CN105293498A

CN105293498A - 一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法

Info

Publication number: CN105293498A
Application number: CN201510726067.8A
Authority: CN
Inventors: 张国华; 吴跃东; 周国治
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-02-03

Abstract

本发明涉及一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法。所述制备碳化硅粉的方法以多晶硅切割废料为原料，将所述多晶硅切割废料研磨过筛后加入浸出溶液进行湿法浸出除铁，经过抽滤、清洗及干燥获得除铁后多晶硅废料，在所述除铁后多晶硅废料中配加碳粉并研磨混匀，然后添加粘结剂并压块成型，在高温炉中，氩气气氛中反应烧结，制备获得所述碳化硅粉。本发明利用多晶硅切割废料为原料，降低了生产成本低，并生产工艺简单、能耗低，获得的碳化硅粉具有强度高的特点，具有很高的商业价值。

Description

一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法

技术领域

本发明属于耐火材料和固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法。

背景技术

太阳能产业和半导体产业的高速发展，晶体硅作为重要的光电材料、半导体材料，全球对晶体硅的需求量越来越多，在这些产业中需要将其切割成符合要求的硅片，但是在切割过程中，大约50%左右的晶体硅以硅粉的形式损失掉成为废料浆，这些废浆料大量堆积，容易引起一定的安全和环境问题，对土壤、空气和水资源造成污染。

多晶硅废料的成分为硅、碳化硅和铁氧化物。由于硅和碳化硅的理化性质相近，并且废料的粒径非常细，高度分离硅和碳化硅的难度较高。目前以多晶硅切割废料为原料，对其中的硅和碳化硅进行分离提纯的方法，包括泡沫浮选法、离心分离法、重液分离技术、高温过滤法和化学分离法等，但是这些方法成本过高，工艺复杂，而且有些方法仍处于研究阶段，其分离和提纯过程仍有待进一步的改善。

碳化硅作为一种常用的高温耐火材料，具有很好的热稳定性、耐磨性和抗蠕变性等性能，广泛应用于冶金、化工、生物等领域。SiC的传统制备的工艺中，利用C与SiO₂通过还原反应制备，工业上使用的反应温度往往高于2000℃，导致工业上制备SiC的反应能耗大、成本高。

发明内容

本发明提供一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法，本发明利用多晶硅切割废料为原料，通过一系列处理步骤，制备碳化硅粉，解决了所述多晶硅切割废料对环境的污染问题，同时制备的碳化硅可被应用于冶金、化工、生物等多个领域，为企业创造一定的商业价值。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法，所述制备碳化硅粉的方法以多晶硅切割废料为原料，经过湿法浸出除铁后配入碳粉，然后进行低温度的烧结处理，制备得到碳化硅粉,所述碳化硅粉的成分为α-SiC和β-SiC。

进一步地，所述多晶硅切割废料的成分包括Si、α-SiC以及铁的氧化物。

进一步地，所述制备碳化硅粉的方法包括湿法浸出除铁、配加碳粉、添加粘结剂及烧结步骤。

进一步地，所述制备碳化硅粉的方法具体是：以多晶硅切割废料为原料，将所述多晶硅切割废料研磨过筛后加入浸出溶液进行湿法浸出除铁，经过抽滤、清洗及干燥获得除铁后多晶硅废料，在所述除铁后多晶硅废料中配加碳粉并研磨混匀，然后添加粘结剂并压块成型，在高温炉中，氩气气氛中反应烧结，制备获得所述碳化硅粉。

进一步地，所述制备碳化硅粉的方法具体步骤包括：

（1）湿法浸出除铁：首先配置浸出溶液，将所述多晶硅切割废料与所述浸出溶液按照1:4-1:8的料液比混合，然后进行湿法浸出除铁，浸出2-4h后抽滤，将抽滤后获得的滤渣用去离子水清洗，并将清洗后所述滤渣置于干燥箱中干燥，获得除铁后多晶硅废料；

