国产光伏用高纯石英砂、超细石英粉研磨技术升级
2023-09-16
国产光伏用高纯石英砂、超细石英粉研磨技术升级，威海圆环氮化硅陶瓷磨介环破题磨不细、混不均，提不纯行业痼疾.
高纯石英砂、超细石英粉作为重要的工业矿物原料，广泛用于集成电路、光纤、塑料、橡胶、涂料、玻璃、陶瓷、化工、塑料、橡胶、磨料、滤料、冶金铸造、防火材料等工业。
一、光伏用高纯石英砂、超细石英粉的技术要求
光伏用高纯石英砂、超细石英粉的外观应为具有一定透明度的白色颗粒且无异色；光伏用高纯石英砂的粒度粒径范围应在70-350μm内，且在该粒径范围的累积质量分数应大于或等于90%，粒径小于100μm或大于300μm的累积质量分数均应小于1%，一句话，粒度分布需要一致性和一定形体整形保证。
光伏用高纯石英砂、超细石英粉中二氧化硅含量应大于或等于99.99%，灼烧失量应小于或等于0.01%；光伏用高纯石英砂、超细石英粉的核心问题是杂质，杂质含量超标的光伏石英坩埚高温强度低，易发形，发形后的光伏石英坩埚在拉晶过程中随着埚位的上升，石英坩埚发形的凸出部分极有可能碰撞到寻流筒，轻则影响正常拉晶，严重时将无法拉晶，杂质含量过高，往往还会带来石英坩埚在本体上的析晶，光伏用高纯石英砂、超细石英粉中杂质元素总含量应小于或等于25μg/g，其中钾、锂、钠含量总和小于2.5μg/g，铁小于0.5μg/g，铝小于20μg/g，钙小于1μg/g等等，允许各种杂质元素含量见下表。
▲光伏用高纯石英砂各种杂质元素允许含量范围
二、国产高纯石英砂、超细石英粉行业痼疾—— “磨不细、混不均，分不散，提不纯”
当前，国产高纯石英砂、超细石英粉普遍存在“磨不细、混不均、分不散、提不纯”行业痼疾，在高品质超细石英粉、高纯石英砂为原料的高附加值石英产品生产中，原料严重依赖国外进口。例如，近年来由于新能源、太阳能、光伏、电池行业需求大爆发，拉制单晶硅的重要耗材——光伏石英坩埚的高纯石英砂原料价格也一路上涨，尤其是进口高纯石英砂因为原料垄断的局面，价格更是涨个不停，价格一骑绝尘远远甩开国产高纯石英砂，光伏用高纯石英坩埚价格因原料涨价也一路上行，目前一个石英坩埚的价格在1.2万元左右，大约是去年同期的3倍还多。
为了降低光伏用高纯石英坩埚生产成本，国内生产厂家通常在制备高纯石英坩埚时，一般采用价格昂贵的，进口美国尤妮明公司高纯石英砂或挪威高纯石英砂作为制备高纯石英坩埚内层原料，使用相对经济的国产高纯石英砂作为石英坩埚外层原料，这样既能降低一部分光伏用高纯石英坩埚生产成本，也能满足拉制单晶硅的工艺性能需求，实属无奈之举。
三、氮化硅磨介环是研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉的不二选择
如何提高国产高纯石英砂、超细石英粉产品质量，降低制备高纯石英砂、超细石英粉生产成本，国内生产厂家各显其能用尽了水淬法、化学法、球磨、酸洗、碱洗等一系列措施，结果绝大部分厂家生产的产品与国外同类产品质量还存在较大差距。这里除了高纯石英砂、超细石英粉的原料矿石品质除外，制备高纯石英砂、超细石英粉的设备、技术、工艺、甚至理念与国外同行相比也存在着较大差距。
例如，全球领先的高科技工业陶瓷研发和制造商美国赛瑞丹公司(3M的全资子公司) ，主要生产光伏多晶硅铸锭用陶瓷坩埚、精密铸造用熔融石英粉、碳化硅陶瓷部件、氮化硼复合陶瓷等产品。其生产制造熔融石英坩埚的高纯石英粉体就是用氮化硅陶瓷磨介环研磨的。美国赛瑞丹公司在造价约30-40万人民币的罐体为2.8mX8m的连续球磨机里，投入近总价值4000多万人民币约40吨氮化硅陶瓷磨介环，来研磨混料制备光伏石英坩埚所需高纯石英砂、超细石英粉原料。如此高价值的研磨磨介作为生产消耗资料投入，在国内高纯石英砂、超细石英粉制备行业生产厂家看来是不可想象的。
