利用多晶硅、单晶硅切割废料制备氮化硅/碳化硅的方法

摘要

本发明涉及一种利用多晶硅或单晶硅切割肥料制备氮化硅/碳化硅复合陶瓷的方法。该方法利用多晶硅或单晶硅切割废料为原料，添加氧化物、Fe粉等的一种或几种，通过高温自蔓延方法制备具有多孔结构的氮化硅/碳化硅复合陶瓷。该发明可以以低廉的成本来处理多晶硅、单晶硅的切割废料。

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及多晶硅、单晶硅切割废料处理，制备复合陶瓷的方法。

技术背景

太阳能产业的发展使得多晶硅和单晶硅的产量逐年提高，在晶片加工过程中需要用碳化硅作为磨料，产生的切割砂浆废液通过固液分离技术得到固态碳化硅/硅混合物废料和液态聚乙二醇/水。聚乙二醇的回收已经有工业化应用的方法。由于碳化硅和硅存在较为相近的物理及化学性能，分离较为困难，一般只能作为废料。 

一种思路是从废料中提取高纯硅。从废料中提取高纯硅主要的方法有高温处理法、电场分离法、离心分离法、定向凝固法等，但这些方法的缺点是成本太高或利用率太低，目前仍难以实现工业化应用。 

近年来一种新的思路是直接以废料为原料来合成陶瓷粉体或者形成复相陶瓷，虽然这些产品与高纯硅相比附加值相对较低，但处理过程所需成本也低，更容易实现工业化。

本发明以单晶硅或多晶硅切割废料为主要原料，通过添加硅粉和氮化硅生长助剂，反应过程依靠自身放热维持，可以大幅度降低处理费用。

发明内容

基于多晶硅、单晶硅切割废料分离困难，后处理成本高的现状，本发明提出一种成本较低的利用多晶硅、单晶硅切割废料为原料，制备氮化硅/碳化硅复合陶瓷材料的方法。

经过大量的实验研究，本专利发明人发现在切割废料中添加一定量的硅粉，在1-10MPa氮气压力下，经自蔓延反应，可以形成氮化硅/碳化硅复合陶瓷材料。通过添加一定的氮化硅生长促进剂，可以有效控制氮化硅的显微形貌，调节产物材料的气孔分布等性能。

此发明的氮化硅/碳化硅材料的气孔分布、显微形貌，不仅与硅废料与硅粉、促进剂的比例有关，还与反应的氮气压力有关，本发明的实现就是基于以上这些发现。

具体方案如下：

一种利用多晶硅、单晶硅切割废料制备氮化硅/碳化硅的方法，利用多晶硅或单晶硅切割产生的废料为主要原料，添加多晶硅粉末，再添加氮化硅生长促进剂，经球磨、干燥后，在自蔓延反应炉中，在氮气气氛中点燃，生成氮化硅/碳化硅。

所述的单晶硅或多晶硅废料的主要成分为硅、二氧化硅和碳化硅。

所述的添加的多晶硅粉末的质量为硅废料的30wt%-200wt%。

所述的球磨时间为1-100小时。

所述的氮气气氛压力为1MPa-10MPa。

氮化硅生长促进剂为氧化铝、氧化镁、氧化镧、氧化铈、氮化硅镁、铁粉等的一种或几种。氮化硅生长促进剂的含量为硅废料的1wt%-20wt%。

制备此复合陶瓷材料的各种原料与经过球磨混合过程，球磨的时间为1-100小时，球磨介质为无水乙醇，磨球为氮化硅球。需要经过自蔓延过程，制备此多晶铁基形状记忆合金需要通过熔炼，热加工（热轧等），冷加工（冷轧等），固溶处理，时效处理等工序得到。由于铁基形状记忆合金具有良好的可加工性，其可以较容易的通过冷加工，切割等方法加工成需要的形状。

该发明的复合陶瓷材料中，氮化硅为棒状或片状。通过添加不同的氮化硅生长促进剂，可以调节氮化硅的长径比，并影响产物的气孔分布和力学性能。

与现有的硅废料处理方法相比，本发明除了点燃时需要很小的能量外，反应过程靠反应本身发生的热量维持，不需要额外的能源，因此成本低廉。

附图说明

图1 氮化硅和碳化硅复合陶瓷xrd结果。

图2 氮化硅和碳化硅复合陶瓷SEM结果。

图3  β-氮化硅和碳化硅复合陶瓷xrd结果。

图4 β-氮化硅和碳化硅复合陶瓷SEM结果。

图5 β-氮化硅和碳化硅复合陶瓷气孔直径分布图。

具体实施方式

实施例1

取多晶硅、单晶硅切割废料及硅粉为原料。复合陶瓷制备所用的原料配比如表1（质量百分比，wt.%）。

表1反应原料配比

成分硅废料硅粉含量/wt.%4060

反应原料在球磨罐中，以无水乙醇为介质，氮化硅球为磨球，球磨24小时。

将球磨好的原料在80摄氏度干燥2小时。

将干燥后的原料过60目筛。

将过筛后的原料放在自蔓延反应炉的反应器中。

自蔓延炉中充入7MPa氮气。

反应原料用钨丝线圈通电后点燃，生成氮化硅/碳化硅复合陶瓷材料。

制备好的复合陶瓷中主要成分为氮化硅和碳化硅，具体xrd结果见图1，氮化硅为长柱状，长径比为3-6，具体SEM结果见图2。  

实施例2

取多晶硅、单晶硅切割废料、硅粉、氧化铝为原料。复合陶瓷制备所用的原料配比如表2（质量百分比，wt.%）。

表2反应原料配比

成分硅废料硅粉氧化铝含量/wt.%47.647.64.8

反应原料在球磨罐中，以无水乙醇为介质，氮化硅球为磨球，球磨24小时。

将球磨好的原料在80摄氏度干燥2小时。

将干燥后的原料过60目筛。

将过筛后的原料放在自蔓延反应炉的反应器中。

自蔓延炉中充入7MPa氮气。

反应原料用钨丝线圈通电后点燃，生成氮化硅/碳化硅复合陶瓷材料。

制备好的复合陶瓷中主要成分为β-氮化硅和碳化硅，具体xrd结果见图3，氮化硅为长柱状，长径比为5-8，具体SEM结果见图4，气孔直径分布图见图5。