金刚线切割硅粉废料中硅与氧的热反应：表面氧化与界面歧化机制研究及其资源化意义

本文系统研究了金刚线切割硅粉（DWSSP）废料中硅的热氧化行为与界面反应机制。通过控制氧化实验和原位透射电镜（TEM）分析，揭示了硅氧化遵循抛物线动力学规律，表层SiO2同时向内/外生长，而中间层SiO发生界面挥发与歧化反应（2SiO → Si + SiO2），最终导致表面钝化并抑制进一步氧化。该研究为DWSSP废料中硅资源的高效回收提供了关键理论依据。

　　

亮点

材料与分析

实验所用金刚线切割硅粉（DWSSP）采集自中国云南省某硅片生产厂。为精准模拟DWSSP特性，研究采用三种高纯度硅粉（SP，纯度99.99%）作为替代材料，分别标记为S1、S2、S3。样品粒径通过激光粒度仪（Winner 2008 A）测定，微观结构采用场发射扫描电镜（FE-SEM）分析。

硅的热氧化行为

通过研究温度与粒径对SP氧化的影响，揭示了硅氧化过程动态规律（图4）。整体而言，温度越高、粒径越小，SP越易氧化，氧含量显著升高。在773 K和973 K条件下，三种SP样品的氧含量随保温时间延长先上升后趋于稳定；而在1173 K时，所有样品氧含量均先达到峰值后下降，表明高温下发生了独特的反应转变。

结论

本研究深入探讨了DWSSP废料中硅与氧的热反应机制，揭示了表面氧化与界面歧化的动态过程。DWSSP的热氧化分为两个阶段：早期阶段表层氧化物同时向硅/氧化物界面内侧和氧化物/空气界面外侧生长；后期阶段则伴随氧化物层内累积的SiO发生界面挥发与歧化反应（2SiO → Si + SiO₂），最终导致表面钝化并抑制硅的进一步氧化。