專利名稱：一種以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷及其制造方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷技術領域，尤其涉及一種碳化硅復合陶瓷及其制造方法。
背景技術：
近年來，隨著國際社會對太陽能光伏產業投入的不斷增加，太陽能用多晶硅生產進入了高速發展時期。數據表明近幾年來全球太陽能級多晶硅每年以40 50%的增長率迅猛發展。我國是太陽能光伏產業發展最快的國家之一，已成為多晶硅太陽能電池生產大國，據統計在2007 2009年間共有17個省市規劃了 35個大型多晶硅項目，目前太陽能電池用晶硅片產量已達10萬噸以上。在晶硅片的生產過程中，通常采用線切割的方法對硅錠進行切割加工。其方法是使用碳化硅微粉作為磨料，先將碳化硅磨料和切割液調配成流動性良好的砂漿，然后由高速運動的鋼線帶動，對多晶硅錠進行切割得到多晶硅片。在實際加工過程中，有50 52% 的晶體硅以硅粉的形式損失掉，該部分硅粉隨碳化硅磨料、切割液等一起形成切割殘渣。為節約成本、減少污染，通常將切割殘渣經技術處理后對其中的碳化硅磨料和切割液進行回收，以便再次利用。然而碳化硅磨料顆粒在切割過程中會不斷磨損，其顆粒的邊角逐漸鈍化從而喪失切削功能，因此隨著回收次數的增多，其切割效率逐漸下降，從而導致切割質量變差，所以切割砂漿使用一段時間后，就要對其進行更換。更換掉的切割砂漿與上述經回收處理后的切割殘渣共同形成切割廢料，其成分主要有殘留切割液、碳化硅磨料、硅粉及其他雜質如鐵等。由于切割廢料中的碳化硅顆粒已喪失切削功能無法再利用，而其中的硅粉即使經提純處理后也無法達到太陽能硅晶片所用硅原料的純度要求，因此目前該切割廢料一般皆被視為工業廢棄物而排放出去。然而，由于切割廢料中不僅含有大量殘留的乙二醇等有機物，同時也有高含量的碳化硅和硅粉，因此切割廢料排放后不但會對環境造成巨大的污染， 也會造成巨大的資源浪費。當前現有技術關于光伏硅切割廢料的研究主要集中在碳化硅和硅微粉的回收上， 如中國專利公開號為CN101792142A、發明名稱為“從切割廢砂漿中回收多晶硅錠、碳化硅粉和聚乙二醇的方法”；中國專利公開號為CN101327622A、發明名稱為“單晶與多晶硅線切割用砂漿回收技術”；中國專利公開號為CN101671022A、發明名稱為“一種從單多晶硅切割料漿中回收太陽能級多晶硅的方法”等。現有的這些回收處理技術，需要針對碳化硅和硅進行進一步的分離，不僅工藝流程復雜，同時其分離過程也給環境帶來了二次污染。目前，有關光伏硅切割廢料直接利用方面的研究很少，尚沒有見到關于以光伏硅切割廢料為原料開發制造具有高附加值的碳化硅復合陶瓷的報道。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種經濟可靠、利用光伏用單/多晶硅切割廢料制備的具有高附加值的碳化硅復合陶瓷，以實現廢料的資源化利用，使之成為新材料制備的原料，并從根本上解決光伏硅切割廢料對環境所造成的污染；同時顯著降低碳化硅復合陶瓷的生產成本，提高產品的競爭力。本發明的另一目的在于提供上述碳化硅復合陶瓷的制造方法。本發明的目的通過以下技術方案予以實現本發明提供的一種以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷，按重量百分比含有以下組成光伏硅切割固體廢料40 100%、碳化硅0 60%、炭黑0 30%。優選地，本發明碳化硅復合陶瓷按重量百分比含有以下組成光伏硅切割固體廢料70 90%、碳化硅 10 30%;或者，光伏硅切割固體廢料90 95%、炭黑5 10% ；或者，光伏硅切割固體廢料40 90%、碳化硅5 50%、炭黑5 10%。進一步地，本發明碳化硅復合陶瓷還含有粘結劑，所述粘結劑按重量百分比為上述組成總量的0 20%，以0. 8 20%為宜。所述粘結劑選自酚醛樹脂、環氧樹脂、聚乙烯本發明的另一目的通過以下技術方案予以實現上述以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷的制造方法，包括以下步驟a)按照光伏硅切割固體廢料40 100%、碳化硅0 60%、炭黑0 30%進行混合配料；b)將所述配料和水按重量比配料水=3 1 1置于球磨機中進行混料球磨；c)造粒、壓制成型并干燥而獲得坯體；d)在坩堝中使用炭黑填埋所述坯體，然后在1400 1600°C溫度下保溫10 60min獲得碳化硅復合陶瓷。