CN102442826A

CN102442826A - 一种以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷及其制造方法

Info

Publication number: CN102442826A
Application number: CN2011102935541A
Authority: CN
Inventors: 周健儿; 肖卓豪
Original assignee: Jingdezhen Ceramic Institute
Current assignee: Jingdezhen Ceramic Institute
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102442826B

Abstract

本发明公开了一种以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷，按重量百分比含有以下组成：光伏硅切割固体废料40～100％、碳化硅0～60％、炭黑0～30％。本发明还公开了一种以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷的制造方法，原料混合均匀并经造粒和压制成型后，采用炭黑包埋的方法于高温下烧制而获得碳化硅复合陶瓷。本发明实现了废料的资源化利用，并从根本上解决了光伏硅切割废料对环境所造成的污染，同时显著降低了碳化硅复合陶瓷的生产成本，极大地提高了产品的竞争力，为光伏硅切割废料提供了一条高附加值利用的有效途径。

Description

一种以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷及其制造方法

技术领域

本发明涉及陶瓷技术领域，尤其涉及一种碳化硅复合陶瓷及其制造方法。

背景技术

近年来，随着国际社会对太阳能光伏产业投入的不断增加，太阳能用多晶硅生产进入了高速发展时期。数据表明近几年来全球太阳能级多晶硅每年以40～50％的增长率迅猛发展。我国是太阳能光伏产业发展最快的国家之一，已成为多晶硅太阳能电池生产大国，据统计在2007～2009年间共有17个省市规划了35个大型多晶硅项目，目前太阳能电池用晶硅片产量已达10万吨以上。

在晶硅片的生产过程中，通常采用线切割的方法对硅锭进行切割加工。其方法是使用碳化硅微粉作为磨料，先将碳化硅磨料和切割液调配成流动性良好的砂浆，然后由高速运动的钢线带动，对多晶硅锭进行切割得到多晶硅片。在实际加工过程中，有50～52％的晶体硅以硅粉的形式损失掉，该部分硅粉随碳化硅磨料、切割液等一起形成切割残渣。为节约成本、减少污染，通常将切割残渣经技术处理后对其中的碳化硅磨料和切割液进行回收，以便再次利用。然而碳化硅磨料颗粒在切割过程中会不断磨损，其颗粒的边角逐渐钝化从而丧失切削功能，因此随着回收次数的增多，其切割效率逐渐下降，从而导致切割质量变差，所以切割砂浆使用一段时间后，就要对其进行更换。更换掉的切割砂浆与上述经回收处理后的切割残渣共同形成切割废料，其成分主要有残留切割液、碳化硅磨料、硅粉及其他杂质如铁等。

由于切割废料中的碳化硅颗粒已丧失切削功能无法再利用，而其中的硅粉即使经提纯处理后也无法达到太阳能硅晶片所用硅原料的纯度要求，因此目前该切割废料一般皆被视为工业废弃物而排放出去。然而，由于切割废料中不仅含有大量残留的乙二醇等有机物，同时也有高含量的碳化硅和硅粉，因此切割废料排放后不但会对环境造成巨大的污染，也会造成巨大的资源浪费。

当前现有技术关于光伏硅切割废料的研究主要集中在碳化硅和硅微粉的回收上，如中国专利公开号为CN101792142A、发明名称为“从切割废砂浆中回收多晶硅锭、碳化硅粉和聚乙二醇的方法”；中国专利公开号为CN101327622A、发明名称为“单晶与多晶硅线切割用砂浆回收技术”；中国专利公开号为CN101671022A、发明名称为“一种从单多晶硅切割料浆中回收太阳能级多晶硅的方法”等。现有的这些回收处理技术，需要针对碳化硅和硅进行进一步的分离，不仅工艺流程复杂，同时其分离过程也给环境带来了二次污染。

目前，有关光伏硅切割废料直接利用方面的研究很少，尚没有见到关于以光伏硅切割废料为原料开发制造具有高附加值的碳化硅复合陶瓷的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种经济可靠、利用光伏用单/多晶硅切割废料制备的具有高附加值的碳化硅复合陶瓷，以实现废料的资源化利用，使之成为新材料制备的原料，并从根本上解决光伏硅切割废料对环境所造成的污染；同时显著降低碳化硅复合陶瓷的生产成本，提高产品的竞争力。本发明的另一目的在于提供上述碳化硅复合陶瓷的制造方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷，按重量百分比含有以下组成：光伏硅切割固体废料40～100％、碳化硅0～60％、炭黑0～30％。优选地，本发明碳化硅复合陶瓷按重量百分比含有以下组成：光伏硅切割固体废料70～90％、碳化硅10～30％；或者，光伏硅切割固体废料90～95％、炭黑5～10％；或者，光伏硅切割固体废料40～90％、碳化硅5～50％、炭黑5～10％。