（2）配加碳粉：在步骤（1）获得的所述除铁后多晶硅废料中配入碳粉，研磨均匀后放入干燥箱中烘干，获得所述除铁后多晶硅废料与碳粉的混合物；

（3）添加粘结剂：往步骤（2）获得的所述混合物中加入粘结剂，所述粘结剂包括聚乙烯醇，所述粘结剂中所述聚乙烯醇的质量分数为3%-5%；然后在6MP的压力下压块成型，形成块体；

（4）烧结步骤：将步骤（3）形成的所述块体放入高温炉中进行烧结，保护气氛为氩气，反应温度为1400-1600℃，反应时间为1-5h。

进一步地，所述湿法浸出除铁的步骤去除所述多晶硅切割废料中铁的氧化物组分，所述湿法浸出除铁的步骤中使用的所述浸出溶液为盐酸溶液或者硫酸溶液；所述盐酸溶液的浓度为10-40%，所述硫酸溶液的浓度为10-30%。

进一步地，步骤（2）配加碳粉中，配入的所述碳粉为活性炭或石墨。

本发明的有益技术效果：

（1）本发明以多晶硅切割废料为原料，并配加碳粉制备碳化硅，无需将所述多晶硅切割废料中的硅与碳化硅进行分离，即可充分利用废料中的单质硅，工艺简单，方法成本低，并避免了多晶硅切割废料大量堆积对环境造成污染；

（2）本发明以多晶硅切割废料制备碳化硅粉的过程中，在配入碳粉之前设置了湿法浸出除铁步骤，去除了所述多晶硅切割废料中的铁的氧化物组分，避免了反应产物中Fe-Si系合金的生成，进而提高了最终碳化硅产品的纯度；

（3）本发明烧结步骤相对于传统的制备工艺，温度低，只有1400-1600摄氏度，在该反应温度范围下，作为反应原料的多晶硅切割废料中的硅单质达到熔点，成为液态，有利于固液反应的进行，反应更加充分，因而缩短了制备碳化硅粉的时间；

（4）本发明制备的碳化硅粉包括α-SiC和β-SiC，利用本发明制备的碳化硅粉制备陶瓷材料时，其中的β-SiC能够将相邻的α-SiC颗粒连接起来，提高陶瓷材料的强度。

附图说明

图1为多晶硅切割废料的XRD图谱；

图2为在1400℃下反应生成的SiC的XRD图谱；

图3为在1500℃下反应生成的SiC的XRD图谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

如图1所示，多晶硅切割废料的成分包括Si、α-SiC以及铁的氧化物。本发明以多晶硅切割废料为原料，首先将所述多晶硅切割废料研磨后过80-120目筛。

取50g过筛后的所述多晶硅切割废料放入250ml浓度为36.5%的盐酸溶液中酸浸2-4h，然后使用抽滤机抽滤，用去离子水清洗并放置于干燥箱中干燥24小时，得到除铁后多晶硅废料；其中所述多晶硅切割废料与质量百分浓度为36.5%的盐酸溶液的料液比在1：4-1：6，以保证所述多晶硅切割废料中铁的氧化物组分能够完全溶解于盐酸。

通过常规技术手段测定所述除铁后多晶硅废料中的游离硅含量，然后根据所述游离硅含量来确定所要配加碳粉的量；本实施例中所述配加碳粉为活性炭粉或石墨粉。

本实施例中，经过计算所述除铁后多晶硅废料中的游离硅含量，并结合化学方程式：Si+C=SiC，称取4g所述除铁后多晶硅废料，配加1.2857g活性炭；然后往该混合物中加入一定量的酒精，进行研磨，研磨均匀后放入干燥箱中烘干，取出烘干后的混合物，称量所述混合物的重量，加入粘结剂，所述粘结剂中聚乙烯醇（PVA）的质量分数为3%，所述粘结剂中溶剂为水，在6MP的压力下压块成型，形成块体。

将压制形成的块体放入高温炉中，向炉内通入高纯氩气，将温度以5℃/min的升温速率升到1400℃，保温3h；本实施例烧结步骤相对于传统的制备工艺，温度低，并在该反应温度范围下，作为反应原料的多晶硅切割废料中的硅单质达到熔点，成为液态，加大了原料中的硅与碳粉接触面积增大，因而更加有利于反应的进行，缩短了制备碳化硅粉的时间；