進一步地，本發明制造方法所述步驟b)中加入粘結劑進行混料球磨，所述粘結劑按重量百分比為所述配料的0. 8 20%。上述方案中，本發明制造方法所述步驟c)中成型壓力為20 120Mpa，干燥溫度為 75 85°C，干燥時間為0. 5 2h。上述方案中，本發明制造方法所述步驟d)中炭黑的粒度小于120目。本發明具有以下有益效果(1)本發明直接利用單/多晶硅切割廢料作為原料制備碳化硅復合陶瓷，不需要將切割廢料中的碳化硅和硅進一步分離，簡化了工藝流程，同時也解決了對碳化硅和硅進行分離所產生的環境污染問題，為光伏硅切割廢料提供了一條高附加值利用的有效途徑。(2)本發明采用的單/多晶硅切割廢料中含有金屬硅和少量的鐵雜質，由于其熔點較低，能夠在較低的燒成溫度下熔融形成液相，連結、填充在碳化硅顆粒之間，因而有利于形成致密型碳化硅復合陶瓷材料，所獲得的碳化硅復合陶瓷性能優良，可廣泛用于高溫除塵用過濾元件、高導熱陶瓷電路板、陶瓷密封件、高溫匣缽、陶瓷窯具、脫硫噴嘴、冶煉爐爐襯、發動機尾噴管等領域。(3)現有技術碳化硅制品通常要求在真空或還原性氣氛保護的情況下進行燒制， 對設備要求較高。本發明采用炭黑包埋燒制的方法，能夠有效保護制品不被氧化，從而降低了對設備的要求，采用普通的高溫爐即可滿足生產條件，便于生產實施和推廣應用。(4)采用炭黑埋燒的方法，由于炭黑導熱性能好，因此能夠有效避免制品因升溫過程中受熱不均而導致的變形等缺陷，有效提高了制品的合格率。此外，在埋燒過程中，由于炭黑與制品直接接觸，在高溫時炭黑與制品中的金屬硅發生Si+C — SiC反應生成碳化硅， 能夠對試樣起到增強作用，而未反應的炭黑則可以循環利用。(5)本發明大量采用了廉價的光伏硅切割廢料作為原料，從而大大降低了生產碳化硅復合陶瓷所需的原料成本，極大地提高了產品的競爭力。下面將結合實施例對本發明作進一步的詳細描述。
具體實施例方式本發明實施例采用光伏硅切割廢料制備碳化硅復合陶瓷，烘干后的固體廢料中按重量百分比含有碳化硅10 50 %、硅粉40 88 %、鐵及其氧化物0. 6 5 %、氧化鋁0. 8 6%。實施例一1、本實施例碳化硅復合陶瓷，按重量百分比其原料組成為光伏硅切割固體廢料80%、碳化硅20%。2、本實施例碳化硅復合陶瓷的制造方法如下a)將上述原料組成混合進行配料；b)將配料和水按重量比配料水=2 1置于球磨機中，并加入為配料重量
0.8%的酚醛樹脂一起進行混料球磨；c)采用噴霧干燥工藝進行造粒而得到造粒粉，然后采用干壓法于50Mpa壓力下壓制成型獲得坯體；將成型后的坯體在75°c溫度下干燥池；d)在坩堝中使用過120目篩的炭黑填埋坯體，加蓋坩堝蓋，在1420°C溫度下保溫 15min，隨爐冷卻后取出，得到碳化硅復合陶瓷。本實施例獲得的碳化硅復合陶瓷其密度為2. 25g/cm3、氣孔率為15. 8%、抗折強度為 92. 8MPa、熱導率為 10. 24w/m · k。實施例二 1、本實施例碳化硅復合陶瓷，按重量百分比其原料組成為光伏硅切割固體廢料90%、碳化硅10%。2、本實施例碳化硅復合陶瓷的制造方法如下a)將上述原料組成混合進行配料；b)將配料和水按重量比配料水=3 1置于球磨機中，并加入為配料重量
1.0%的環氧樹脂一起進行混料球磨；c)采用噴霧干燥工藝進行造粒而得到造粒粉，然后采用干壓法于20Mpa壓力下壓制成型獲得坯體；將成型后的坯體在75°c溫度下干燥池；d)在坩堝中使用過120目篩的炭黑填埋坯體，加蓋坩堝蓋，在1600°C溫度下保溫 15min，隨爐冷卻后取出，得到碳化硅復合陶瓷。本實施例獲得的碳化硅復合陶瓷其密度為2. 49g/cm3、氣孔率為4. 5%、抗折強度為 106. 5MPa，熱導率為 13. 06w/m · k。實施例三1、本實施例碳化硅復合陶瓷，按重量百分比其原料組成為