进一步地，本发明碳化硅复合陶瓷还含有粘结剂，所述粘结剂按重量百分比为上述组成总量的0～20％，以0.8～20％为宜。所述粘结剂选自酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇。

本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：

上述以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷的制造方法，包括以下步骤：

a)按照光伏硅切割固体废料40～100％、碳化硅0～60％、炭黑0～30％进行混合配料；

b)将所述配料和水按重量比配料∶水＝3～1∶1置于球磨机中进行混料球磨；

c)造粒、压制成型并干燥而获得坯体；

d)在坩埚中使用炭黑填埋所述坯体，然后在1400～1600℃温度下保温10～60min获得碳化硅复合陶瓷。

进一步地，本发明制造方法所述步骤b)中加入粘结剂进行混料球磨，所述粘结剂按重量百分比为所述配料的0.8～20％。

上述方案中，本发明制造方法所述步骤c)中成型压力为20～120Mpa，干燥温度为75～85℃，干燥时间为0.5～2h。

上述方案中，本发明制造方法所述步骤d)中炭黑的粒度小于120目。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明直接利用单/多晶硅切割废料作为原料制备碳化硅复合陶瓷，不需要将切割废料中的碳化硅和硅进一步分离，简化了工艺流程，同时也解决了对碳化硅和硅进行分离所产生的环境污染问题，为光伏硅切割废料提供了一条高附加值利用的有效途径。

(2)本发明采用的单/多晶硅切割废料中含有金属硅和少量的铁杂质，由于其熔点较低，能够在较低的烧成温度下熔融形成液相，连结、填充在碳化硅颗粒之间，因而有利于形成致密型碳化硅复合陶瓷材料，所获得的碳化硅复合陶瓷性能优良，可广泛用于高温除尘用过滤元件、高导热陶瓷电路板、陶瓷密封件、高温匣钵、陶瓷窑具、脱硫喷嘴、冶炼炉炉衬、发动机尾喷管等领域。

(3)现有技术碳化硅制品通常要求在真空或还原性气氛保护的情况下进行烧制，对设备要求较高。本发明采用炭黑包埋烧制的方法，能够有效保护制品不被氧化，从而降低了对设备的要求，采用普通的高温炉即可满足生产条件，便于生产实施和推广应用。

(4)采用炭黑埋烧的方法，由于炭黑导热性能好，因此能够有效避免制品因升温过程中受热不均而导致的变形等缺陷，有效提高了制品的合格率。此外，在埋烧过程中，由于炭黑与制品直接接触，在高温时炭黑与制品中的金属硅发生Si+C→SiC反应生成碳化硅，能够对试样起到增强作用，而未反应的炭黑则可以循环利用。

(5)本发明大量采用了廉价的光伏硅切割废料作为原料，从而大大降低了生产碳化硅复合陶瓷所需的原料成本，极大地提高了产品的竞争力。

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

具体实施方式

本发明实施例采用光伏硅切割废料制备碳化硅复合陶瓷，烘干后的固体废料中按重量百分比含有碳化硅10～50％、硅粉40～88％、铁及其氧化物0.6～5％、氧化铝0.8～6％。

