多线切割用砂浆悬浮机理研究.docx

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多线切割用砂浆悬浮机理研究

多线切割用砂浆悬浮机理研究（转）

多线切割过程中的碳化硅在油性悬浮液中的分散性，决定着硅片的质量及切割过程中的稳定性，通过对PEG分子结构和键能的研究，强极性键使整个PEG为高度极化分子，在极性键中最容易失去-OH中的H，和表面配位不足而产生极性电荷碳化硅进行结合。

碳化硅的等电点在PH=3.9附近，当砂浆的PH值在不同的范围，碳化硅表面的电荷类型和电荷密度不同，从而PEG对碳化硅的饱和吸附量将出现差别。

影响饱和吸附量的主要因素有：

PH值，PEG分子链的长短，碳化硅的比表面积。

影响碳化硅的ZETA电位的主要因素有，PH值，分散剂的类型和添加比例，固相体积分数的大小。

　　国际绿色能源工程的飞速发展和世界范围内的能源危机使国际市场上的硅光电源出现了历史性的发展。

随着国际硅光市场的飞速发展和科学技术的进步，对太阳能硅片的质量提出了越来越高的要求。

目前成本问题是制约太阳能光伏电池大规模应用的瓶颈，而硅片的成本约占整个制程成本的50%，在硅片加工成本中，砂浆成本占了50%以上，因而控制提高砂浆的悬浮性能，减少砂浆用量成为必然的发展趋势。

　　多线切割是利用并排的钢丝在运动过程中将切割用砂浆带入硅块切割缝隙中，通过砂浆中磨料的滚磨作用将硅块加工成硅片的过程。

在切片机，人员操作稳定的情况下，硅片加工的质量和切割过程中的稳定性主要取决于砂浆能力。

故本文将阐述碳化硅在PEG中的悬浮机理，通过工艺控制来获得最佳悬浮性能的砂浆，进而减少砂浆用量，降低硅片加工成本。

　　一、PEG理化性能

　　目前PEG仍是多线切割用砂浆的主流悬浮液。

在粘度指标上，以PEG200为最佳悬浮液。

　　PEG主要性能：

无毒、无刺激性，具有良好的水溶性，并与许多有机物组份有良好的相溶性。

具有优良的润滑性、保湿性、分散性、粘接剂、抗静电剂及柔软剂等。

多线切割中主要应用到其润滑性和分散性。

　　分子式:

HOCH2（CH2OCH2）nCH2OH在PEG200中，n=3，一般是4个分子的聚合.由环氧乙烷聚合而成。

　　1、PEG的粘度和温度关系

粘度是用来衡量液体流动性的指标，PEG的粘度会随温度的改变而变化，下面是国外某厂家生产的PEG的测试结果。

　　如图1-1所示，随着温度的升高，PEG200的粘度随之而降低，从20℃到30℃，粘度剧烈下降。

从30℃到50℃，粘度的变化则稍稍缓和。

切片温度一般都控制在20-30℃之间，而在这个区间内，粘度值在40-50mpa.s。

液体的粘度来自分子引力，温度升高，分子间的距离加大，分子引力减小，内摩擦减弱，粘度就降低，图1-1和图1-2都有相同的趋势。

如图1-2所示，温度较低时，升温和降温过程的粘度曲线并不重合，粘度并不完全弹性恢复。

这主要是由大分子的驰豫和热平衡破坏引起的。

　　0~50°C为悬浮液的最佳工作温度。

粘度太高，容易造成SIC颗粒与切屑的相互粘结，增大切割阻力和表面损伤。

粘度太小，携带SIC颗粒能力差，切割力小，切割效率低。

　　2、PEG的PH值和温度关系

　　PH值决定SIC表面电荷的类型和密度，对静电分散作用起决定性作用。

PEG的PH值会随温度变化而变化，下面是对国内某厂家的悬浮液，进行测试结果。

在PEG分子结构中，最活泼的为羟基中的氢，随着温度的上升，内能增加，分子布朗运动变得剧烈，从而非常容易失去羟基中的氢，使PH降低。

如图1-3所示，不论是升温度曲线还是降温曲线，随着温度升高，PH都有降低的趋势。

整个PEG呈弱碱性。

3、PEG分子结构中化学键分析

　　在PEG中存在的化学键有C-OH、O-H、C-O-C、C-H和C-C其中C-O,C-H,O-H为强极性键,整个PEG分子本身不带电,但是其是高度极化的原子团.在分子中的键能排列:

O-H

二、SIC的理化性能

SIC的原子排列结构有如类似金刚石的正四面体结构，具有非常高的稳定性。

碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。

目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。

碳化硅的硬度很大，具有优良的导热和导电性能，高温时能抗氧化。

因而成为优良的多线切割用磨料。

　　用于多线切割用的SIC,一般粒径在9-12左右，颗粒形状为不规则多边形，棱角多，具有高的比表面积,具有大量的表面配位不足原子.

