[发明专利]一种太阳能硅片线切割钢线及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型石墨烯复合结构的太阳能硅片线切割钢线及其制作方法。 

背景技术

中国光伏发电产业近几年发展迅猛，太阳能硅片切割设备近几年投入以几十倍的投入运行，其中切割用钢线随切片机台的扩产而大量消耗，年消耗钢线材约8万吨，其中需特制钢材来适合线切综合特性。 

在太阳能硅片线切割过程中，整个机理是利用碳化硅颗粒的坚硬特性和锋利菱角将硅棒逐步截断，因此切割中砂浆均匀地包覆在高速运动中的钢线表面,均匀平稳的使碳化硅微粒作用于硅棒表面，同时及时带走切割热和破碎颗粒，保证硅片的表面质量,钢线是切割砂浆的一个载体同时也被高速运动中的碳化硅间接磨损，线径发生变化而影响线切品质。 

随着整个太阳能行业的发展，在太阳能硅片线切割中大量使用线切钢线，不利于环境控制和造成企业成本的增加，为了适应未来市场需求及价格的竞争发展需要，整个行业都在为如何提高钢线表面耐磨性、使用量及切割效率和降低切割成本且又不改变现有切割设备和工艺而不停地寻找新途径。 

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料，特别是具有超大的理论比表面积2630m2/g。 

非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内，这种状态保持相对稳定。与传统的晶态合金相比，非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等。 

根据石墨烯超薄，强度超大的特性，可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料及耐冲击、耐磨、防腐的复合材料。目前可以将石墨烯微粒与非晶态合金技术引入到线材的加工，在金属线外层进行复合处理，可以得到高强度，高耐磨性的石墨烯非晶态合金复合结构金属丝。而这一应用目前尚属空白。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种高耐磨性，高强度，高耐腐蚀性，高导热性，超大理论比表面积的新型石墨烯复合结构的太阳能硅片线切割钢线及其制作方法，用以提高硬脆贵重材料的切割效率，降低成本。 

本发明的技术方案是： 

本发明之一种太阳能硅片线切割钢线，所述钢线由金属线和包覆在金属线外表面的含固体石墨烯微粒的非晶态合金复合层组成。

进一步，所述非晶态合金的重量百分比为2%~75%，固体石墨烯微粒的重量百分比为2%~60%，所述固体石墨烯微粒的粒径为0.2um~3um，所述粒径是指多层片固体石墨烯微粒的直径。 

进一步，所述钢线的直径为80um~300um，所述钢线的耐磨层厚度为0.5um~5um。 

进一步，所述非晶态合金为铜基非晶、锆基非晶、镍基非晶、铁基非晶、镁基非晶、铈基非晶中的一种或几种；所述固体石墨烯微粒为单层片或者多层片，由于石墨烯为片状材料，单层片时为0.33nm厚，长度为3~5um。 

本发明之太阳能硅片线切割钢线的制作方法，包括以下步骤： 

（1）母合金料制备：称取一定量纳米级的固体石墨烯微粒，与至少一种非晶态合金按比例混合后置于真空熔炼炉中熔融加热，使非晶态合金与固体石墨烯微粒混融，在铜模铸造条件下制成非晶态母合金料；

（2）涂覆处理：在切割钢线拉丝过程中，对含固体石墨烯微粒的非晶态母合金料进行加热涂覆并快速冷却，使非晶态母合金料与钢线表面复合，即可制成太阳能硅片多线切割机用钢线。

进一步，步骤（1）中，所述母合金料制备具体包括以下步骤： 

第一步：将至少一种非晶态合金和固体石墨烯微粒按比例置于熔融Ti纯化过的惰性气体气氛下的电弧炉中熔炼，并采用电磁搅拌；熔炼条件为：真空度小于1×10^-3Pa，熔炼电流为560~800A，以确保获得成分均匀的中间合金；

第二步：将中间合金、其他金属基非晶态合金以及固体石墨烯微粒按所需比例放入坩锅内，将坩锅置于真空炉中，将真空度抽至1×10^-2Pa以下，充入惰性气体作为保护气体，惰性气体的压力为0.8~1.2个大气压，熔炼温度为1200~2000℃，然后在铜模铸造条件下制成非晶态母合金料。