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光伏硅切割固體廢料85%、碳化硅15%。2、本實施例碳化硅復合陶瓷的制造方法如下a)將上述原料組成混合進行配料；b)將配料和水按重量比配料水=2 1置于球磨機中，并加入為配料重量 2. 0%的聚乙烯醇一起進行混料球磨；c)采用噴霧干燥工藝進行造粒而得到造粒粉，然后采用干壓法于50Mpa壓力下壓制成型獲得坯體；將成型后的坯體在75°C溫度下干燥Ih ；d)在坩堝中使用過120目篩的炭黑填埋坯體，加蓋坩堝蓋，在1550°C溫度下保溫 15min，隨爐冷卻后取出，得到碳化硅復合陶瓷。本實施例獲得的碳化硅復合陶瓷其密度為2. 31g/cm3、氣孔率為12. 5%、抗折強度為 104. 4MPa，熱導率為 9. 32w/m · k。實施例四1、本實施例碳化硅復合陶瓷，按重量百分比其原料組成為光伏硅切割固體廢料40%、碳化硅50%、炭黑10%。2、本實施例碳化硅復合陶瓷的制造方法如下a)將上述原料組成混合進行配料；b)將配料和水按重量比配料水=2 1置于球磨機中，并加入為配料重量20% 的酚醛樹脂一起進行混料球磨；c)采用噴霧干燥工藝進行造粒而得到造粒粉，然后采用干壓法于30Mpa壓力下壓制成型獲得坯體；將成型后的坯體在85°C溫度下干燥Ih ；d)在坩堝中使用過120目篩的炭黑填埋坯體，加蓋坩堝蓋，在1420°C溫度下保溫 20min，隨爐冷卻后取出，得到碳化硅復合陶瓷。本實施例獲得的碳化硅復合陶瓷其密度為1. 69g/cm3、氣孔率為39. 7%、抗折強度為 59MPa、熱導率為 2. 98w/m · k。實施例五1、本實施例碳化硅復合陶瓷，按重量百分比其原料組成為光伏硅切割固體廢料70%、碳化硅30%。2、本實施例碳化硅復合陶瓷的制造方法如下a)將上述原料組成混合進行配料；b)將配料和水按重量比配料水=1 1置于球磨機中進行混料球磨；c)采用噴霧干燥工藝進行造粒而得到造粒粉，然后采用干壓法于IOOMpa壓力下壓制成型獲得坯體；將成型后的坯體在85°C溫度下干燥0. 5h ；d)在坩堝中使用過120目篩的炭黑填埋坯體，加蓋坩堝蓋，在1600°C溫度下保溫 20min，隨爐冷卻后取出，得到碳化硅復合陶瓷。本實施例獲得的碳化硅復合陶瓷其密度為2. Olg/cm3、氣孔率為13. 7%、抗折強度為 92. 7MPa，熱導率為 8. 65w/m · k。實施例六1、本實施例碳化硅復合陶瓷，按重量百分比其原料組成為光伏硅切割固體廢料75%、碳化硅25%。
2、本實施例碳化硅復合陶瓷的制造方法如下a)將上述原料組成混合進行配料；b)將配料和水按重量比配料水=2 1置于球磨機中進行混料球磨；c)采用噴霧干燥工藝進行造粒而得到造粒粉，然后采用干壓法于40Mpa壓力下壓制成型獲得坯體；將成型后的坯體在85°C溫度下干燥Ih ；d)在坩堝中使用過120目篩的炭黑填埋坯體，加蓋坩堝蓋，在1420°C溫度下保溫 50min，隨爐冷卻后取出，得到碳化硅復合陶瓷。本實施例獲得的碳化硅復合陶瓷其密度為2. 18g/cm3、氣孔率為12. 5%、抗折強度為 98. 5MPa，熱導率為 8. 96w/m · k。實施例七1、本實施例碳化硅復合陶瓷，按重量百分比其原料組成為光伏硅切割固體廢料100%。2、本實施例碳化硅復合陶瓷的制造方法如下a)以上述光伏硅切割固體廢料為配料；b)將配料和水按重量比配料水=2 1置于球磨機中進行混料球磨；c)采用噴霧干燥工藝進行造粒而得到造粒粉，然后采用干壓法于SOMpa壓力下壓制成型獲得坯體；將成型后的坯體在80°C溫度下干燥Ih ；d)在坩堝中使用過120目篩的炭黑填埋坯體，加蓋坩堝蓋，在1550°C溫度下保溫 30min，隨爐冷卻后取出，得到碳化硅復合陶瓷。本實施例獲得的碳化硅復合陶瓷其密度為2. 34g/cm3、氣孔率為5. 6%、抗折強度為 102. 8MPa，熱導率為 6. 42w/m · k。實施例八1、本實施例碳化硅復合陶瓷，按重量百分比其原料組成為光伏硅切割固體廢料100%。2、本實施例碳化硅復合陶瓷的制造方法如下a)以上述光伏硅切割固體廢料為配料；b)將配料和水按重量比配料水=2 1置于球磨機中，并加入為配料重量 1. 2%的酚醛樹脂一起進行混料球磨；c)采用噴霧干燥工藝進行造粒而得到造粒粉，然后采用干壓法于50Mpa壓力下壓制成型獲得坯體；將成型后的坯體在80°C溫度下干燥0. 5h ；d)在坩堝中使用過120目篩的炭黑填埋坯體，加蓋坩堝蓋，在1550°C溫度下保溫 30min，隨爐冷卻后取出，得到碳化硅復合陶瓷。本實施例獲得的碳化硅復合陶瓷其密度為2. 51g/cm3、氣孔率為4. 2%、抗折強度為 116. 5MPa，熱導率為 8. 93w/m · k。實施例九1、本實施例碳化硅復合陶瓷，按重量百分比其原料組成為光伏硅切割固體廢料95%、炭黑5%。2、本實施例碳化硅復合陶瓷的制造方法如下a)將上述原料組成混合進行配料；
