乎不与其他酸、碱发生反应。
(2)抗热震性能好,样品在25℃-1100℃热震30次以上不会产生微裂纹或表面剥落。
(3)热膨胀系数低,温度0℃-800℃,热膨胀系数仅为0.54X10-6/℃,因此,熔融石英陶瓷在该温度段使用时,体积变化小,抗热震性能好,使熔融石英陶瓷克服了恶劣的使用环境。
(4)熔融石英陶瓷具有较低的导热系数、介电常数和介电损耗,导热系数为2.09W/mK,介电常数为3.1-3.8,介电损耗为4X10-4。
(5)绝缘性好,常温电阻1015Ω。
(6)熔融石英陶瓷的弯曲强度随着温度的升高而增大。1000℃时的弯曲强度比室温下提高30%-60%。这是因为熔融石英陶瓷中的原子迁移速率在高温下增加,使得部分裂纹尖端变钝,从而增加了抗弯强度。
20世纪60年代,熔融石英陶瓷首先由美国佐治亚理工学院研制成功。其优良的特性使其在发达国家颇受欢迎,并在美国、日本、法国等国家的工业发达城市迅速推广并投入使用。我国也于1972年开始投入生产和使用。
世界上熔融石英加工技术领先的国家有美国、德国、日本和俄罗斯,但均对我国实施技术封锁,国内受提纯技术和成本限制,熔融石英SiO2含量的大规模生产一直无法实现。突破99.99%,面临产品附加值低、能耗高、环境问题突出、资源浪费严重等问题。
目前熔融石英陶瓷的制备方法主要有凝胶注射成型、注浆成型、等静压成型、热压铸成型等,其中凝胶注射成型是国内常用的方法之一。
4.1注浆成型
注浆成型是将材料放入少量水溶性有机物的溶液中,搅拌均匀,形成浆料,然后注入多孔模具(一般为石膏模具)中的生产工艺。利用多孔模具的毛细作用力和石膏的吸水作用,吸收浆料中的水分,使浆料成型。
注浆法制备熔融石英陶瓷工艺简单,成本低,适合制备形状复杂的制品。但存在成形时间长、坯料均匀性差等问题。
4.2 注塑成型
注射成型是将陶瓷粉末和溶剂添加到一定性质和功能的有机载体中,加热混合均匀,通过设备用极快的速度注入模具中让样品自然成型,最后将有机物坯体中的坯体是通过更复杂的化学物理方法来去除的。
注塑可以大规模生产和自动化,但样品容易产生缺陷,产品成功率低,而且注塑过程中的有机粘合剂粘在模具上,去除特别困难。
4.3 凝结水注入方式
将凝胶体系引入熔融石英浆料中,形成三维网络结构,使陶瓷颗粒原位固化形成坯体。原位固化是使颗粒保持在悬浮液原来的位置,依靠颗粒与凝胶体系之间的作用力,使浆料由液态变为固态,获得本体。
注射成型是一种类似于注浆成型、注射成型的成型工艺。与注浆成型相比,注射成型制备的制品内部更均匀,精度更高,成型接近净尺寸。与注射成型相比,注射成型具有更多的优点。注塑不需要昂贵的模具,只需要少量的有机物,并且可以用水作为介质进行自动化生产。
4.4 热压铸
热压铸是利用有机物(多为石蜡)在高温下的流变特性,将浆料倒入石蜡制成的模具中。通常,加热使浆料处于熔融状态。冷却后一起放入金属模具中凝固成坯体。
热压铸成型操作简单,成型时间短,成型制品基本不需要后处理,烧结制品致密度好。基于以上优点,热压铸得到了广泛的应用。
但热压铸工艺复杂,能耗大,成本相对较高,而且石蜡和表面活性剂(油酸、硬脂酸)的用量也会影响熔融石英的流动性和坯料的强度,然后影响成型过程。
熔融石英陶瓷具有较强的耐腐蚀性、高抗热震性、低导热率等优良性能,作为结构材料和功能材料应用于玻璃工业、冶金工业、航空航天工业、多晶硅工业、电子工业等众多领域。
5.1 玻璃行业
在玻璃工业中,由于熔融石英陶瓷制品的热稳定性好,被用作熔融石英陶瓷辊、空气喷嘴、陶瓷内浇杯、浮法玻璃中的冲压砖等。
5.2冶金行业
在冶金工业中,由于熔融石英陶瓷具有强度高、热膨胀小、抗热震性能好等优良性能,被用作熔融石英上升管、熔融石英喷嘴等。
5.3 航空航天工业
在航空航天工业中,熔融石英陶瓷制品用作导弹天线罩,由于雷达波传输过程中损耗低、畸变小,满足导弹形状和强度的要求。
5.4、多晶硅行业
在多晶硅行业中,熔融石英陶瓷坩埚是制备太阳能多晶硅锭不可缺少的部件。由于熔融石英陶瓷坩埚的成分与多晶硅相似,因此热膨胀系数小,抗热震性能好,体积密度和弯曲强度高。同时,坩埚在制备多晶硅锭的过程中属于一次性消耗品,熔融石英陶瓷产品也可以节省大量成本。
5.5 电气工程行业
在电气工业中,熔融石英陶瓷因其具有击穿电压高、介电常数低、损耗角正切值低、热震稳定性好等优点,熔融石英陶瓷产品广泛用作气体放电室绝缘罩、导流加热器、气体激光放电室组件。