硅锭线切割回收料制备Si3N4/SiC耐火材料

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近年来,随着太阳能光伏行业的快速发展,硅晶片的需求量也日益增加。硅锭线切割成硅晶片过程中须消耗大量的SiC磨削微粉,其经过多次的重复使用后会成为切割废料,不宜继续使用,从而会造成大量高能耗SiC的浪费。因此,目前许多学者都在致力于研究回收利用SiC磨削微粉的技术。结合SiC磨削微粉的成分以及Si3N4/SiC耐火材料反应烧结的特点,本文以硅锭线切割回收料为主要原料,通过反应烧结制备Si3N4/SiC耐火材料。这样,不仅可以回收利用硅锭线切割回收料中的SiC与Si粉,解决切割废料对环境的污染问题,还能有效的降低Si3N4/SiC耐火材料的生产成本。  实验以硅锭线切割回收料为原料,研究了Si含量、烧结温度、保温时间以及颗粒级配对反应烧结以及烧结制品性能的影响;还系统研究了Al2O3和Y2O3等烧结助剂的助烧机理以及对烧结制品性能的影响;最后对比分析了Al2O3、Y2O3与Fe2O3三者对烧结制品性能的影响以及各自助烧机理的异同。主要研究内容与结果如下:  (1)利用硅锭线切割回收料作为原料,反应烧结制备出Si3N4/SiC耐火材料,结果表明:试样中Si含量为25wt%、并在1300℃和1400℃分别保温2h时得到的烧结制品性能较好,氮化产物主要是α-Si3N4、β-Si3N4以及少量Si2N2O相。  (2) SiC骨料的颗粒级配是影响Si3N4/SiC耐火材料性能的重要因素,结果表明:坯料中SiC骨料粒径越大或者大粒径SiC越多,坯体密度以及烧结制品体积密度越高;但烧结制品的抗弯强度主要取决于SiC骨料是否有合适的颗粒级配。  (3)利用纯SiC与Si取代硅锭线切割回收料进行颗粒级配实验,结果表明:大粒径SiC(D50=250μm)的加入会造成氮化增重降低,阻碍或延缓氮化反应的进行,试样的体积密度会提高,但是其抗弯强度反而会降低。原料中含有25 wt% SiC1(D50=0.5μm)、50 wt%SiC2(D50=65μm)以及25 wt%的Si粉(D50=1μm)的P1试样体积密度为2.27 g.cm-3,抗弯强度达到110MPa,(弯曲)比强度为4.85×104 N.m/kg。P1试样还具有良好的抗热震性及较低的热膨胀系数,其经过800℃到室温水冷30次,抗弯强度还能达到初始抗弯强度的50%左右,而热膨胀系数仅为4.27×10-6℃-1。  (4)单一添加Al2O3和Y2O3都可以提高试样的综合性能,结果表明:二者添加量分别为4wt%时,烧结制品的抗弯强度都达到最佳值。Al2O3助烧过程中会与SiO2形成液相,最终析出Si5AlON7,此过程容易发生SiO2与Si3N4的反应,从而生成Si2N2O相。Y2O3助烧过程中与SiO2形成液相会析出Y5Si3O12N,此过程会抑制SiO2与Si3N4的反应,因此难以生成Si2N2O相。  (5)添加Al2O3和Y2O3复合烧结助剂的试样反应烧结生成的氮化产物更加有助于提高烧结制品的综合性能,结果表明:二者的添加量都为4 wt%时,烧结试样的抗弯强度达到近90MPa。  (6)烧结温度对添加Al2O3和Y2O3复合烧结助剂试样的性能影响较大,结果表明:烧结温度过低会导致烧结助剂难以形成液相;烧结温度过高会造成氮化产物中α-Si3N4几乎全部溶解-沉淀出β-Si3N4、晶体生长粗大等。添加Al2O3和Y2O3复合烧结助剂试样在烧结温度1300℃和1400℃各保温2h时抗弯强度最佳。  (7)利用纯SiC和Si粉取代硅锭线切割回收料,并添加Fe2O3、Al2O3和Y2O3进行实验,结果表明:添加Al2O3和Y2O3难以明显提高试样体积密度,可以适当提高其抗弯强度,而添加Fe2O3能够显著提高试样抗弯强度和体积密度;试样中同时含有Fe2O3、 Al2O3和Y2O3时,可以更好的提高其体积密度,但不利于提高抗弯强度。试样中添加Al2O3和Y2O3会促进Si2N2O相以及β-Si3N4生成,降低试样的氮化增重量,液相冷却析出Si5AlON7和Y5Si3O12N。试样中添加的Fe2O3会与Si最终形成稳定型的Fe3Si相,并促进反应生成β-Si3N4,有利于提高试样的氮化增重量、抗弯强度及体积密度。
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