▲研磨光伏高纯石英砂、超细石英粉所用的氮化硅磨介环
氮化硅磨介环研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉的5种优势
氮化硅磨介环研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉的优势1、氮化硅陶瓷磨介环硬度高、磨耗低可大幅提升高纯石英砂、超细石英粉粉体产品的纯度、质量和附加值。 氮化硅磨介环维氏硬度14-18Gpa，硬度仅次于金刚石和立方氮化硼；在维氏硬度、弹性模量、抗压强度、断裂模量、热膨胀系数、比热、使用上限温度、抗冲击能力等研磨介质的维度参数上，氮化硅磨介都全面优于常用的氧化锆、玛瑙等磨介。
氮化硅磨介环24小时的磨耗只有百万分之一，氮化硅磨介环因研磨消耗非常低，降低了研磨介质的磨损及对研磨材料的污染，有利于获取更高纯度的超细粉体。
例如，当前我国在研磨锂电池隔膜用的高纯氧化铝粉体时，常用的是氧化锆珠来研磨，研磨一吨的氧化铝粉体，磨耗大约五至六公斤左右的氧化锆磨介，损耗的氧化锆磨介粉末以杂质混合在氧化铝粉体中，导致原先纯度为99.99的氧化铝粉的纯度会降到99.47。虽然说杂质氧化锆磨介粉末对锂电池隔膜的危害性不是特别大，但是也给氧化铝粉体提纯带来难度，这也是我国造出来的锂电池，与日本制造的锂电池性能相差较大的原因之一。有试验表明，氮化硅作为研磨介质24小时的磨耗只有万分之一，氮化硅磨介作为替代氧化锆磨介作为研磨介质可大幅提升高附加值粉体和高科技粉体产品纯度、质量和成本，有望为我国科技产品质量升级迭代提供新路径。
氮化硅磨介环研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉的优势2、氮化硅磨介环使用寿命长，经济性好，性价比高。氮化硅磨介环因为硬度高，硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，其研磨效率高，降低了高纯石英砂、超细石英粉的生产成本。氮化硅磨介环24小时的磨耗只有百万分之一，氮化硅磨介环因磨耗低导致其使用寿命长，尽管氮化硅磨介环价格不低，但是相对氮化硅磨介环近20年正常使用工作时间来讲，还算是非常非常物美价廉。
▲十年研磨工作的氮化硅研磨球柱结合体、氮化硅陶瓷磨介环使用状态对比
在威海圆环先进陶瓷股份有限公司展厅，可以看到连续工作近十年的氮化硅研磨球柱结合体、氮化硅陶瓷磨介环2种氮化硅陶瓷磨介，将2个氮化硅研磨球柱结合体、氮化硅研磨圈与未工作的磨介对比（如上图），可以发现工作近十年的氮化硅研磨球柱结合体、氮化硅陶瓷磨介环除了表明变得光滑一些，还有棱角没那么分明以外，氮化硅研磨球柱结合体、氮化硅陶瓷磨介环的大小并没有太大明显的变化。氮化硅陶瓷磨介环虽然生产制造成本高一些，但是从氮化硅陶瓷磨介环近20年全寿命周期生产使用成本优势来计算，氮化硅陶瓷磨介环的经济性也是具有相当的优势。
氮化硅磨介环研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉的优势3、氮化硅磨介环相对氮化硅磨介球、氮化硅磨介柱等同质研磨介质，氮化硅磨介环可以让高纯石英砂、超细石英粉研磨得更细、混得更匀、分得散、少团聚，形体更整齐，效率更高。
