坩堝這種物品，自古以來(lái)就是熔化或測(cè)試金屬的容器，現(xiàn)代則常用于進(jìn)行各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)及熔融、煅燒金屬和礦石。根據(jù)用途的不同，坩堝可由各種能夠熔化或改變其內(nèi)容物的材料構(gòu)成，比如說(shuō)在太陽(yáng)能行業(yè)中，常用到的坩堝就主要由熔融石英所構(gòu)成。佑鑫石英這種熔融石英坩堝具有高純度、耐溫性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是多晶硅鑄錠過(guò)程中不可替代的關(guān)鍵消耗性部件。

　　熔融石英坩堝及其在多晶硅鑄錠過(guò)程中的損耗

　　熔融石英陶瓷概述

　　熔融石英陶瓷是以熔融石英為原料，佑鑫石英采用陶瓷生產(chǎn)工藝制備的熔融石英材料，也可以看作是石英玻璃的“升級(jí)版”。除了保留了石英玻璃制品本身的許多優(yōu)良性質(zhì)外，它還具有其他優(yōu)良性能，具體如下：

　?、贌崤蛎浵禂?shù)低，具有較好的體積穩(wěn)定性及熱震穩(wěn)定性，在20℃到1000℃空氣或水之間冷熱交換次數(shù)可大于20次。

　?、诹己玫幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，除了氫氟酸及300℃以上的濃磷酸外，幾乎所有酸和金屬熔體都對(duì)它沒(méi)有作用。

　　③導(dǎo)熱系數(shù)低，隨著溫度的變化，石英陶瓷的導(dǎo)熱率幾乎不變。

　?、芸箯潖?qiáng)度隨溫度的升高而增加，非常適合在高溫下使用。

　?、菔⑻沾膳黧w在干燥及燒成時(shí)收縮很小，適合制造大件制品。

　　⑥電阻大、電性質(zhì)好，可應(yīng)用絕緣材料。

　　石英玻璃與石英陶瓷的物理性能比較

　　由于熔融石英坩堝所處的使用環(huán)境相當(dāng)苛刻，需要承受1550℃的高溫并一次性連續(xù)工作50h以上，因此對(duì)石英坩堝所采用的原料純度及各項(xiàng)性能要求較高，制作上也較有難度。到底要如何才能得到一個(gè)合格的熔融石英坩堝，這里頭確實(shí)有不少學(xué)問(wèn)。

　　熔融石英坩堝的制作

　　據(jù)了解，包括熔融石英坩堝在內(nèi)的石英陶瓷的生產(chǎn)工藝過(guò)程主要有：制漿→成型→生坯干燥→燒結(jié)→加工→成品。在這里主要講講前三步。

　　制漿方面，一般是將高純石英原料按一定顆粒配比入磨制漿，如果想降低成本的話，也有人建議可以使用石英玻璃廠生產(chǎn)制品的廢邊角料作為原料。另外，由于熔融石英粉體是一種憎液物質(zhì)，在水中不容易分散，為了使粉料成漿并具有良好的流動(dòng)性需要大量的水，但制備高致密度及強(qiáng)度的坯體要求漿料固相含量必須要高，因此必須選擇合適的分散劑才能保證其流動(dòng)性。

　　熔融石英砂

　　成型方面，在國(guó)內(nèi)外石英陶瓷的生產(chǎn)中，佑鑫石英一般普遍采用注漿成型工藝，也有離心澆注成型、蠟澆注成型、等靜壓成型、搗打成型等工藝。然而采用上述工藝制備的制品中普遍存在著顯微結(jié)構(gòu)不均勻、難以制作形狀復(fù)雜的制品、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高、效率低等缺點(diǎn)。目前石英陶瓷比較成熟的成型工藝為振動(dòng)壓力注漿成型工藝和凝膠注模成型工藝。

　　①振動(dòng)壓力注漿成型工藝

　　振動(dòng)壓力注漿成型工藝是在傳統(tǒng)注漿成型工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。石英陶瓷料漿與傳統(tǒng)料漿相比具有流動(dòng)性差、觸變形強(qiáng)等特點(diǎn)，因而在成型大件、厚實(shí)制品時(shí)氣泡不易排除，易造成制品內(nèi)部存在缺陷;另外，長(zhǎng)時(shí)間吸漿還易造成顆粒偏析而使坯體密度和結(jié)構(gòu)不均勻。

　　振動(dòng)壓力注漿成型工藝是在傳統(tǒng)注漿成型工藝基礎(chǔ)上引入振動(dòng)裝置，通過(guò)使料漿發(fā)生振動(dòng)作用來(lái)加速料漿中氣泡的排除，同時(shí)料漿的振動(dòng)還可使石英陶瓷顆粒發(fā)生重排，達(dá)到緊密堆積的效果，從而顯著提高坯體密度。目前振動(dòng)壓力注漿成型工藝已經(jīng)比較成熟，中材高新公司已把該成型工藝成功地應(yīng)用到石英陶瓷輥等大件制品的生產(chǎn)中。

　?、谀z注模成型工藝

　　凝膠注模成型工藝的思路是將傳統(tǒng)的注漿成型工藝與有機(jī)化學(xué)理論相結(jié)合，通過(guò)制備出低粘度高固相體積含量的料漿，然后在引發(fā)劑的作用下，使料漿中的有機(jī)單體發(fā)生聚合反應(yīng)形成大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使模具內(nèi)的料漿發(fā)生快速原位凝固，形成機(jī)械強(qiáng)度高的陶瓷坯體。

　　相對(duì)于注漿成型工藝而言，凝膠注模成型工藝生產(chǎn)周期短，制品的結(jié)構(gòu)和密度均勻，坯體的強(qiáng)度高，因而能夠制作復(fù)雜形狀的陶瓷部件。該工藝的另外一大優(yōu)勢(shì)是所需設(shè)備簡(jiǎn)單，投資很少。

　　燒結(jié)方面，陶瓷生產(chǎn)中的燒結(jié)工序一般都對(duì)陶瓷的物理化學(xué)性能有很大的影響。石英陶瓷普遍采用常壓燒結(jié)，即在常壓下，石英陶瓷坯體在高溫的作用下通過(guò)介質(zhì)擴(kuò)散形成致密體。

　　其他熔融石英陶瓷制品

　　但在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，亞穩(wěn)態(tài)的熔融石英中會(huì)析出晶態(tài)的β方石英晶體，在隨之的冷卻過(guò)程中發(fā)生β相方石英到α相方石英的二級(jí)相變，帶來(lái)月2.8%的體積變化。由于析出的方石英晶體與非晶熔融石英存在一定的熱膨脹系數(shù)的差異，而且相變帶來(lái)的體積效應(yīng)使得石英材料內(nèi)部產(chǎn)生一定的局部應(yīng)力甚至裂紋，最終使得石英陶瓷產(chǎn)品的整體力學(xué)性能大大降低，甚至導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程裂紋的產(chǎn)生及制品的破壞；除此之外，與非晶熔融石英相比，晶態(tài)方石英熱學(xué)性能及電學(xué)性能均大大降低，嚴(yán)重限制了石英陶瓷的高溫使用性能。

　　因此石英陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中的關(guān)鍵就是要注意防止石英原料的非晶態(tài)遭到破壞。有研究稱，石英粉體顆粒尺寸越小，陶瓷就越容易發(fā)生析晶，因此探索合理的顆粒級(jí)配條件，在保證石英陶瓷致密度的同時(shí)，減少小顆粒的粉體的比例具有重要的研究意義。