CN104150911B

CN104150911B - 一种微波辅助低温快速合成纳米氮化硅-碳化硅复合粉体的方法

Info

Publication number: CN104150911B
Application number: CN201410333474.8A
Authority: CN
Inventors: 刘银; 朱金波; 朱宏政; 汪桂杰
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-07-14
Also published as: CN104150911A

Abstract

本发明公开了一种微波辅助低温快速合成纳米Si₃N₄/SiC复合粉体的方法，本方法中的硅源粉体包括以下重量百分比的组分：硅粉45～35％、SiC微粉30～25％、聚乙二醇28～20％、水4～3％、其它杂质4～2％；制备时将粒径D₅₀为1～1.5μm的硅源粉体和还原剂混合后湿球磨，干燥后过100目筛得到混合料；将混合料置于微波反应炉中在氮气气氛中于1180～1280℃微波辅助固相合成20～30分钟，冷却后即得纳米Si₃N₄/SiC复合粉体。本发明可以实现光伏晶体硅加工废砂浆滤饼资源化综合利用，同时微波辅助固相合成工艺简单，升温速度快，合成温度低，保温时间短，可有效降低生产成本和能源消耗。

Description

一种微波辅助低温快速合成纳米氮化硅-碳化硅复合粉体的方法

技术领域

本发明涉及一种用光伏晶体硅加工废砂浆滤饼为原料、微波辅助低温快速合成纳米Si₃N₄/SiC复合粉体的方法。

背景技术

太阳能是一种可利用的、无穷无尽且无污染的能源，是有效解决当前日益严重的能源危机的途径之一，因此晶体硅太阳能光伏电池成为近年来发展最快的产业。在晶体硅太阳能光伏产业链中，硅片切割是光伏电池生产中一个十分重要的工序。硅片切割工序中将产生大量由硅粉(65～25％)、SiC微粉(15～32％)、聚乙二醇(10～42％)、铁(10～1％)等微粒组成的废砂浆。实际生产中，硅片生产厂家一般先将废砂浆进行简单地离心或沉降分离，液体部分返回工序再次使用，其它难以分离的部分通过压滤得到滤饼，作为垃圾废弃掉或简单加以回收利用。目前，光伏晶体硅加工废砂浆的处理技术只能回收其中部分聚乙二醇和SiC微粉，而具有极高利用价值的硅粉则由于粒度小(＜2μm)、密度轻未能充分回收利用，造成了严重的资源浪费。

发明内容

本发明是针对光伏晶体硅加工废砂浆滤饼的组成与利用现状，提供一种采用光伏晶体硅加工废砂浆滤饼为原料、微波辅助低温快速制备纳米Si₃N₄/SiC复合粉体的方法。本发明所要解决的技术问题是充分利用光伏晶体硅加工废砂浆滤饼中高附加值硅源，降低Si₃N₄粉体合成温度、缩短合成时间，使制备过程易于工业化生产，同时改善纳米Si₃N₄/SiC复合粉体性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微波辅助低温快速合成纳米氮化硅-碳化硅复合粉体的方法，本方法中的硅源粉体包括以下重量百分比的组分：硅粉45～35％、SiC微粉30～25％、聚乙二醇28～20％、水4～3％、其它杂质4～2％；硅源粉体粒径D₅₀：1～1.5μm，制备过程如下：

先称取硅源粉体和还原剂，所述还原剂占硅源粉体和还原剂总质量的百分比为20～40％；然后将硅源粉体和还原剂混合后湿球磨，干燥后过100目筛得到混合料；将所述混合料置于微波反应炉中在氮气气氛中于1180～1280℃微波辅助固相合成20～30分钟，冷却后即得纳米Si₃N₄/SiC复合粉体。

所述硅源粉体来自于光伏晶体硅加工废砂浆滤饼。

所述还原剂为含炭类的焦炭。

所述湿球磨时的溶剂为去离子水和/或无水乙醇，湿球磨时间8～12小时，球磨介质和粉末分离后，将粉末置于真空烘箱中，在70～100℃下烘干，干燥后过100目筛得到混合料。

微波辅助固相合成中微波频率为2.45GHz，合成温度为1180～1280℃，微波辅助固相合成中升温速率为20～40℃/min；

微波辅助固相合成中，氮气纯度≥99.5％，氮气流量为1～2L/min。

本发明的有益效果如下：

1)、本方法采用了微波辅助固相合成技术，微波辅助固相合成是一种具有高能效比的技术，因为其较快的加热速度和独特的加热机理，有利于低温下促进材料的成核与生长速度，获得性能优异的粉体。