实施例一：

1、本实施例碳化硅复合陶瓷，按重量百分比其原料组成为：

光伏硅切割固体废料80％、碳化硅20％。

2、本实施例碳化硅复合陶瓷的制造方法如下：

a)将上述原料组成混合进行配料；

b)将配料和水按重量比配料∶水＝2∶1置于球磨机中，并加入为配料重量0.8％的酚醛树脂一起进行混料球磨；

c)采用喷雾干燥工艺进行造粒而得到造粒粉，然后采用干压法于50Mpa压力下压制成型获得坯体；将成型后的坯体在75℃温度下干燥2h；

d)在坩埚中使用过120目筛的炭黑填埋坯体，加盖坩埚盖，在1420℃温度下保温15min，随炉冷却后取出，得到碳化硅复合陶瓷。

本实施例获得的碳化硅复合陶瓷其密度为2.25g/cm³、气孔率为15.8％、抗折强度为92.8MPa、热导率为10.24w/m·k。

实施例二：

1、本实施例碳化硅复合陶瓷，按重量百分比其原料组成为：

光伏硅切割固体废料90％、碳化硅10％。

2、本实施例碳化硅复合陶瓷的制造方法如下：

a)将上述原料组成混合进行配料；

b)将配料和水按重量比配料∶水＝3∶1置于球磨机中，并加入为配料重量1.0％的环氧树脂一起进行混料球磨；

c)采用喷雾干燥工艺进行造粒而得到造粒粉，然后采用干压法于20Mpa压力下压制成型获得坯体；将成型后的坯体在75℃温度下干燥2h；

d)在坩埚中使用过120目筛的炭黑填埋坯体，加盖坩埚盖，在1600℃温度下保温15min，随炉冷却后取出，得到碳化硅复合陶瓷。

本实施例获得的碳化硅复合陶瓷其密度为2.49g/cm³、气孔率为4.5％、抗折强度为106.5MPa，热导率为13.06w/m·k。

实施例三：

1、本实施例碳化硅复合陶瓷，按重量百分比其原料组成为：

光伏硅切割固体废料85％、碳化硅15％。

2、本实施例碳化硅复合陶瓷的制造方法如下：

a)将上述原料组成混合进行配料；

b)将配料和水按重量比配料∶水＝2∶1置于球磨机中，并加入为配料重量2.0％的聚乙烯醇一起进行混料球磨；

c)采用喷雾干燥工艺进行造粒而得到造粒粉，然后采用干压法于50Mpa压力下压制成型获得坯体；将成型后的坯体在75℃温度下干燥1h；

d)在坩埚中使用过120目筛的炭黑填埋坯体，加盖坩埚盖，在1550℃温度下保温15min，随炉冷却后取出，得到碳化硅复合陶瓷。

本实施例获得的碳化硅复合陶瓷其密度为2.31g/cm³、气孔率为12.5％、抗折强度为104.4MPa，热导率为9.32w/m·k。

实施例四：

1、本实施例碳化硅复合陶瓷，按重量百分比其原料组成为：

光伏硅切割固体废料40％、碳化硅50％、炭黑10％。

2、本实施例碳化硅复合陶瓷的制造方法如下：

a)将上述原料组成混合进行配料；

b)将配料和水按重量比配料∶水＝2∶1置于球磨机中，并加入为配料重量20％的酚醛树脂一起进行混料球磨；

c)采用喷雾干燥工艺进行造粒而得到造粒粉，然后采用干压法于30Mpa压力下压制成型获得坯体；将成型后的坯体在85℃温度下干燥1h；

d)在坩埚中使用过120目筛的炭黑填埋坯体，加盖坩埚盖，在1420℃温度下保温20min，随炉冷却后取出，得到碳化硅复合陶瓷。

本实施例获得的碳化硅复合陶瓷其密度为1.69g/cm³、气孔率为39.7％、抗折强度为59MPa、热导率为2.98w/m·k。

实施例五：

1、本实施例碳化硅复合陶瓷，按重量百分比其原料组成为：

光伏硅切割固体废料70％、碳化硅30％。

2、本实施例碳化硅复合陶瓷的制造方法如下：

a)将上述原料组成混合进行配料；

b)将配料和水按重量比配料∶水＝1∶1置于球磨机中进行混料球磨；

c)采用喷雾干燥工艺进行造粒而得到造粒粉，然后采用干压法于100Mpa压力下压制成型获得坯体；将成型后的坯体在85℃温度下干燥0.5h；

d)在坩埚中使用过120目筛的炭黑填埋坯体，加盖坩埚盖，在1600℃温度下保温20min，随炉冷却后取出，得到碳化硅复合陶瓷。

本实施例获得的碳化硅复合陶瓷其密度为2.01g/cm³、气孔率为13.7％、抗折强度为92.7MPa，热导率为8.65w/m·k。

实施例六：

1、本实施例碳化硅复合陶瓷，按重量百分比其原料组成为：

光伏硅切割固体废料75％、碳化硅25％。

2、本实施例碳化硅复合陶瓷的制造方法如下：

a)将上述原料组成混合进行配料；

b)将配料和水按重量比配料∶水＝2∶1置于球磨机中进行混料球磨；

c)采用喷雾干燥工艺进行造粒而得到造粒粉，然后采用干压法于40Mpa压力下压制成型获得坯体；将成型后的坯体在85℃温度下干燥1h；

d)在坩埚中使用过120目筛的炭黑填埋坯体，加盖坩埚盖，在1420℃温度下保温50min，随炉冷却后取出，得到碳化硅复合陶瓷。

本实施例获得的碳化硅复合陶瓷其密度为2.18g/cm³、气孔率为12.5％、抗折强度为98.5MPa，热导率为8.96w/m·k。

