阅读说明：本技术 一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料及其制备方法 (A kind of polycrystalline silicon ingot or purifying furnace carbon fiber and graphite material and preparation method thereof ) 是由 闵洁 张培林 庞中海 武建军 刘伟凯 纪永良 雷涛 霍有 张彦举 于 2019-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及石墨材料的技术领域,特别是涉及一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料及其制备方法,其原料选择合理,各项理化性能优越,制备工艺科学；包括混合料和粘结剂,所述混合料与粘结剂的重量比为70:30~72:28所述混合料由骨料和粉料组成,所述骨料、粉料的重量比为65:35~70:30,所述骨料为针状石油焦,所述粉料为碳纤维、沥青焦和炭黑,所述碳纤维、沥青焦和炭黑的重量比为35:40:25,所述粘结剂为改质中温煤沥青；其制备方法包括以下步骤：(1)粉碎配料；(2)混捏；(3)振动成型；(4)一次焙烧；(5)浸渍；(6)二次隧道窑焙烧；(7)石墨化；(8)机加工。(The present invention relates to the technical fields of graphite material, and more particularly to a kind of polycrystalline silicon ingot or purifying furnace carbon fiber and graphite material and preparation method thereof, rationally, every physicochemical property is superior for raw material selection, preparation process science；Including mixture and binder, the weight ratio of the mixture and binder is that mixture described in 70:30 ~ 72:28 is made of aggregate and powder, the aggregate, powder weight ratio be 65:35 ~ 70:30, the aggregate is acicular petroleum coke, the powder is carbon fiber, pitch coke and carbon black, the weight ratio of the carbon fiber, pitch coke and carbon black is 35:40:25, and the binder is modification medium temperature coal pitch；Preparation method includes the following steps: (1) crushing ingredient；(2) kneading；(3) vibration moulding；(4) primary roasting；(5) it impregnates；(6) secondary tunnel oven roasting；(7) it is graphitized；(8) it machines.)

一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及石墨材料的技术领域，特别是涉及一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料及其制备方法。

背景技术

石墨具有良好的热导性和耐高温性，在高温使用过程中，热膨胀系数小，对急热、急冷具有一定抗应变性能。对酸，碱性溶液的抗腐蚀性较强，具有优良的化学稳定性。

在半导体、太阳能光伏发电领域硅晶生长设备用石墨部件有多处，如石墨坩埚、石墨热场、石墨盖板、硅片外延用石墨座、石墨保温罩和石墨保温材料等，所用石墨部件也随硅晶尺寸技术的发展，要求石墨坩埚、石墨热场等材料高纯度、大型化，并向高端化精尖技术发展。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种原料选择合理，各项理化性能优越的多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料；

本发明另一个目的在于提供一种制备工艺科学的多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料的制备方法。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料，包括混合料和粘结剂，所述混合料与粘结剂的重量比为70:30~72:28，所述混合料由骨料和粉料组成，所述骨料和粉料的重量比为65:35~70:30，所述骨料为针状石油焦，所述粉料为碳纤维、沥青焦和炭黑，所述碳纤维、沥青焦和炭黑的重量比为35:40:25，所述粘结剂为改质中温煤沥青。

所述骨料针状石油焦的真密度≥2.15g/cm³，灰分≤0.25%，挥发分≤0.30%，硫含量≤0.50%；

所述粉料碳纤维的粒度为0.3~0.7μm，抗拉强度7.0Gpa，密度2.12g/cm³，电阻率≤30μΩcm；

所述粉料沥青焦的粒度为0.5~1.0μm，真密度≥2.13/cm³，灰分≤0.25%，含硫量≤0.3%，挥发份≤0.3%；

所述粉料炭黑的纯度99%，粒径为0.4~0.8μm；

所述粘结剂改质中温煤沥青的软化点为83~86℃，结焦值为≥48%,灰分≤0.30%；

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料，按重量百分含量计，所述针状石油焦破碎的粒径范围与含量为：

