氮化硅结合碳化硅材料研究.doc

毕业设计报告（论文） (2013届) 题 目： 空气气氛下用硅切割废砂浆制备碳化结合氮化硅材料的研究（三） 所 属 系：材 料 工 程 技 术 系 班 级：材 料1021 学 生 姓 名：华 光 祖 学 号：2010631217 同 组 成 员：任 建 军 吴 曼 曼 指 导 教 师：孙 媛 媛 摘要 目前，在太阳能光伏产业和电子半导体产业中，随着硅晶片生产企业对切削液、晶硅片切割磨料需求的增加，切割过程中产生大量废砂浆无法进行及时有效的处理。长期以来，大部分废砂浆都被堆放和掩埋处置，这样不仅浪费资源，而且污染环境。目前，由于分离Si粉的技术不成熟且成本高，较多的研究是将线切割废料中的SiC微粉和金属Si回收，此方法只回收利用了其中的碳化硅而其它杂质成分则作为混凝土的外加剂，产生的附加值不高，且会造成二次污染。 本论文在对光伏企业硅切割废砂浆综合分析的基础上，添加适量的碳化硅、氮化硅、Al2O3粉，在高温空气气氛下烧结制备Si3N4结合SiC陶瓷材料，主要研究稀土氧化物（Y2O3）和废砂浆中的Fe元素对材料性能的影响，结果表明：稀土氧化物（Y2O3）添加量为1.5g最为适宜，使得制品的常温抗弯强度有显著提高。同时，掺入稀土氧化物起活性催化作用，使反应变得比较容易进行。Fe对Si3N4向SiC转化具有明显的促进作用，最终形成SiC 新相中弥散着铁粒子的复相结构，但随着废砂浆掺量的增加，除铁后的作用效果更加明显，抗弯强度相对提高，这样不仅提高生产的附加值，还可以减少污染。 关键词：Si3N4结合SiC陶瓷材料 空气反应烧结 稀土氧化物 Fe含量 目录 摘要 I 第一章 绪论 1 1.1实验研究背景 1 1.1.1硅切割废砂浆 1 1.1.2 Si3N4结合SiC陶瓷材料 2 1.2 实验目的和意义 2 1.3 实验内容 3 4 2.1实验原料 4 2. 实验设备 4 2.3实验工艺流程 4 2.3.1 混料、球磨 5 2.3.2 干燥、造粒、困料 5 2.3.3成型 5 2.3.4 烧结 6 2.4实验测试方法 7 2.4.1抗折测试 7 2.4.2气孔率及体积密度测试 7 8 3.1 Fe含量的影响 8 3.2 稀土氧化物的影响 11 15 参考文献 16 致谢信 17 第一章绪论 1.1实验研究背景 1.1.1硅切割废砂浆 21 世纪以来，随着石油、煤炭等不可再生能源、资源的不断开采和消耗，日益严峻的能源短缺问题摆在人们面前[1]；而太阳能作为绿色、环保、无污染的清洁能源，可以减轻燃烧石化燃料而造成的环境污染[2]。光电材料技术和太阳能光伏产业在全球得到迅速发展[3]，而硅单质作为重要的光电材料、半导体材料，其战略资源的地位日益明显，其全球需求量亦不断增大。但是在光电、半导体产业中，需要将单质硅体切割成符合要求的硅片，这就产生了大量的硅切割废砂浆。 线切割废砂浆是在硅晶片材的加工过程中对高纯度的单晶硅和多晶硅棒进行线切割过程中产生的一种废料，主要来自集成电路用基板、太阳能电池基板、电子芯片、精密半导体芯片的薄片状产品的多线切割过程中[4]。线切割废砂浆主要成分包括SiC、PEG、Si和Fe等。其中SiC、PEG和Si都是重要的工业原料，均属于不可再生资源。生产SiC原料过程中要消耗巨大能源，国家现已对此新工业项目进行限制。PEG 的原料是石油中提炼出来的，再聚合而成，其分子结构稳定，不易分解，极易溶于水，化学耗氧量高，生物耗氧量低，在自然界中不易降解，如不经过特殊处理，流入自然环境中会造成环境污染。 光伏产业的高速发展带动了上游原材料多晶硅需求量的显著增长。从我国海关总署得到的进口数据表明，2008年，我国太阳能多晶硅总产量为4000多t，进口量超过20000t；2009年国内产量为19000t，进口量为20100t；2010年国内产量25000t左右，预计进口量将超过25000t。根据中国工程院咨询项目组专家调研的结果预计，2010年，世界太阳能发电约占世界总能源的0.1%，这意味着太阳能级晶体硅需求量达到12万t；到2030年，世界太阳能发电占世界总能源的比例将达到约10%，太阳能级晶体硅需求量将达到1300万t；2050年，世界太阳能发电占世界总能源的比例将达到约20%，太阳能级晶体硅将突破2600万t。由此可以看出，随着光伏产业跳跃式的发展，全球需要切割的晶体硅总量将出现跳跃式增长，切割过程中产生的切割废砂浆量也将逐年增