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摘要：本文主要从砂浆线切割原理、张力控制系统、砂浆性能和回收再利用等方面进行了阐述，指出了研究的不足，以期推进砂浆线切割技术的研究和发展，指导实际生产。 引言 目前，太阳能光伏电池的主要材料为硅基材料，硅基光伏电池占世界光伏电池的85％以上。晶体硅片作为太阳能光伏产业的前端产品，在整个光伏产业链占据重要地位。多线切割分为砂浆线切割和金刚石线切割两种，前者是目前硅片生产的主要方式，其利用碳化硅（SiC）和切削液（PEG）搅拌混合而成的砂浆，在钢线和硅棒的压力下，使硅棒表面产生塑性变形和裂纹，形成切割[1]。随着光伏产业的发展，对硅片质量要求更高，对线切割的研究必将越来越深入。 本文主要从砂浆线切割的模型和原理，张力控制系统类型和发展方向，影响砂浆中性能的因素，及控制措施；砂浆回收再利用等方面进行了阐述，以期推进砂浆线切割技术的深入研究，指导实际生产。 1切割机理研究 在砂浆线切割硅棒过程中，碳化硅颗粒在硅棒和钢线之间进行“滚动-压痕”作用，实现材料的去除[2]。舒继千等[3]对切割机理进行了详细阐述，包括单颗粒滚动-压痕模型、多颗粒压痕效应模型及弹性-流体效应模型。将瑜等人[4]对单颗粒模型的切割力进行模拟计算，见图1。由图得出法向切割力N的计算公式 （1）式中：ε为最大切割深度；a为接触长度；υ为泊松比；E为杨氏弹性模量；ζ=z/a，ρ=r/a；μ为摩擦系数，其它都是常数。 (2) (3) 切向切割力可以通过法相切割力计算到： (4)式中：β=cosθ无量纲系数。 图1单颗粒碳化硅受力示意图 同时，利用有限元软件模拟不同切割线速和进给对应力和应变的影响，得出切割进给与切割区最大应力和最大应变均是反比关系；切割线速与切割区最大应力和最大应变均是正比关系。 2张力控制系统研究 目前有重锤张力控制系统（如图2），弹簧+旋转编码器控制系统，汽缸+旋转编码器控制系统和伺服力矩控制系统（如图3）四种，第四种是使用最为广泛的机电张力控制模式。 张义兵等[5]对伺服电动机张力控制系统进行了研究，并得出其张力计算公式为 (5) F为切割线张力；为轴承摩擦作用力；g为重力加速度；张力摆杆长为L0；角速度为ω；质量为m’；张力摆杆与电动机转子的等效转动惯量为I；摆杆重心距张力电动机轴心距离为L；张力电动机施加的转矩为M。 改进后张力控制系统，张力波动量更小，控制精度更高，断线故障率更低。 钱宏峰等[6]用有限元对切割区的受力和系统振动进行分析，得出较高的切割效率和切割质量，必须设置较大的初始张力。同时，为了减少对系统固有特性的影响，必须控制好张力的波动量。 目前关于张力控制技术的研究主要是智能技术的应用，多种智能技术的结合使用(如网络控制和模糊控制结合为模糊网络控制)在未来将会是一种新的尝试和突破[7]。 图2重锤张力控制系统示意图 图3伺服力矩控制系统 3砂浆研究 砂浆由碳化硅和切削液搅拌混合而成，其直接影响切割性能和硅片质量。 3.1切削液（PEG） 线切割用切削液具有重要作用，兼具切削、粘滞、冷却三大功能，可以有效提高硅片质量和生产效率。因切削液功能受粘度影响，而温度又直接影响其粘度，因此，通过控制温度来控制切削液的粘度，而且要适宜[8]。因切削液状态变化需要时间，所以其升和降温曲线呈非线性。0-25℃时，粘度随温度降低迅速增大；25℃-100℃时，粘度随温度升高的变化缓慢，见图5。 试验15℃、25℃和35℃三种温度下切割液（砂浆）对切片质量的影响，结果为25℃的TTV，Warp，Bow都较温度偏高和偏低的切割质量好，其中温度较高时，TTV与Warp都较温度低时大，但Bow较温度低时好。切割时控制适宜的切削温度（25℃左右)，可以有效地控制晶片的几何参数[9]。此外，空间位阻和静电作用可以提高砂浆悬浮性，减少碳化硅沉淀，提高切割质量[10]。 图4改进前后张力下降百分比曲线图图5切削液的升温降温曲线 3.2碳化硅（SiC） 砂浆线切割中，分散的碳化硅颗粒自由滑动、滚动和冲击来进行微量切削，如图6。碳化硅形状可以近似圆锥、球，若其分布按等高、正态分布或均匀分布时，可推算出切削加工的单位体积为 （6） 式中：σs为屈服点(MPa)；A为接触面积