1μm＜粒径≤0.5μm 15~25wt%；

0.5μm＜粒径≤0.3μm 20~25wt%；

0.3μm＜粒径≤0.1μm 15~25wt%；

0＜粒径＜0.1μmm 45~50wt%。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料，按重量百分含量计，所述针状石油焦破碎的粒径范围与含量优选为：

1μm＜粒径≤0.5μm 20wt%；

0.5μm＜粒径≤0.3μm 25wt%；

0.3μm＜粒径≤0.1μm 20wt%；

0＜粒径＜0.1μm 45wt%。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）粉碎配料：将骨料和粉料按比例进行粉碎筛分后进行配料；

（2）混捏：将经分级的配料加入混捏锅中进行搅拌；

（3）振动成型：混捏结束后将混捏的制品通过振动成型机进行振动成型，通过液压加压振动模具将糊料振实，脱模后置于水中冷却至常温，成型后的生坯的体积密度达到1.80~2.1g/cm³，成型压力≥10MPa，保压时间≥5min；

（4）一次焙烧：将成型后的生坯放入碳化设备中，使用焦粉、石英砂、河砂等填充炉内，在隔绝空气的情况下，按升温曲线逐步加热，进行碳化升温烧制；

（5）浸渍：将焙烧后的产品预热到350~450℃，保持时间8h，再将焙烧后的产品置入浸渍罐中，将浸渍罐中抽真空，加压2.5h，将浸渍剂注入浸渍罐中，保压2h，使浸渍剂浸入焙烧产品孔隙中；

（6）二次隧道窑焙烧：将浸渍后的产品经过隧道窑炉进行快速烧结沥青，最高温度为700℃，焙烧时间为144h；

（7）石墨化：将二次焙烧后的产品放入艾奇逊石墨化炉中，在隔绝空气的条件下，通过电流将焙烧品加热到2800~3200℃，使二维结构炭制品转换为三维石墨网格结构，送电总时间168h；

（8）机加工：对经过石墨化的制品进行机加工处理。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料的制备方法，所述步骤（2）中的混捏分为干混和湿混，所述干混是将骨料和粉料加入混捏锅中进行搅拌，混捏锅为双铰刀式，混捏锅温度为220~250℃，骨料粉料干混温度为150~180℃，干混时间为45~50min；湿混粘结剂温度为140~180℃，湿混时间为40~45min。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料的制备方法，所述步骤（4）中的升温曲线为：在150~350℃时，升温速率为3.0~4.0℃/h,保持时间55h；在350~450℃时，升温速率为1.5~1.8℃/h,保持时间35h；在450~550℃时，升温速率为1.2~1.4℃/h,保持时间85h；在550~650℃时,升温速率为1.8~2.0℃/h，保持时间55h；在650~750℃时，升温速率为3.5~4.0℃/h,保持时间24h；在750~850℃时，升温速率为4.0~5.0℃/h,保持时间24h；在850~1150℃时，升温速率为6.5~8.5℃/h,保持时间30h；在1150~1250℃时，升温速率为8.0~8.5℃/h,保持时间24h；在1250℃时保持22h,然后自然冷却至室温出炉。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料的制备方法，所述步骤（5）中所使用的浸渍剂为浸渍沥青。

浸渍沥青的软化点为83~88℃，结焦值为≥48%,喹啉不溶物≤0.30%。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料的制备方法，所述步骤（7）中的具体升温流程为以250℃/h的升温速率，从室温升温到1350℃，然后以25℃/h的升温速度从1350℃升温到2200℃，当温度达到2200℃以后自由升温至3200℃。

与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明的目的是对现有石墨材料制造工艺进行实质性改进，提供一种原料选择合理，制备工艺科学等，用所述的方法和材料生产出各理化性能优质的高纯度、大型化石墨材料，将检测本发明得到的石墨材料，其体积密度≥1.85g/cm³，电阻率≤8.0μΩm，抗折强度≥35Mpa，抗压强度≥65Mpa，纯度≥99.99%。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

