熔融石英浆料的低剪切率旋转粘度计测试对坩埚生产的意义

1 Background Information

太阳能多晶硅用熔融石英陶瓷坩埚生产，在熔融石英浆料制备工艺过程中浆料性能对坩埚成型有很重要的影响；坩埚成品率受浆料性能影响下降，不能满足交付顾客的要求，现有性能不足以表征浆料性能；为实现产品满足要求提供必要的证据并通过实验记录以改善工艺中存在的问题；2014年公司国庆节放假后，成品率在26号后持续下降，直到月底停产；2014年11月按照经验调整包括颗粒度、粘度、pH值及固相含量等各性能参数但均不能改变坯体废裂、成品率下降严重的状况。通过运用Lean Six Sigma DMAIC的方法分析问题，希望改变放假后成品率下降的状态，使其保持正常甚至提高。

2 Define

十一假期后的成品率明显低于目标。按照节前正常状态下的成品率目标应在80%以上。在确认环境温度都正常后，改变现有的性能变量都无法让成品率提高到80%。引入流变仪测试黏度，同时调整浆料其他性能平衡，解决了坯体大批废裂的状况，成品率成功恢复到80%以上并经过2015年春节假期后依旧保持平稳甚至提高到85%以上。

3 Measure

从浆料制备到调整浆料满足注浆生产的过程，需要控制的特性参数有：

测试项目 测试仪器

•PH PH计

•Zahn 粘度杯

•PSD 粒度仪

•Solids% 固相分析仪

•Temp. 温度计
在以目前现有参数的控制上不足以表征浆料的特性，浆料性能发生变异导致生产成品率降低。PH，粘度及辅助试剂添加对浆料流变性的影响，添加剂含量过高或过低，均会对陶瓷浆料的流变性能产生不利影响，还需要做进一步探讨。

浆料对成品率Y的影响变量之前有: pH、黏度、粒度、固相及环境温度：

测试粘度时不同仪器的表征方法，由此引入旋转粘度计流变仪：

Brookfield DV-III+简介

•美 国 Brookfield 公司生产的旋转粘度计和流变仪是粘度测定的世界标准。DV-III+是博力飞Brookfield公司流变仪系列中的实验室仪器， 它可以与博力飞Brookfield产品系列的其它配件如超低粘度承接器、小量样品承接器、升降平台、螺旋承接器、恒温水浴或加热器等一起使用， 以及在DV-III+基础上的威-博力飞锥/板流变仪， 从而构成适应范围宽广而全面的粘度测量系统。

Brookfield DV-III+性能

转 速范围： 0.01-250 RPM， 可从0.01 到0.99RPM 的范围内以0.01RPM 的增量递增，

以 及 在 1.0 到250RPM 的范围内以0.1RPM 的增量递增。

输 入 电压： 90 伏-260 伏交流电压

频 率： 47-440 Hz

功 耗 ： 小 于20 瓦

净 重 ： 14.5 公斤

工 作 温度： -100℃ — 300℃ (-148℉ — +572℉ )

扭 矩 模 拟 信 号 输 出 ： 0— 1 伏（ 对应0— 100%最大扭矩）

温 度 模拟信号输出： 0— 4 伏（ 10mV/℃ ）

RS-232 串行口： 用于连接打印机、电脑或Brookfield的恒温控制器

并 行口： 用 于连接打印机

粘 度 测 量 精度： 测量范围的± 1%

重 复 性： ± 0.2%

温 度 测 量 精度： ± 0.1℃ ： 在-100℃ 到+149℃ 之间；

± 0.2℃ ： 在150℃ 和300℃ 之间

测量原理示意图：

粘度杯：将定量的流体装入固定粘度杯内，让其流出，以流出时间来表示其粘度，流出时间越长，表示该流体粘度越高，测试结果为液体的运动粘度，单位为秒。

流变仪：桨式转子在浸入样品时对样品结构的破坏最少，可以保持样品颗粒的悬浮状态，能够根据粘度数据绘制流动曲线分析图，并可以在低转速下测量流体的触变行为，可以更好表征实际浆料的特征。

浆料的流体特性

在流变科学方面，粘度测量在理解材料的流动特性及其对一些外加应力的反应起了关键作用。参考基本的牛顿模型，当剪切力作用于一个流体时，流体发生变形，因此材料层根据与所加力有关的速度梯级发生移动。因此，粘度就是剪切力与剪切速度的关系，这取决于产品的性质。
因为浆料是依靠剪切力的非牛顿流体，当处理粘度测量时须考虑流体特性。单纯的粘度杯无法表征浆料在剪切力的作用下产生的触变。

4 Analyze

•假期后浆料的分散时间过长，性能出现变化，首先粒度升高，回浆异常，沙砾明显，坯体疏松，坯体与浆料界面不明显，降低G磨粒度也不能改变状况。此时段其他性能按照以往经验应该都在范围之内：

所以在生产中对成品率的浆料控制，除了pH、固相、粒度、环境温度的正常控制外，只对黏度杯的控制已经不能满足对浆料性能的控制。

§粘度杯的值相近且按经验都符合标准的情况下，实际的流变数据差别较大。

究其原因：粘度杯测试黏度，只是用秒表简单的记录浆料从黏度杯里流出的时间，如示意图中红色的点处浆料快速流动，在高剪切应变力下的黏度；而用流变仪测试黏度，是测在低速流动并且剪切应力小的状态下的黏度，相对来说更接近实际的注浆过程，能更好的表征注浆过程中成型的状态，利于我们方便准确地控制浆料性能。所以单纯的黏度杯测试不够完善，加入旋转粘度测试对于浆料性能的调整，对提高成品率尤为重要。

5 Improve

引入低剪切率的旋转粘度计测试粘度，同时保证其他浆料性能参数在典型范围内后，坩埚坯体大量开裂的状态明显改善，成品率显著提高：

其中图中有些分散较大、成品率明显低的点主要是因为当时着急完成销售订单，追求产量，不能完全保证旋转粘度计2# 转子的数据在要求范围内，坩埚的成品只能保证不开裂造成。

§同期旋转粘度计2#转子数值与坩埚的壁/底之间的关系如下：

•综上，流变仪2#转子在170以上时，坯体容易因为废裂变形而成品率降低，而太低则又会导致壁/底的比值过低，底部过厚，同时伴随上臂开裂等问题，成品率也不会再提高。经过实践，在其他参数保持良好地情况下，流变仪2#转子10转时的数值最好控制在152-164之间。

•成品率在引入流变测试后即使经过2015年春节假期后也较之前的阶段有明显提升：

6 Control Plan

引入低剪切应变率的旋转粘度计测试并同时保证其他性能也符合典型范围值后，坩埚的成品率明显提升，并相对稳定。在这个过程中，我们需要：旋转粘度计的2#转子10转时的范围最好控制在152-170之间；3#转子在160-180之间；

同时石英浆料的其他性能在典型范围内：

颗粒尺寸：14.5

pH值 : 4.5

蒽氏杯粘度: 35<Zahn<55;

固相含量: 需要根据实际情况调整，稳定时最好控制在84%- 85.2%；

当然坩埚成品率的提高也有其他因素的影响如：模型的失水率、注浆细节的改进和提高等，但是熔融石英浆料低剪切率的旋转粘度计测试粘度的引入能够更好的让我们掌控石英浆料的性能，对提高坩埚的成品率有重要的指导意义。

旋转粘度计测试的粘度以及各其他熔融石英浆料的性能参数不是一成不变的，我们需要随时关注各参数变化并根据实际情况作出调整，保证浆料性能的总体平稳，从而保证坩埚生产的成品率。