氮化硅陶瓷磨介环相对氮化硅陶瓷磨介球，氮化硅陶瓷磨介球研磨粉体是点切割，氮化硅陶瓷磨介环研磨粉体是线切割，氮化硅陶瓷磨介环研磨粉体效率更高。
氮化硅陶瓷磨介环相对氮化硅陶瓷磨介柱，它们研磨的适用对象不同，氮化硅陶瓷磨介环在浓度较高或者干法研磨有优势，氮化硅陶瓷磨介柱湿法研磨有优势，因为干法研磨环境中，与研磨柱等不同，研磨环由于研磨环存在内、外气压差，就可以在密闭的真空或者很浓密的场景中快速的上下运动，研磨和混料效率更高，让高纯石英砂、超细石英粉少团聚、分得散、混得更匀。
氮化硅磨介环研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉的优势4、氮化硅陶瓷磨介环在球磨机干法研磨相对于气流磨粉体研磨具有对高纯石英砂、超细石英粉混料和整形优势。
气流磨属于将软团聚的粉体击碎，重点在于对粉体的粉碎和破碎。而氮化硅磨介环在大的球磨机里不仅起到研磨粉碎的作用，重点是众多的氮化硅陶瓷磨介环在大的球磨机中研磨时，会出现共振现象，氮化硅陶瓷磨介环自动排列成一条条绳状，研磨节奏感强，众多氮化硅陶瓷磨介环绳之间互相鞭打，研磨和混料效果好；由于有节奏的绳状鞭打现象，在线接触切割的击打下，研磨的粉体之间的粒径差均匀，研磨粒径范围分布更窄；氮化硅磨介环研磨高纯石英砂、超细石英粉除了混料更均匀，更重要的是对粉粒本身的整形功能，以确保被研磨粉体外形的一致性和产品质量的一致性。
氮化硅磨介环研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉的优势5、氮化硅磨介环磨耗对光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉效能无影响，即高纯石英砂中氮化硅杂质对光伏石英坩埚拉制单晶硅的影响可以忽略不计。
对于高纯度粉体来讲，研磨所消耗在粉体中任何磨介都是杂质。但是，氮化硅磨介环磨耗对光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉效能无影响。氮在硅晶体中不是一种重要杂质，由于氮氧复合体是浅能级，且氮的固溶度很低，氮化硅是强共价化合物，化学性能稳定，耐高温性能及致密性好；氮化硅自扩散系数低，抗杂质扩散能力强；氮化硅具有良好的抗腐蚀、抗氧化、耐摩擦、自润滑等性能；氮化硅不与熔融硅Si发生反应，与Si硅熔液不粘连，具有优异的抗侵蚀性和可脱离性。目前有部分拉制单晶硅的厂家，使用的是向拉制单晶硅石英坩埚内壁涂一层高纯氮化硅粉制成的浆料工艺，高纯氮化硅粉浆料的涂层工艺其作用一是便于成品脱膜；二是提高制成品的透明度和色泽的一致性。
又例如，氮化硅磨介环磨耗对制备光纤所需原料高纯石英砂、超细石英粉效能也无影响，光学玻璃的烧结温度大于1500度，在空气气氛里，氮化硅高温分解后再氧化，又是氧化硅，而光纤或光学玻璃的主要成分就是二氧化硅。所以从研磨介质磨耗杂质角度来看，氮化硅磨介环不仅是研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂的理想选择，还是研磨光纤所需原料高纯石英砂的理想选择。
▲十年研磨工作的高硬度、低磨耗、超长使用寿命的氮化硅陶瓷磨介环对比
四、威海圆环氮化硅陶瓷磨介环助力国产高纯度石英砂、超细石英粉提质增效
威海圆环先进陶瓷股份有限公司是一家专业从事Si₃N₄氮化硅微珠、氮化硅陶瓷球、氮化硅陶瓷磨介环、氮化硅陶瓷磨介球，氮化硅陶瓷磨介柱等各型体研磨介质，高热导率氮化硅陶瓷基板、可重复利用的高热导氮化硅陶瓷坩埚、氮化硅陶瓷结构件等系列氮化硅精密陶瓷材料的生产企业。
