硅片線鋸廢料中固體粉末的氧化性能研究

黃建華

【摘 要】采用SEM及激光粒度分析儀對線鋸廢料中的固體粉末進(jìn)行形貌及粒度分析，利用XRD測試對固體粉末進(jìn)行物相分析，并表征廢料固體成分在切割過程中的氧化情況。研究表明：去除硅片線鋸廢料中的聚乙二醇（PEG）后，可得到分散的固體粉末，平均粒度約為3.7μm；在硅片切割過程中產(chǎn)生的固體粉末并沒有明顯的氧化現(xiàn)象，在80℃下的水中放置7天后沒有檢測到明顯的氧化物存在。

【關(guān)鍵詞】線鋸廢料；硅；碳化硅；氧化

Research on oxidation properties of solid powder in silicon wire saw waste

HUANG Jian-hua

（Department of Solar energy engineering，Hunan Vocational of Technology，Hunan Xiangtan 411104，China）

【Abstract】SEM and laser particle size analyzer were used to analyze the appearance and size of solid powder in wire saw waste， the solid powder phase analysis was performed using XRD test， The oxidation state of the solid component in the cutting process was also characterized. The research shows that： solid powder dispersion can be obtained after the removal of PEG from silicon wire waste，the average particles size is about 3.7μm.the solid powder generated in the wafer cutting process have no obvious oxidation phenomenon， and not detected significant oxides after 7 days under the temperature of 80℃ water.

【Key words】Wire saw waste； Silicon； Silicon carbide； Oxidation

0 前言

近年來，隨著光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)對晶硅材料的需求量急劇增加，而光伏產(chǎn)業(yè)所用晶硅一般都是將多晶硅錠、單晶硅棒切割成硅片。對多晶硅錠與單晶硅棒的切割主要有內(nèi)、外圓切割技術(shù)和多線切割技術(shù)[1]，因內(nèi)外圓切割容易產(chǎn)生變形和側(cè)向擺動(dòng)，使晶面不平整，晶體材料損耗較大，目前已較少使用。多線切割是一種通過鋼線高速運(yùn)動(dòng)，把磨料帶入切割區(qū)域進(jìn)行研磨，一次同時(shí)切割大量薄片的切割工藝，該工藝切片幾何缺陷少，經(jīng)濟(jì)效益高。

當(dāng)前多線切割工藝為鋼線帶砂切割，砂漿是由聚乙二醇（PEG）與硬度高、粒度小的碳化硅磨料組成的懸浮液。相比于傳統(tǒng)的內(nèi)外圓切割技術(shù)，多線切割因其切割速度快、無需復(fù)雜的切割液、單片成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢而發(fā)展迅速。但硅片切割過程中約有45%的硅料會(huì)成為鋸屑進(jìn)入廢料中，一方面硅粉流失造成硅料的大量浪費(fèi)，另一方面硅粉混入切割液中嚴(yán)重影響切割漿料的性能[2-4]。

多線切割中的線鋸廢料主要包含碳化硅顆粒、 PEG 溶液、從硅塊上鋸下的硅粉以及其他少量金屬或非金屬雜質(zhì)。雖然切割過程中碳化硅顆粒不斷磨損、鈍化，但一次切割后的漿料中90%以上的碳化硅仍未得到充分利用[5]；廢料中的PEG溶液COD值較高，若直接排放對水體環(huán)境污染較大；而切割過程中混入漿料的硅粉純度較高，約為99.9999%，具有極高的回收利用價(jià)值。因此對硅片線鋸廢料的回收利用，不僅可以減少原料的消耗，提高資源的利用，增加經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可以減少對環(huán)境的污染問題，具有十分重要的意義。目前對硅片線鋸廢料的回收主要集中在碳化硅顆?；騊EG的回收，而對更具利用價(jià)值的高純硅粉的回收利用較少[6-7]，主要原因在于硅和碳化硅在物理和化學(xué)性質(zhì)上存在的差異較小，分離困難。本文對硅片線鋸廢料中硅/碳化硅粉末的氧化性能進(jìn)行研究，可為線鋸廢料中硅粉與碳化硅顆粒的有效分離提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)所用的硅片線鋸廢料由江西賽維LDK太陽能高科技有限公司提供。由于在硅片切片過程中使用鋼線帶砂切割，在線鋸廢料中含有PEG等粘性物質(zhì)和碳化硅顆粒，所以收集到的硅片線鋸廢料看起來呈粘稠的泥狀，如圖1所示。

取一定量的線鋸廢料置于燒杯中，加入一定量去離子水，采用磁力攪拌器在常溫下攪拌，線鋸廢料中的PEG等物質(zhì)溶于水中；再將攪拌后的固液混合物進(jìn)行過濾分離得到濾餅，濾餅經(jīng)真空干燥后得到固體粉末。