实施例七：

1、本实施例碳化硅复合陶瓷，按重量百分比其原料组成为：

光伏硅切割固体废料100％。

2、本实施例碳化硅复合陶瓷的制造方法如下：

a)以上述光伏硅切割固体废料为配料；

c)采用喷雾干燥工艺进行造粒而得到造粒粉，然后采用干压法于80Mpa压力下压制成型获得坯体；将成型后的坯体在80℃温度下干燥1h；

d)在坩埚中使用过120目筛的炭黑填埋坯体，加盖坩埚盖，在1550℃温度下保温30min，随炉冷却后取出，得到碳化硅复合陶瓷。

本实施例获得的碳化硅复合陶瓷其密度为2.34g/cm³、气孔率为5.6％、抗折强度为102.8MPa，热导率为6.42w/m·k。

实施例八：

1、本实施例碳化硅复合陶瓷，按重量百分比其原料组成为：

光伏硅切割固体废料100％。

2、本实施例碳化硅复合陶瓷的制造方法如下：

a)以上述光伏硅切割固体废料为配料；

b)将配料和水按重量比配料∶水＝2∶1置于球磨机中，并加入为配料重量1.2％的酚醛树脂一起进行混料球磨；

c)采用喷雾干燥工艺进行造粒而得到造粒粉，然后采用干压法于50Mpa压力下压制成型获得坯体；将成型后的坯体在80℃温度下干燥0.5h；

本实施例获得的碳化硅复合陶瓷其密度为2.51g/cm³、气孔率为4.2％、抗折强度为116.5MPa，热导率为8.93w/m·k。

实施例九：

1、本实施例碳化硅复合陶瓷，按重量百分比其原料组成为：

光伏硅切割固体废料95％、炭黑5％。

2、本实施例碳化硅复合陶瓷的制造方法如下：

a)将上述原料组成混合进行配料；

b)将配料和水按重量比配料∶水＝2∶1，并加入为配料重量0.8％的酚醛树脂一起置于球磨机中进行混料球磨；

c)采用喷雾干燥工艺进行造粒而得到造粒粉，然后采用干压法于65Mpa压力下压制成型获得坯体；将成型后的坯体在85℃温度下干燥2h；

d)在坩埚中使用过120目筛的炭黑填埋坯体，加盖坩埚盖，在1500℃温度下保温60min，随炉冷却后取出，得到碳化硅复合陶瓷。

本实施例获得的碳化硅复合陶瓷其密度为1.89g/cm³、气孔率为32％、抗折强度为85.2MPa，热导率为5.86w/m·k。

Claims

1.一种以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷，其特征在于按重量百分比含有以下组成：光伏硅切割固体废料40～100％、碳化硅0～60％、炭黑0～30％。

2.根据权利要求1所述的以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷，其特征在于按重量百分比含有以下组成：光伏硅切割固体废料70～90％、碳化硅10～30％；或含有以下组成：光伏硅切割固体废料90～95％、炭黑5～10％。

3.根据权利要求1所述的以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷，其特征在于按重量百分比含有以下组成：光伏硅切割固体废料40～90％、碳化硅5～50％、炭黑5～10％。

4.根据权利要求1所述的以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷，其特征在于：所述光伏硅切割固体废料按重量百分比含有碳化硅10～50％、硅粉40～88％、铁及其氧化物0.6～5％、氧化铝0.8～6％

5.根据权利要求1或2或3或4所述的以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷，其特征在于：含有粘结剂，所述粘结剂按重量百分比为所述组成总量的0.8～20％。

6.根据权利要求5所述的以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷，其特征在于：所述粘结剂为酚醛树脂。

7.权利要求1所述以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

a)将权利要求1所述组成混合进行配料；

c)造粒、压制成型并干燥而获得坯体；

8.根据权利要求7所述以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷的制造方法，其特征在于：所述步骤b)中加入粘结剂进行混料球磨，所述粘结剂按重量百分比为所述配料的0.8～20％。

9.根据权利要求7所述以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷的制造方法，其特征在于：所述步骤c)中成型压力为20～120Mpa，干燥温度为75～85℃，干燥时间为0.5～2h。

10.根据权利要求7所述以光伏硅切割废料制备的碳化硅复合陶瓷的制造方法，其特征在于：所述步骤d)中炭黑的粒度小于120目。