本发明中，由于干燥之后的混合料中含有具有优良电磁吸收性能的SiC原料，因此可以显著改善传统Si₃N₄粉体合成过程中温度高，粉体成核不均，相不纯等问题，从而低温快速合成高性能Si₃N₄/SiC复合粉体。

2)、与传统高温反应合成Si₃N₄/SiC复合粉体的制备工艺和技术相比，采用本发明中的方法合成Si₃N₄/SiC复合粉体具有硅源来源广、成本低、工艺简单的优点，且本方法有效地降低了合成温度，缩短了生产周期，降低了生产成本和能源消耗，提高了生产效率，适于规模化生产。同时，微波辅助低温快速合成所制得的Si₃N₄/SiC复合粉体的颗粒细小、组分均匀，烧结活性高，具有优异的性能。

附图说明

图1为实施例1制备纳米Si₃N₄/SiC复合粉体的X射线衍射图谱。

图2为实施例1制备纳米Si₃N₄/SiC复合粉体的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明，但是实施例不会构成对本发明的限制。本发明技术方案中所列举到光伏晶体硅加工废砂浆滤饼与含炭类还原剂都能实现本发明，在此仅以江苏某光伏晶体硅加工废砂浆滤饼和还原剂焦炭为例对本发明做详细阐述。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

采用江苏某光伏晶体硅加工废砂浆滤饼为原料提供硅源。

分别称取光伏晶体硅加工废砂浆滤饼7g和还原剂3g，将滤饼和还原剂装入树脂球磨罐中，以去离子水为助剂，湿球磨8小时，球料比为6:1，将球磨得到浆料经真空干燥后过100目筛得粉末状混合料。将球磨混合料装入氧化铝陶瓷坩埚，然后置于微波烧结炉中以20℃/min的升温速率升温至1240℃，在氮气气氛中保温30min，微波频率为2.45GHz，冷却后即得纳米Si₃N₄/SiC复合粉体。

从图1可以看出：制备得到纳米Si₃N₄/SiC复合粉体的XRD特征图谱与标准Si₃N₄特征图谱(JCPDS41-360)一致，说明合成得到粉体为纯的纳米Si₃N₄/SiC复合粉体。由图2样品的扫描电镜照片可知，纳米Si₃N₄/SiC复合粉体颗粒细小均匀，尺寸约为100nm。

实施例2：

采用江苏某光伏晶体硅加工废砂浆滤饼为原料提供硅源。

分别称取光伏晶体硅加工废砂浆滤饼8g和还原剂2g。将滤饼和还原剂装入树脂球磨罐中，以无水乙醇为助剂，湿球磨8小时，球料比为6：1，将球磨得到的浆料经干燥后过100目筛得混合料。将球磨混合料装入氧化铝陶瓷坩埚，然后置于微波烧结炉中以20℃/min的升温速率升温至1210℃，在氮气气氛中保温30min，微波频率为2.45GHz，冷却后即得纳米Si₃N₄/SiC复合粉体。

Claims

1.一种微波辅助低温快速合成纳米氮化硅-碳化硅复合粉体的方法，本方法中的硅源粉体包括以下重量百分比的组分：硅粉45～35％、SiC微粉30～25％、聚乙二醇28～20％、水4～3％、其它杂质4～2％；硅源粉体粒径D₅₀：1～1.5μm，制备过程如下：

先称取硅源粉体和还原剂，所述还原剂占硅源粉体和还原剂总质量的百分比为20～40％；然后将硅源粉体和还原剂混合后湿球磨，干燥后过100目筛得到混合料；将所述混合料置于微波反应炉中在氮气气氛中于1180～1280℃微波辅助固相合成20～30分钟，冷却后即得纳米Si₃N₄/SiC复合粉体；

所述还原剂为焦炭；

所述硅源粉体来自于光伏晶体硅加工废砂浆滤饼。

2.根据权利要求1所述的微波辅助低温快速合成纳米氮化硅-碳化硅复合粉体的方法，其特征在于：所述湿球磨时的溶剂为去离子水和/或无水乙醇，湿球磨时间8～12小时，球磨介质和粉末分离后，将粉末置于真空烘箱中，在70～100℃下烘干，干燥后过100目筛得到混合料。

3.根据权利要求1所述的微波辅助低温快速合成纳米氮化硅-碳化硅复合粉体的方法，其特征在于：微波辅助固相合成中微波频率为2.45GHz，合成温度为1180～1280℃，微波辅助固相合成中升温速率为20～40℃/min。

4.根据权利要求1或3所述的微波辅助低温快速合成纳米氮化硅-碳化硅复合粉体的方法，其特征在于：微波辅助固相合成中，氮气纯度≥99.5％，氮气流量为1～2L/min。