以70:30的混合料和粘结剂为原料，混合料由骨料和粉料组成，骨料和粉料的重量比为65:35，骨料为针状石油焦，针状石油焦的真密度≥2.15g/cm³，灰分≤0.25%，挥发分≤0.30%，硫含量≤0.50%；粉料为35:40:25的碳纤维、沥青焦和炭黑组成，其中碳纤维的粒度为0.3~0.7μm，抗拉强度7.0Gpa，密度2.12g/cm³，电阻率≤30μΩcm；沥青焦的粒度为0.5~1.0μm，真密度≥2.13/cm³，灰分≤0.25%，含硫量≤0.3%，挥发份≤0.3%；炭黑的纯度99%，粒径为0.4~0.8μm；粘结剂为改质中温煤沥青，改质中温煤沥青的软化点为83~86℃，结焦值为≥48%,灰分≤0.30%

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料，按重量百分含量计，所述针状石油焦破碎的粒径范围与含量为：

1μm＜粒径≤0.5μm 15wt%；

0.5μm＜粒径≤0.3μm 25wt%；

0.3μm＜粒径≤0.1μm 15wt%；

0＜粒径＜0.1μmm 45wt%。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）粉碎配料：将骨料和粉料按比例进行粉碎筛分后进行配料；

（2）混捏：将经分级的配料加入混捏锅中进行搅拌，混捏分为干混和湿混，所述干混是将骨料和粉料加入混捏锅中进行搅拌，混捏锅为双铰刀式，混捏锅温度为220~250℃，骨料粉料干混温度为150~180℃，干混时间为45~50min；湿混粘结剂温度为140~180℃，湿混时间为40~45min；

（3）振动成型：混捏结束后将混捏的制品通过振动成型机进行振动成型，通过液压加压振动模具将糊料振实，脱模后置于水中冷却至常温，成型后的生坯的体积密度达到1.80~2.1g/cm³，成型压力≥10MPa，保压时间≥5min；

（4）一次焙烧：将成型后的生坯放入碳化设备中，使用焦粉、石英砂、河砂等填充炉内，在隔绝空气的情况下，按升温曲线逐步加热，进行碳化升温烧制，升温曲线为：在150~350℃时，升温速率为3.0~4.0℃/h,保持时间55h；在350~450℃时，升温速率为1.5~1.8℃/h,保持时间35h；在450~550℃时，升温速率为1.2~1.4℃/h,保持时间85h；在550~650℃时,升温速率为1.8~2.0℃/h，保持时间55h；在650~750℃时，升温速率为3.5~4.0℃/h,保持时间24h；在750~850℃时，升温速率为4.0~5.0℃/h,保持时间24h；在850~1150℃时，升温速率为6.5~8.5℃/h,保持时间30h；在1150~1250℃时，升温速率为8.0~8.5℃/h,保持时间24h；在1250℃时保持22h,然后自然冷却至室温出炉；

（5）浸渍：将焙烧后的产品预热到350~450℃，保持时间8h，再将焙烧后的产品置入浸渍罐中，将浸渍罐中抽真空，加压2.5h，将浸渍剂注入浸渍罐中，保压2h，使浸渍剂浸入焙烧产品孔隙中，浸渍剂为浸渍沥青，浸渍沥青的软化点为83~88℃，结焦值为≥48%,喹啉不溶物≤0.30%，浸渍增重率15-17%；

（6）二次隧道窑焙烧：将浸渍后的产品经过隧道窑炉进行快速烧结沥青，最高温度为700℃，焙烧时间为144h；

（7）石墨化：将二次焙烧后的产品放入艾奇逊石墨化炉中，在隔绝空气的条件下，通过电流将焙烧品加热到2800~3200℃，使二维结构炭制品转换为三维石墨网格结构，送电总时间168h，具体升温流程为以250℃/h的升温速率，从室温升温到1350℃，然后以25℃/h的升温速度从1350℃升温到2200℃，当温度达到2200℃以后自由升温至3200℃；