b)將配料和水按重量比配料水=2 1，并加入為配料重量0. 8%的酚醛樹脂一起置于球磨機中進行混料球磨；c)采用噴霧干燥工藝進行造粒而得到造粒粉，然后采用干壓法于65Mpa壓力下壓制成型獲得坯體；將成型后的坯體在85°c溫度下干燥池；d)在坩堝中使用過120目篩的炭黑填埋坯體，加蓋坩堝蓋，在1500°C溫度下保溫 60min，隨爐冷卻后取出，得到碳化硅復合陶瓷。本實施例獲得的碳化硅復合陶瓷其密度為1. 89g/cm3、氣孔率為32%、抗折強度為 85. 2MPa，熱導率為 5. 86w/m · k。
權利要求
1.一種以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷，其特征在于按重量百分比含有以下組成光伏硅切割固體廢料40 100%、碳化硅0 60%、炭黑0 30%。
2.根據權利要求1所述的以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷，其特征在于按重量百分比含有以下組成光伏硅切割固體廢料70 90%、碳化硅10 30%;或含有以下組成光伏硅切割固體廢料90 95%、炭黑5 10%。
3.根據權利要求1所述的以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷，其特征在于按重量百分比含有以下組成光伏硅切割固體廢料40 90%、碳化硅5 50%、炭黑5 10%。
4.根據權利要求1所述的以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷，其特征在于所述光伏硅切割固體廢料按重量百分比含有碳化硅10 50%、硅粉40 88%、鐵及其氧化物0. 6 5%、氧化鋁0. 8 6%
5.根據權利要求1或2或3或4所述的以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷，其特征在于含有粘結劑，所述粘結劑按重量百分比為所述組成總量的0. 8 20%。
6.根據權利要求5所述的以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷，其特征在于所述粘結劑為酚醛樹脂。
7.權利要求1所述以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷的制造方法，其特征在于包括以下步驟a)將權利要求1所述組成混合進行配料；b)將所述配料和水按重量比配料水=3 1 1置于球磨機中進行混料球磨；c)造粒、壓制成型并干燥而獲得坯體；d)在坩堝中使用炭黑填埋所述坯體，然后在1400 1600°C溫度下保溫10 60min獲得碳化硅復合陶瓷。
8.根據權利要求7所述以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷的制造方法，其特征在于所述步驟b)中加入粘結劑進行混料球磨，所述粘結劑按重量百分比為所述配料的 0. 8 20%。
9.根據權利要求7所述以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷的制造方法，其特征在于所述步驟c)中成型壓力為20 120Mpa，干燥溫度為75 85°C，干燥時間為0. 5 2h。
10.根據權利要求7所述以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷的制造方法，其特征在于所述步驟d)中炭黑的粒度小于120目。
全文摘要
本發明公開了一種以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷，按重量百分比含有以下組成光伏硅切割固體廢料40～100％、碳化硅0～60％、炭黑0～30％。本發明還公開了一種以光伏硅切割廢料制備的碳化硅復合陶瓷的制造方法，原料混合均勻并經造粒和壓制成型后，采用炭黑包埋的方法于高溫下燒制而獲得碳化硅復合陶瓷。本發明實現了廢料的資源化利用，并從根本上解決了光伏硅切割廢料對環境所造成的污染，同時顯著降低了碳化硅復合陶瓷的生產成本，極大地提高了產品的競爭力，為光伏硅切割廢料提供了一條高附加值利用的有效途徑。
文檔編號C04B35/565GK102442826SQ20111029355
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者周健兒, 肖卓豪 申請人:景德鎮陶瓷學院