浙江省冶金研究院 ■ 常森

浙江省地质矿产研究所 国土资源部粘土矿物重点实验室 ■ 余敏*

0 引言

硅作为一种半导体，银光锃熠，十分美观；在近代其成为竞相研究的对象，效用深广，笔者从事硅粉研究几十年，仍兴趣盎然。当今，有机硅、多晶硅、单晶硅、半导体器件都是科学、经济、军事和民生等重要领域不可缺少的基础材料，比如芯片等，硅的合理利用已成为应对世界竞争、发展的重要手段。因此，我们有责任打好硅产品原料的坚实基础，将硅粉制作好，拿出高品质的硅粉。

1 高品质硅粉生产的技术要求

硅粉达到高品质的要求，除了其自身的化学组成和组织结构外，制粉加工过程也会直接影响其形成。根据各方情况总结得出硅粉加工过程中的几个重要因素，包括：粒度组成、反应活性，以及成品率、产能和能耗。

1)粒度组成。按照下游产品(如有机硅流化合成)工艺，其内容包括：粒度范围的上下限及中径(d50)。中径区含量最佳为20%d50∶70%～80%；同时，中径可按需调整(此为中径集质特性，后文会进行解释)。

2)反应活性。暂无公认标准，可按比较值选用。较为合理的参照是：比表面积大、颗粒粗但晶粒细。理性较强的是用X衍射仪和金相显微法测定晶粒尺寸和球度。晶粒愈细，比表面积愈大，活性愈好[1]。而要做到粒度符合要求且晶粒细，并不容易。

其中，1)、2)两项可以概括为8个字：粒度要乖、晶粒要细。“乖”就是“听话”，可控易调。比原先生产的粒度要粗的要求又进了一步。

就硅粉生产而言，还得增加实际生产指标，否则无效益，这些条件就成了无效技术。因此，重要因素还有第3项。

3)成品率、产能和能耗。在满足粒度粗细要求的条件下，成品率和产能要高，能耗要低。当前，多晶硅用粉成品率≥88%，力争达90%；产能为2.8 t/h，力争＞3 t/h(45 kW粉碎机)。有机硅用粉成品率＞99.8%，产能为5 t/h(45 kW粉碎机)，能耗为9 kW/t。

综上所述，要想硅粉达到高品质，生产中必须优化控制硅粉粒度，达到粒度组成、反应活性和成品率、产能、能耗都处于先进水平，质效均佳，缺一不可。要达到的具体目标已落实在数据上，奋斗目标明确，就看技术是否能达到？是否有劲力将问号拉直成叹号。

要采用何种技术才能完美解决这一问题？如何操作才能有效达标？这是为光伏业、能源、环保、现代化作贡献的好机会。

为达此目的，对撞冲旋粉碎技术可显示其优异的性能，充分展示了硅粉粒度优化控制的技术原理，灵活而有效的措施和技巧。下文将对此进行详细阐述。

2 粒度优化控制的技术原理

要达到优势水平，应本着“结构决定性能、性能体现结构”的原则，从硅的结构入手，阐述硅对抗外力的性能和天然碎裂制粉特性，并依此配置相应的外加工工艺，以获得良好的效果，可以较理想地达到粒度控制的目的；还可以按需、灵活地实施优化调控，满足下游产品工艺要求并达到制粉效益。这正是优化的题旨。

2.1 硅的组织结构

任何物料均有自身特有的组织结构，详细分析可获得“三观”结构——宏观、细观、微观。下文对硅的“三观”进行分析。

2.1.1 宏观结构

图1为冶炼铸造硅锭粗破后的硅块照片。其整体外观长期保持银灰色锃亮的美态，显示金刚石般的结构，具有高耐磨、难粉碎的特性，柔和与硬脆并存，给人一种较难对付的“刚柔并济”的构架。

图1 硅锭块(铸态硅块)

2.1.2 细观结构

根据分形理论和实际观察，硅的细观结构是晶体型——“晶粒+晶界”，其铸锭碎块分形结构的低倍金相显微图如图2所示。图2a为铸锭外层，柱状晶＜ φ 1×4 mm；图2b为铸锭内层，等轴晶直径0.08～0.40 mm。柱状晶与等轴晶的扫描电镜照片分别呈条状和块状，晶粒之间明确分界(晶界)，各呈相似外形的分形结构，晶界可视为网络，符合分形理论的要求。

图2 硅锭晶态(SEM)

2.1.3 微观结构

仔细观察高倍金相显微图能见到硅的微观结构。铸态硅经加工成碎粒，显示硅粒由许多晶粒组成，其晶体结构如图3所示。晶体结构特征：晶粒颜色不同，晶粒内裂纹两边颜色相同；裂纹宽度最宽达15 μm，最窄的为3 μm。

图3 冲旋硅粉的金相显微×150

仔细观察图3所示的金相显微图，可找出较典型、显示明确的晶粒结构。可以看出晶粒和晶界，硅颗粒含多颗晶粒，各自显示不同的颜色，分别由晶界包裹；而晶粒拥有许多镶嵌块，以亚晶界间隔。

对晶体进一步分解，如图4所示，其组成顺序(从外向里)为：硅颗粒→晶界→晶粒→亚晶体→镶嵌块(亚晶)→晶胞。

镶嵌块由晶胞组合而成，晶胞呈晶格，而晶格又有许多形式。硅的微观结构的最小单元就是晶格。硅的晶格具有两重型，基本的是金刚石型，如图5所示；同时，其空间任一硅原子周围都对称且等距分布着另外4个硅原子，又构成面心立方晶格，晶格常数为5.43Å。硅晶界处含杂质，其形貌如图6所示。

图4 晶体结构示意图

图5 金刚石晶格

图6 硅晶界处杂质形貌图

2.2 硅的制粉(粉碎)性能

从硅制粉来看，力学性能的权重最大。从结构因素分析，影响较大的有：

1)金刚石和面心立方晶格。使硅像金刚石般坚硬，又似石墨和铸钢般耐磨，表现为硬、脆、滑和爆。

2)晶体抗击外力的性能。其从强到弱抗击外力的顺序为：抗压、抗弯、抗拉、抗剪，属于一般脆性材料性能。不过，抗剪只有抗压的1/10。

3)晶体加工硬化性能明显。试样测试和粉碎加工都显示出硅随着外力加载(如荷载增大或荷载速率增大)而迅速硬化的特性。

4)典型的晶体分形碎裂性。硅晶体结构呈分形状。受外力作用，其力能输入分形网络，沿着晶体中的缺陷，薄弱网络环节撑裂结构，达到粉碎的目的。如图3所示的晶界和亚晶界裂纹、裂缝等。

凭借硅的结构和性能，合理地采取相应的加工技术措施，满足硅粉高品质的要求，拟定技术思路为：以解决粒度组成为根本，并使成品率和产量达先进水平及较高的反应活性和较低能耗。而粒度组成则是“颗粒要乖，晶粒要细”，保证其他指标均居领先地位。

3 “粒质要乖，晶粒要细”成形机理

控制粒度首先要掌握硅的粉碎性能和选用相应的加工手段。性能取决于结构，加工手段体现为粉碎机具和粉碎参数配置。遵循硅的结构实施有效加工，如拍击、劈击和棒击等冲击粉碎方式，以实现高品质硅粉成形机理。下文对此过程进行分项叙述。

3.1 拍击粉碎

图7a为拍击粉碎，以放大的硅碎块模拟其受外力加拍击力作用的情况。力沿着硅碎块内薄弱环节，即硅晶体分形网络中的杂质、缺陷、晶界、亚晶界等，引发裂纹、裂缝、碎裂，历经萌生、扩张、延伸、闭合、分叉和贯通6段，使硅块终成粉体。图7b是现场拍击试验，使用拍刀锤碎的硅裂状态。图7a中显示的裂纹、裂缝等较多，碎粉较多；而图7b试验表征出细碎粒较多，粗粒少。

图7 料块拍击粉碎形象

图8 为硅块拍击粉碎的物理模型和状态及确立的缘由，陈述了硅拍裂粉碎过程的力学模型。

1)拍击使硅料体内引发应力-应变，由小增大，直至脆裂，如图8a中曲线F所示。限于测试能力，暂用推演方法。探索形成图8b的根据是通常脆性物料的抗压测试应力-应变曲线，和笔者的硅抗压测试应力-应变曲线相似。它的特点为：弹性变形区很小，塑性变形极小(以临界点表示)和碎裂有峰值，整个过程中硬化程度较大。硅正是如此来表现其脆性。

2)拍击输入多路力能流，在硅料内激发应力、应变，其变动曲线F如图8a所示。图中显示的应力应度：从拍击接触点进入的小力逐步增大，呈现出曲线F，使硅历经裂缝等6个阶段，沿着薄弱的网络前行，直至通过中心，最后碎裂。当多路力能流同时作用时，硅料将沿着作用方向产生裂纹网，将硅料割裂成细粒；应力较大、传输迅速，而应变却慢；应力过后，硅硬化减退，强度下降，而粉碎吸入能量尚在，硅随后碎裂，仍会爆裂成为细粉。该项成形的根据，来自岩石、混凝土等脆性材料的性能研究，如巴西圆盘劈裂测试抗拉强度技术[3-6]，在劈裂试验机上，利用夹具上不同的劈裂头，如弧形、角形等压在盘形试样圆周对称点上，经动载冲压，使试样碎裂，获得测试数值。由于劈裂头同试件接触区结构、性能迥异，碎裂发展状态和形貌、应力-应变关系等都明显不同。其中，弧形劈裂头引发试样应力从接触点向中心增大，在中心处爆裂。细看可发现，试样中心处碎裂最多，迎住对侧碎裂。而角形劈裂头却有所不同，是接触点处先开裂，碎裂成几大块“大块料”，裂峰直逼中心，同另一向裂缝相会，全体尖劈碎裂。此情况同笔者现场拍碎、棒碎和劈碎结果极度相似，如图7、图9所示。拍碎时硅块下部先碎裂，烈度也大；劈碎时是硅块上部先裂，碎度比拍碎小；而棒碎居中。不同之处在于劈裂测试时是试样中心和边缘对比，现场试验则是上、下部对比。这是因为前者用夹头，两端受力；而后者只是一端受击，但作用还是一样的。

进一步审视生产设备上的实际情况。拍刀打细粉，劈刀打粗粉。静压测试也是从试样中心先开劈。缘于上述实况，可以绘出图8b拍击粉碎过程中硅粉应力-应变曲线，从受击到碎裂是由中心碎裂至全粒爆碎。如此作用的不是一路打击，而是拍打接解点多，属于多路作用。拍击粉碎结果如图8a所示，裂纹网络密集，互相影响，碎裂成细粉。（待续）

图8 脆性物料(工业硅)拍击粉碎过程示意图(仿抗压测试)