（8）机加工：对经过石墨化的制品进行机加工处理。

实施例2

以71:29的混合料和粘结剂为原料，混合料由骨料和粉料组成，骨料和粉料的重量比为66:33，骨料为针状石油焦，针状石油焦的真密度≥2.15g/cm³，灰分≤0.25%，挥发分≤0.30%，硫含量≤0.50%；粉料为35:40:25的碳纤维、沥青焦和炭黑组成，其中碳纤维的粒度为0.3~0.7μm，抗拉强度7.0Gpa，密度2.12g/cm³，电阻率≤30μΩcm；沥青焦的粒度为0.5~1.0μm，真密度≥2.13/cm³，灰分≤0.25%，含硫量≤0.3%，挥发份≤0.3%；炭黑的纯度99%，粒径为0.4~0.8μm；粘结剂为改质中温煤沥青，改质中温煤沥青的软化点为83~86℃，结焦值为≥48%,灰分≤0.30%

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料，按重量百分含量计，所述针状石油焦破碎的粒径范围与含量为：

1μm＜粒径≤0.5μm 18wt%；

0.5μm＜粒径≤0.3μm 20wt%；

0.3μm＜粒径≤0.1μm 17wt%；

0＜粒径＜0.1μm 45wt%。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）粉碎配料：将骨料和粉料按比例进行粉碎筛分后进行配料；

（2）混捏：将经分级的配料加入混捏锅中进行搅拌，混捏分为干混和湿混，所述干混是将骨料和粉料加入混捏锅中进行搅拌，混捏锅为双铰刀式，混捏锅温度为220~250℃，骨料粉料干混温度为150~180℃，干混时间为45~50min；湿混粘结剂温度为140~180℃，湿混时间为40~45min；

（3）振动成型：混捏结束后将混捏的制品通过振动成型机进行振动成型，通过液压加压振动模具将糊料振实，脱模后置于水中冷却至常温，成型后的生坯的体积密度达到1.80~2.1g/cm³，成型压力≥10MPa，保压时间≥5min；

（4）一次焙烧：将成型后的生坯放入碳化设备中，使用焦粉、石英砂、河砂等填充炉内，在隔绝空气的情况下，按升温曲线逐步加热，进行碳化升温烧制，升温曲线为：在150~350℃时，升温速率为3.0~4.0℃/h,保持时间55h；在350~450℃时，升温速率为1.5~1.8℃/h,保持时间35h；在450~550℃时，升温速率为1.2~1.4℃/h,保持时间85h；在550~650℃时,升温速率为1.8~2.0℃/h，保持时间55h；在650~750℃时，升温速率为3.5~4.0℃/h,保持时间24h；在750~850℃时，升温速率为4.0~5.0℃/h,保持时间24h；在850~1150℃时，升温速率为6.5~8.5℃/h,保持时间30h；在1150~1250℃时，升温速率为8.0~8.5℃/h,保持时间24h；在1250℃时保持22h,然后自然冷却至室温出炉；

（5）浸渍：将焙烧后的产品预热到350~450℃，保持时间8h，再将焙烧后的产品置入浸渍罐中，将浸渍罐中抽真空，加压2.5h，将浸渍剂注入浸渍罐中，保压2h，使浸渍剂浸入焙烧产品孔隙中，浸渍剂为浸渍沥青，浸渍沥青的软化点为83~88℃，结焦值为≥48%,喹啉不溶物≤0.30%，浸渍增重率15-17%；

（6）二次隧道窑焙烧：将浸渍后的产品经过隧道窑炉进行快速烧结沥青，最高温度为700℃，焙烧时间为144h；

（7）石墨化：将二次焙烧后的产品放入艾奇逊石墨化炉中，在隔绝空气的条件下，通过电流将焙烧品加热到2800~3200℃，使二维结构炭制品转换为三维石墨网格结构，送电总时间168h，具体升温流程为以250℃/h的升温速率，从室温升温到1350℃，然后以25℃/h的升温速度从1350℃升温到2200℃，当温度达到2200℃以后自由升温至3200℃；

（8）机加工：对经过石墨化的制品进行机加工处理。

实施例3

以72:28的混合料和粘结剂为原料，混合料由骨料和粉料组成，骨料和粉料的重量比为70:30，骨料为针状石油焦，针状石油焦的真密度≥2.15g/cm³，灰分≤0.25%，挥发分≤0.30%，硫含量≤0.50%；粉料为35:40:25的碳纤维、沥青焦和炭黑组成，其中碳纤维的粒度为0.3~0.7μm，抗拉强度7.0Gpa，密度2.12g/cm³，电阻率≤30μΩcm；沥青焦的粒度为0.5~1.0μm，真密度≥2.13/cm³，灰分≤0.25%，含硫量≤0.3%，挥发份≤0.3%；炭黑的纯度99%，粒径为0.4~0.8μm；粘结剂为改质中温煤沥青，改质中温煤沥青的软化点为83~86℃，结焦值为≥48%,灰分≤0.30%

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料，按重量百分含量计，所述针状石油焦破碎的粒径范围与含量为：

1μm＜粒径≤0.5μm 15wt%；

0.5μm＜粒径≤0.3μm 20wt%；

0.3μm＜粒径≤0.1μm 15wt%；

0＜粒径＜0.1μmm 50wt%。

本发明的一种多晶硅铸锭炉用碳纤维石墨材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）粉碎配料：将骨料和粉料按比例进行粉碎筛分后进行配料；

（2）混捏：将经分级的配料加入混捏锅中进行搅拌，混捏分为干混和湿混，所述干混是将骨料和粉料加入混捏锅中进行搅拌，混捏锅为双铰刀式，混捏锅温度为220~250℃，骨料粉料干混温度为150~180℃，干混时间为45~50min；湿混粘结剂温度为140~180℃，湿混时间为40~45min；

（3）振动成型：混捏结束后将混捏的制品通过振动成型机进行振动成型，通过液压加压振动模具将糊料振实，脱模后置于水中冷却至常温，成型后的生坯的体积密度达到1.80~2.1g/cm³，成型压力≥10MPa，保压时间≥5min；

（4）一次焙烧：将成型后的生坯放入碳化设备中，使用焦粉、石英砂、河砂等填充炉内，在隔绝空气的情况下，按升温曲线逐步加热，进行碳化升温烧制，升温曲线为：在150~350℃时，升温速率为3.0~4.0℃/h,保持时间55h；在350~450℃时，升温速率为1.5~1.8℃/h,保持时间35h；在450~550℃时，升温速率为1.2~1.4℃/h,保持时间85h；在550~650℃时,升温速率为1.8~2.0℃/h，保持时间55h；在650~750℃时，升温速率为3.5~4.0℃/h,保持时间24h；在750~850℃时，升温速率为4.0~5.0℃/h,保持时间24h；在850~1150℃时，升温速率为6.5~8.5℃/h,保持时间30h；在1150~1250℃时，升温速率为8.0~8.5℃/h,保持时间24h；在1250℃时保持22h,然后自然冷却至室温出炉；

（5）浸渍：将焙烧后的产品预热到350~450℃，保持时间8h，再将焙烧后的产品置入浸渍罐中，将浸渍罐中抽真空，加压2.5h，将浸渍剂注入浸渍罐中，保压2h，使浸渍剂浸入焙烧产品孔隙中，浸渍剂为浸渍沥青，浸渍沥青的软化点为83~88℃，结焦值为≥48%,喹啉不溶物≤0.30%，浸渍增重率15-17%；

（6）二次隧道窑焙烧：将浸渍后的产品经过隧道窑炉进行快速烧结沥青，最高温度为700℃，焙烧时间为144h；

（7）石墨化：将二次焙烧后的产品放入艾奇逊石墨化炉中，在隔绝空气的条件下，通过电流将焙烧品加热到2800~3200℃，使二维结构炭制品转换为三维石墨网格结构，送电总时间168h，具体升温流程为以250℃/h的升温速率，从室温升温到1350℃，然后以25℃/h的升温速度从1350℃升温到2200℃，当温度达到2200℃以后自由升温至3200℃；

（8）机加工：对经过石墨化的制品进行机加工处理。

对以上实施例1至实施例3得到的石墨材料进行检测，其体积密度≥1.85g/cm³，电阻率≤8.0μΩm，抗折强度≥35Mpa，抗压强度≥65Mpa，纯度≥99.99%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。