　　三、PEG与SIC之间的相互作用

　　1、空间位阻作用

SIC与非电解质PEG之间的吸附作用力有,氢键,VanderWaals力,偶极子的弱静电引力,其中以氢键吸附为主,见图3-1。

　　PEG吸附在SIC表面后,链的一端吸附在SIC表面,另一端伸向远处,并吸附另外的一颗SIC颗粒，形成空间位阻作用.从而达到分散SIC的目的。

　　如果砂浆里面混入了水分,水分子为强极性分子，H2O更容易和PEG之间形成氢键.在PEG量一定的情况下,如果键部分被H2O占据,那么SIC吸附的量就减小了,引起砂子悬浮能力不足而大量沉降，从而影响切割过程中的稳定性和硅片的质量。

因而如何防止水进入砂浆成为总多切片企业的关键控制点。

　　2、静电作用

　　SIC在有机单体溶液中,其Zeta电位取决于PH值,颗粒表面的不饱和键位既可以被正离子填充,也可以被负离子填充.一般在有机单体溶液中SIC的等电点在PH=3.9附近.当PH<3.9时,颗粒表面正电荷的密度大于负电荷,Zeta电位为正;当PH>3.9时,颗粒表面的负电荷密度大于正电荷,Zeta电位为负.

　　切片所用的砂浆，PH值一般控制在5-8，在此范围内，Zeta电位为负，SIC颗粒表面被负电荷填充，整个颗粒表现出负电荷，在负电荷的静电作用下，SIC颗粒之间形成静电排斥力。

这种静电排斥力会阻止颗粒之间的相互团聚，从而使颗粒之间相互分散开来。

　　静电作用的大小和颗粒表面的电荷密度有关，而决定颗粒表面的电荷密度的主要因素之一为PH值。

　　四、影响悬浮性能的主要因素

　　SIC的吸附性与被吸附物质的性质，固相与液相的性质有关。

其中，砂浆的PH值，PEG的浓度和分子量都对吸附性能有强烈的影响。

　　1、PEG的饱和吸附量

　　对于PEG200而言，饱和吸附量随着砂浆PH的升高而降低，PH越小，饱和吸附量越大。

SIC颗粒的表面存在三种主要基团，-SiOH2+，-SiOH和-SiO-，他们的浓度取决于PH值的大小。

Davis等研究表明，低PH值会增加固相和PEG形成氢健的几率，促进PEG在SIC表面上的吸附，从而增加饱和吸附量。

　　饱和吸附量和固相颗粒的大小和形状有关，颗粒越小，越不规则，其比表面积越大，提供给PEG吸附的空间越大。

因而颗粒越小，形状越不规则，其饱和吸附量越大。

所以使用1500号砂子的稳定性比1200号砂子的稳定性好。

　　2、SIC的Zeta电位

　　Zeta电位和PH有着非常重大的关系，研究表明当PH值小于等电点，Zeta电位的绝对值大小随着PH的升高而降低，当PH大于等电点时，Zeta电位的大小随着PH的增加而增加，而在PH大于等电点后的Zeta电位绝对值远比PH小于等电点大，在PH值呈碱性时，能获得较高的Zeta电位。

　　PEG中的添加剂主要为分散剂，分散剂对Zeta电位有着非常中大的影响，分散剂在分子链上带有很多可离解的基团，离解后带有大量电荷，周围会吸附大量带有相反电荷的小离子，颗粒有效半径变大，增加了颗粒间的斥力，同时离解出来的小离子使分散介质的离子强度发生改变，从而改变了双电层的厚度，增强了双电层的稳定性。

适量的分散剂能大幅度提高Zeta电位，过量的加入分散剂，浆料粘度变化不大，这是由于粒子表面电荷达到饱和所致。

但分散剂用量过大，过剩的分散剂分子相互桥连形成网络结构，限制粒子间的运动，使流变性变差。

　　五、结论

　　PEG的粘度会随温度的升高而降低，适合多线切割的粘度所要求的温度在20-30℃；PEG的PH也会随温度的变化而变化，温度升高，PH会下降。

适合多线切割的SIC粒径在9-12μm，颗粒为不规则多边形，棱角多，且应具有高的比表面积。

　　砂浆悬浮作用是空间位阻作用和静电作用双重作用的结果。

空间位阻作用是靠PEG和SIC上的表面配位不足原子之间形成氢键。

水进入砂浆会严重影响空间位阻作用。

静电作用是SIC之间带有相同电荷的相互排斥作用，作用的大小取决于表面的电荷密度。

　　饱和吸附量主要取决于PH和固相颗粒的大小，低PH值会增加固相和PEG形成氢健的几率，促进PEG在SIC表面上的吸附，从而增加饱和吸附量。

固相颗粒越小，其比表面积越大，饱和吸附量也越大。

　　Zeta电位的大小主要取决于PH值和分散剂的添加比例，PH越大，Zeta电位的绝对值越大。

添加合适比例分散剂会大幅度提高Zeta电位。