1.2 性能測試

采用掃描電子顯微鏡（S-300N、SEM）及激光粒度分析儀（LS-900）對線鋸廢料中的固體成分進(jìn)行表面形貌和粒度分析；利用X射線衍射（德國Bruker D-8、XRD）對線鋸廢料中固體成分進(jìn)行物相分析，了解廢料中固體成分的氧化情況；將固體粉末進(jìn)行高溫或水浴處理，考察其氧化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 線鋸廢料中固體形貌的XRD分析

圖2為硅片線鋸廢料中固體粉末的XRD檢測圖譜。由圖可知，線鋸廢料中固體粉末成份主要為SiC和Si，其中SiC顆粒主要來自于漿料，而Si則源自SiC顆粒磨削硅塊產(chǎn)生硅屑。隨著硅粉粒徑減小，比表面積增大，表面活性增加，通常情況下很難發(fā)生的氧化反應(yīng)也有可能發(fā)生。據(jù)文獻(xiàn)[9]報(bào)到，粒徑小于0.15μm的硅粉可以直接與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生易燃性氣體H2。而從廢料中固體粉末的XRD圖中并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的硅氧化物的存在，結(jié)合前面粒度分析可知，廢料中粒徑小于0.15μm的顆粒極少，即便與水發(fā)生反應(yīng)其反應(yīng)程度也不明顯；另一方面也可能是因?yàn)榍懈钸^程中產(chǎn)生的硅屑一直被含PEG的砂漿包裹，阻擋了硅與水等氧化介質(zhì)的直接接觸。endprint

2.2 線鋸廢料中固體粉末的形貌及粒度分析

圖3為通過抽濾去除PEG并真空干燥后得到的固體粉末的SEM形貌。從圖中觀察可以看出，該固體粉末中存在兩種粒徑以及形貌差異較大的顆粒，其中一種顆粒棱角分明，尺寸較大，粒徑在4～8μm左右，另一種顆粒粒徑較小，粒徑在2μm以下。由粒度分析儀得到廢料去PEG后固體粉末的粒度分析如圖4所示，從圖中可以看出粒徑幾乎都在10μm以下，主要在1～8μm之間，整體粒徑分布比較分散，平均粒徑在3.7μm左右。根據(jù)對多線切割工藝分析，多線切割原理是利用碳化硅顆粒對硅塊進(jìn)行磨削，磨削過程中，切割線痕處會(huì)產(chǎn)生大量微小的硅粉，硅粉隨切割液進(jìn)入到砂漿中[8]。一般來說，碳化硅顆粒較硅粉粒徑大許多，結(jié)合SEM形貌圖像和粒度分析情況，SEM圖中粒徑較大、棱角分明的顆粒應(yīng)為碳化硅顆粒，而粒徑較小成團(tuán)聚集的主要為硅粉。

2.3 線鋸的氧化性質(zhì)分析

為了進(jìn)一步研究硅片線鋸廢料的氧化性質(zhì)，我們將原始硅片線鋸廢料和用去離子水清洗去PEG后得到的廢料在80℃恒溫水浴中放置7天，其XRD結(jié)果如圖5所示。通過對比可知，兩種顆粒在80℃恒溫下與水共存7天均未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化現(xiàn)象，與文獻(xiàn)[10]報(bào)道結(jié)果一致。結(jié)合圖3分析，造成此現(xiàn)象的原因可能：一是在線據(jù)廢料中，除了硅粉以外，還有大量的碳化硅顆粒，在線鋸廢料中，發(fā)生氧化的硅粉較少，XRD表征顯示不出。二是由于碳化硅與硅粉表面特性不同，碳化硅為親水憎油、硅粉為憎水親油，線鋸廢料中的硅粉一直處于被PEG包裹狀態(tài)，PEG與硅粉形成較強(qiáng)的結(jié)合力，用去離子水清洗和抽濾的方法，難以完全去除PEG，造成硅粉與水分子反應(yīng)的活性表面積減小，難以發(fā)生氧化反應(yīng)。由結(jié)果分析可知，碳化硅和硅粉在水中相對比較穩(wěn)定，在分離上一方面可以利用密度和顆粒度大小的差異采用水力旋流分離工藝；另一方面可結(jié)合碳化硅親水憎油、硅粉憎水親油的特性采用相轉(zhuǎn)移分離工藝。

3 結(jié)論

以線據(jù)廢料為原材料，XRD測試表明線鋸廢料中固體粉末主要成分為SiC和Si；廢料的固體粉末中存在兩種粒徑以及形貌差異較大的顆粒，其中棱角分明、尺寸較大，粒徑在4～8μm左右的為碳化硅顆粒；粒徑較小，粒徑在2μm以下的為硅粉，整體平均粒度約為3.7μm。將原始的線鋸廢料和用去離子水清洗去PEG后得到的廢料在80℃恒溫水浴中放置7天均未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化現(xiàn)象，表明碳化硅和硅粉在水中相對穩(wěn)定，結(jié)合密度和顆粒度的差異以及碳化硅親水憎油、硅粉憎水親油的特性，在二者的分離上可以采用水力旋流或相轉(zhuǎn)移分離工藝。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint