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多视角探讨石英陶瓷坩埚

文章出处:微汉迪 人气:发表时间:2018-11-09 17:18

石英陶瓷

沈阳微汉迪专业生产精密陶瓷,专业定制陶瓷,联系电话:13309837263

  • 石英陶瓷是指以石英玻璃或熔融石英为原料,经破碎、成型、烧成等一系列制作工艺形成的制品。
  • 相比较石英玻璃,石英陶瓷可以视作是石英玻璃的全面“升级品”。

石英玻璃与石英陶瓷的物理性能比较
石英玻璃与石英陶瓷的物理性能比较参数

石英陶瓷的性能特点

  • 热膨胀系数非常小,具有较好的体积稳定性以及热震稳定性

  • 良好的化学稳定性,耐玻璃液侵蚀性好

  • 石英陶瓷的导热系数低

  • 石英陶瓷的抗弯强度随温度的升高而增加

  • 石英陶瓷比较适合制造大件制品

  • 石英陶瓷电阻大、电性质好

石英陶瓷成型工艺

  • 石英陶瓷成型工艺有注浆成型、注射成型、压滤成型、注凝成型等。

几种成形方法的工艺特性对比
几种成形方法的工艺特性对比

石英陶瓷坩埚
石英陶瓷坩埚

  • 石英坩埚是熔融石英陶瓷的一种。石英陶瓷坩埚全称为高纯熔融石英陶瓷坩埚(二氧化硅含量≥99.9%),是以高纯熔融石英为原料做成的陶瓷质坩埚。一般情况下,它的形状主要有方形和圆筒形。其中,方形的高纯石英坩埚用在多晶硅铸锭环节,充当多晶硅化料和长晶的容器;圆形的高纯石英坩埚则用在单晶硅中拉单晶的环节。

太阳能光伏产业

太阳能电池的主要分类
太阳能电池的主要分类

 

  • 太阳能电池作为一种清洁能源受到世界范围内的广泛重视。其中多晶硅太阳能电池具有稳定的转换效率,性能价格比最高,目前,铸造多晶硅太阳能电池已经成为最主要的光伏材料,国际市场上的光伏电池几乎都是采用高纯多晶硅材料制成的。

光伏电池

  • 坩埚是多晶硅熔炼铸锭过程中装载多晶硅的容器,是多晶硅铸锭生产过程中消耗量最大的配套品,是不可替代的关键材料

多晶硅铸锭的生产流程图
多晶硅铸锭的生产流程图

 

  • 多晶硅铸锭熔炼过程中对装载多晶硅的容器的要求极其的苛刻,要求同时达到以下几个条件:
  • 1.能在1500℃的高温条件下一次性持续工作40小时以上;
  • 2.坩埚的主要成分与多晶硅材料类似;
  • 3.较好的热震稳定性、较小的热膨胀系数,抗高温变形的能力好、较高的体积密度和抗弯强度等物理性能;
  • 4.对坩埚的纯度、强度、尺寸精度都有十分严格的要求。

 

  • 目前,石英陶瓷凭借其优良的特性已被太阳能用硅生产行业和领域所认可。太阳能光伏产业的快速增长带动了多晶硅铸锭的发展,从而对石英陶瓷坩埚的需求也是与日俱增。
  • DNVGL最新发布报告称:中国正在引领世界风能和太阳能光伏发电的增长,到2034年,太阳能光伏发电将超过煤炭作为主要的发电供给,到2050年将覆盖该地区52%的电力需求。来自于国家能源局的统计数据显示,2017年中国光伏发电新增装机53.06GW,再次刷新历史记录。截至2017年12月底,全国光伏发电累计装机达到130.25GW。而太阳能光伏产业的发展将为石英陶瓷坩埚提供广阔的市场前景

石英陶瓷坩埚原料

  • 石英陶瓷坩埚的材料基体为石英。石英坩埚的原材料大体分两种:
  • 一种是以天然石英为原料的石英砂,其杂质总量一般均在40ppm以下。石英坩埚用原料要求纯度高、一致性好,粒度分布均匀。有害成分高时会影响坩埚的熔制,影响其耐温性,还会出现气泡、色斑、脱皮等现象,严重时造成石英坩埚软化漏硅。
  • 另一种是高纯合成原料,其纯度高(十三种杂质总含量一般不超过2×10-6),但是其价格昂贵,软化点低,不少坩埚厂家用此种原料在坩埚内层烧结一层0.5—1mm左右的透明层,从而既保证了坩埚内表面的纯度,又不致于使坩埚软化点过低。
  • 另外,《GB/T 32652——2016多晶硅铸锭石英坩埚用熔融石英料》规定了多晶硅铸锭石英坩埚用熔融石英料的技术要求、检验方法、检验规则及标志、包装、运输和贮存。

石英陶瓷坩埚的析晶问题

  • 熔融石英坩埚作为多晶硅铸锭生产中的必需品存在的主要问题是,在烧结过程中,由于熔融石英处于一种不稳定的热力学状态,因此在高温下容易析出方石英晶体,在冷却过程中发生方石英的相转变带来一定的体积膨胀,使得坩埚产生裂纹甚至破坏;除此以外,方石英的析出还会使石英坩埚的电学和热学性能变差,因此,晶态方石英的析出会使石英坩埚的综合性能大大降低。综上可知,在石英坩埚制备过程中必须避免方石英析出或将方石英的析出量控制在可靠范围之内。
 
石英陶瓷坩埚的“双高”问题
  • 能源领域的专家曾指出:多晶硅生产并不存在高能耗和高污染,但是要解决生产存在的“双高”问题,必须要改进落后生产技术。其最基本的改进技术就是大尺寸化,即生产大尺寸多晶硅锭,既可以提高生产效率又可以节约成本,一举两得。由于光伏技术的快速发展,其大尺寸化的尺寸还将进一步加大,未来可能超过1200,这种快速的发展趋势对熔融石英陶瓷的物理化学性能和致密化程度提出了更高的要求。


对废弃石英陶瓷坩埚的再利用

  • 石英陶瓷坩埚在使用过程中会发生析晶、变形和破裂,为了防止对高纯硅料的污染,坩埚通常只能使用一次,因而石英坩埚是硅碇生产中的消耗性器皿。随着我国太阳能硅锭生产能力的不断扩对石英坩埚需求量与日俱增,其消耗废弃量也越来越大。此外,由于从废弃石英坩埚中再提纯高纯石英存在技术难度大和生产成本高等因素。因此,目前光伏企业所产生的废弃石英坩埚只作为一种废料堆放或填埋,其对环境带来巨大的压力,同时也是一种资源浪费。对废弃石英陶瓷坩埚再利用的问题日益凸显。

 

 

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