威海圆环研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉的氮化硅陶瓷研磨环适用范围：适合立式搅拌磨、立式（卧式）行星磨、卧式球磨机、震动磨和各种线速、V型混料机及各种应用研磨环进行分散、混合和粉体研磨设备，尤其适合对材料有严格要求的浆料和粉料作湿法、干法的超细分散及研磨。
威海圆环氮化硅磨介环在浓度较高或者干法研磨有优势，除了研磨光伏石英坩埚所需原料高纯石英砂、超细石英粉较大的优势以外，在研磨高纯稀土粉、超细稀土粉、高纯石墨粉、超细石墨粉等高附加值工业粉体效果也非常理想，可以有效解决高附加值粉体“磨不细、混不均，分不散，提不纯”的行业痼疾。
2015年9月，威海圆环先进陶瓷股份有限公司开启了高导热氮化硅陶瓷基板技术研发自主创新之路，在研制高导热氮化硅陶瓷基板过程中，抓住细节，把握核心，不断发现和解决各类生产的难题，历时七年，威海圆环生产的0.32mmX139.7mmX190.5mm行业标准规格的高导热氮化硅陶瓷基板已经达到量产的水平，突破了西方先进国家在高导热氮化硅陶瓷基板的技术保护和应用产品对我国“卡脖子”难题。
2022年10月，威海圆环批量化生产性能完备的0.1～1mm规格的氮化硅陶瓷微珠各项理化指标达到了国际上行业领军的质量水平，突破了西方先进国家在氮化硅陶瓷微珠的技术保护和应用产品对我国封锁的难题。
威海圆环批量化生产的氮化硅陶瓷磨介环、氮化硅陶瓷磨介球，氮化硅陶瓷磨介柱等各型体研磨介质品种规格齐全，性能完备，质量过硬，价格适中。为了支持国产高纯度石英砂、超细石英粉、高纯稀土粉、超细稀土粉、高纯石墨粉、超细石墨粉等高附加值粉体工业发展，威海圆环批量化生产的氮化硅陶瓷磨介环、氮化硅陶瓷磨介球，氮化硅陶瓷磨介柱等各型体研磨介质可做信用支付产品，可以先买单、再还款、可分期支付的产品，而且无其他费用产生。
威海圆环批量化生产的氮化硅陶瓷磨介环、氮化硅陶瓷磨介球，氮化硅陶瓷磨介柱等各型体研磨介质可以按照用户特殊要求定制。关于氮化硅陶瓷磨介环、氮化硅陶瓷磨介球，氮化硅陶瓷磨介柱等研磨介质的性能、规格、技术参数等问题——威海圆环市场部 颜辉 随时欢迎各位同行、各位同仁交流探讨！我们一起解决问题，一起学习各种设备或大型工业装置关键部件改进新技术、新方法。随时欢迎高导热氮化硅陶瓷基板、可重复利用的高纯度高热导氮化硅陶瓷坩埚、配套耐磨损氮化硅陶瓷结构件、耐高温氮化硅陶瓷结构件、耐高温氮化硅陶瓷结构件、高硬度氮化硅陶瓷结构件加工定制，来图非标定制及按用户特殊要求定制。国产光伏用高纯石英砂、超细石英粉研磨技术升级，威海圆环氮化硅陶瓷磨介环破题磨不细、混不均，提不纯行业痼疾。
威海圆环多年来与海内外先进陶瓷材料技术领军人物建立了深厚的技术合作关系，在国内精密陶瓷材料领域具有一定权威和建树的高等院校和科研机构建立了校企研发合作关系，拥有了一批多年从事研制、开发的中高级技术人员和管理人员，使我们具有精湛的技术、严谨的治学态度、高度的敬业精神、高效的管理水平。威海圆环公司研发及生产测试团队具有丰富的行业经验，核心工程师拥有十余年的精密陶瓷技术积累和强大的应用开发能力。威海圆环始终致力于高性能及高可靠性氮化硅陶瓷设计开发和生产销售，打造高硬度、低磨耗、超长使用寿命的氮化硅陶瓷磨介生产领军品牌，持续通过技术创新为客户及时提供高性价比的氮化硅陶瓷材料产品和服务。
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