用钳子取出坩埚，立即吹氩气冷却样品，冷却后取出样品，得到的无Si残余的碳化硅粉，其XRD图如图2所示。本实施例制备的碳化硅粉的成分包括α-SiC和β-SiC，利用本发明制备的碳化硅份制备陶瓷材料时，其中的β-SiC能够将相邻的α-SiC颗粒连接起来，提高陶瓷材料的强度。

实施例2

多晶硅切割废料的成分包括Si、α-SiC以及铁的氧化物。本发明以多晶硅切割废料为原料，本发明以多晶硅切割废料为原料，首先将所述多晶硅切割废料研磨后过80-120目筛。

将过筛后的废料放入质量百分浓度为10-30%的硫酸溶液中酸浸2-4h，然后使用抽滤机抽滤，用去离子水清洗并放置于干燥箱中干燥12-24小时，得到除铁后多晶硅废料。

通过常规技术手段测定所述除铁后多晶硅废料中的游离硅含量，然后根据所述游离硅含量来确定所要配加碳粉的量；所述配加碳粉为石墨粉。

本实施例中，经过计算所述除铁后多晶硅废料中的游离硅含量，并结合化学方程式：Si+C=SiC,须向4g所述除铁后多晶硅废料中配加1.2857g活性炭；然后往该混合物中加入一定量的酒精，进行研磨，研磨均匀后放入干燥箱中烘干，取出烘干后的混合物，称量所述混合物的重量，加入粘结剂，所述粘结剂中聚乙烯醇（PVA）的质量分数为3%，在6MP的压力下压块成型，形成块体。

将压制形成的块体放入高温炉中，向炉内通入高纯氩气，将温度以5℃/min的升温速率升到1500℃，保温3-7h，用钳子取出坩埚，立即吹氩气冷却样品，冷却后取出样品，得到的无Si残余的SiC粉末，其XRD图如图3所示。本实施例获得的碳化硅的成分包括α-SiC和β-SiC，利用本发明制备的碳化硅份制备陶瓷材料时，其中的β-SiC能够将相邻的α-SiC颗粒连接起来，提高陶瓷材料的强度。

Claims

1.一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法，其特征在于，所述制备碳化硅粉的方法以多晶硅切割废料为原料，经过湿法浸出除铁后配入碳粉，然后进行低温度的烧结处理，制备得到碳化硅粉,所述碳化硅粉的成分为α-SiC和β-SiC。

2.根据权利要求1所述一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法，其特征在于，所述多晶硅切割废料的成分包括Si、α-SiC以及铁的氧化物。

3.根据权利要求1所述一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法，其特征在于，所述制备碳化硅粉的方法包括湿法浸出除铁、配加碳粉、添加粘结剂及烧结步骤。

4.根据权利要求3所述一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法，其特征在于，所述制备碳化硅粉的方法具体是：以多晶硅切割废料为原料，将所述多晶硅切割废料研磨过筛后加入浸出溶液进行湿法浸出除铁，经过抽滤、清洗及干燥获得除铁后多晶硅废料，在所述除铁后多晶硅废料中配加碳粉并研磨混匀，然后添加粘结剂并压块成型，在高温炉中，氩气气氛中反应烧结，制备获得所述碳化硅粉。

5.根据权利要求4所述一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法，其特征在于，所述制备碳化硅粉的方法具体步骤包括：

6.根据权利要求5所述一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法，其特征在于，所述湿法浸出除铁的步骤去除所述多晶硅切割废料中铁的氧化物组分，所述湿法浸出除铁的步骤中使用的所述浸出溶液为盐酸溶液或者硫酸溶液；所述盐酸溶液的浓度为10-40%，所述硫酸溶液的浓度为10-30%。

7.根据权利要求5所述一种利用多晶硅切割废料制备碳化硅粉的方法，其特征在于，步骤（2）配加碳粉中，配入的所述碳粉为活性炭或石墨。