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分类号密级 多晶硅的破碎机理及破碎装置的设计 研究生姓名 袁锦龙 指导教师姓名 、职称 倪正顺教授 学科专业 机械工程 研宂方向 现代包装设计理论及装备技术 湖南工业大学 二〇二〇年六月二曰 Ｉ 万方数据 分类号密级 多晶硅的破碎机理及破碎装置的设计 Ｃｒａｓｈｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｐｏｌｙｓ ｉｌｉｃｏｎａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｏｆｃｒｕｓｈｉｎｇｄｅｖｉｃｅ 研宄生姓名 袁锦龙 指导教师姓名 、职称倪正顺教授 畐 丨擁 学科专 业机械工程 研宄方 向现代包装设计理论及装备技术 论文答辩日期 知“ 之答辩委员会主席 湖南工业大 学 二〇二〇年六月二日 万方数据 湖南工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 ，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果 。除文中己经注明引用的内容外 ，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体 ，均己 在文 中以明确方式标明 。 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 。 作者签名 曰期 ＜ 月 亡 曰 湖南 工业大学论文版权使用授权书 本人了解湖南工业大学有关保留 、使用学位论文的规定 ， 即 学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅 ；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容 ，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位 论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 。 作者签名导师签名 年 ＃月 全曰 万方数据 硕 士学位论文 摘要 多 晶硅是光伏产业和半导体产业的重要基础 ，是制作太阳能电池 和电子硅芯片的原料 ，其提纯过程多采用反复的 破碎 、焙烧等，其中 破碎过程的过粉碎现象易导致材料浪费过大 。目前行业上多采用人工 敲击破碎法 。 本文结合企业迫切 需求针对材料浪费与效率低等问题提 出了 一种 自动化破碎方法 ，并优化设计了自动化多晶硅破碎装置，主 要针对多晶硅棒和切割后的多晶硅板的 初次 破碎 ，力图减少过粉碎比 例 ，降低再破碎的次数。主要研究内容包括 首先 ，分析了多晶硅受冲击下裂纹产生的机理，建立了载荷下多 晶硅积累损伤的 阈值与多晶硅本体的晶体错位和微裂隙的关系模型。 其次，基于ＡＵＴＯＤＹＮ软件结合多晶硅材料模 型 和 脆性材料损 伤模型，模拟 多 晶 硅在受到锤头冲击时裂纹的产生和扩展的过程。结 果可知敲击多晶硅板中心的时候 ，裂纹的分布较均匀，碎块粒度适中 ； 当以 ２．５ｍ／ｓ的敲击速度敲击多晶硅棒时，过粉碎比例最小（小于２０ｍｍ 碎块数量少 ） ；分析了不同的锤头形状对裂纹产生的影响 。 最后 ，基于视觉装置和机械臂实现了仿生的自动化敲击破碎装 置 ，并对其中的关键零部件进行了有限元分析和优化设计。通过大量 的敲击实验后 ，统计分析得出采用中心定位，２．５ｍ／ｓ的敲击速度时， 尺寸小于２０ｍｍ的碎块比例为４．３２％ ，小于其它形式的破碎，达到了 企业的应用要求。 关键词多晶硅 ，破碎装置，裂纹扩展， ＡＵＴＯＤＹＮ Ｉ 万方数据 多 晶硅的破碎机理及破碎装置的设计 ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ ｌ ｉｎｅｓｉ ｌｉｃｏｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｉｔｉｓｔｈｅｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｍａｋｉｎｇ ｓｏｌａｒｃｅｌｌｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｌ ｉｃｏｎｃｈｉｐｓ．Ｉ ｔｓｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｍｏｓｔｌｙ ｕｓｅｓｒｅｐｅａｔｅｄｃｒｕｓｈｉｎｇａｎｄｒｏａｓｔｉｎｇ，ａｍｏｎｇｗｈｉｃｈｔｈｅｏｖｅｒｃｒｕｓｈｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｉｎｔｈｅｃｒｕｓｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓ ｓｉｓｅａｓｙｔｏｌｅａｄｔｏｅｘｃｅｓｓｉｖｅｗａｓｔｅｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｙｍｏｓｔｌｙａｄｏｐｔｓｔｈｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｍｅｔｈ ｏｄ ．Ａｃ ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏｔｈｅｕｒｇｅｎｔｎｅ ｅｄｓｏｆｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ ，ｔｈ ｉｓｐａｐｅｒ ｐｕｔｓｆ ｏｒｗａｒｄａｎａｕｔｏｍａｔｉｃｃｒｕｓｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓｔｅａｎｄｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｏ ｌｙｓｉｌｉｃｏｎｃｒｕｓｈｉｎｇｄｅｖｉｃｅ，ｍａｉｎｌｙｆｏｒｔｈｅｐｒ ｉｍａｒｙｃｒｕｓｈｉｎｇｏｆ ｐｏ ｌｙｓｉｌｉｃｏｎｒｏｄａｎｄｃｕｔｐｏｌｙｓｉ ｌｉｃｏｎｐｌａｔｅ，ｔｒｙｉｎｇｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆｏｖｅｒｃｒｕｓｈｉｎｇａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｒｅｃｒｕｓｈｉｎｇ．Ｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｃｌｕｄｅ Ｆｉｒｓｔｏｆａｌｌ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃｒａｃｋｓｉｎｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎｕｎｄｅｒｉｍｐａｃｔｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｍｏｄｅｌｂｅｔｗｅ ｅｎｔｈｅｔｈｒｅｓｈ ｏｌｄｖａｌｕｅｏｆ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｄａｍａｇｅｏｆ ｐｏ ｌｙｓｉ ｌ ｉｃｏｎｕｎｄｅｒｌｏａｄａｎｄｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｏｆ ｐｏ ｌｙｓｉｌｉｃｏｎｉｓｅｓｔａｂｌ ｉｓｈｅｄ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎＡＵＴＯＤＹＮｓｏｆｔｗａｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈ ｐｏ ｌｙｓｉ ｌｉｃｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌａｎｄｂｒｉｔｔｌｅｍａｔｅｒｉａｌｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌ ，ｔｈｅｃｒａｃｋｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆ ｐｏ ｌｙｓｉｌ ｉｃｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｈａｍｍｅｒｈｅａｄ ｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆ ｐｏ ｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｐ ｌａｔｅｉｓ ｋｎｏｃｋｅｄ，ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｒａｃｋｓｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｕｎｉｆｏｒｍ，ａｎｄｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅｏｆｆｒａｇｍｅｎｔｓｉｓｍｏｄｅｒａｔｅ ；ｗｈｅｎｔｈｅｐｏｌｙｓｉ ｌｉｃｏｎｒｏｄｉｓｋｎｏｃｋｅｄａｔｔｈｅ ｋｎｏｃｋｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆ２．５ｍ／ｓ，ｔｈｅｏｖｅｒｓｍａｓｈｉｎｇｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｓｔｈｅｓｍａｌ ｌｅｓｔ （ ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｆｒａｇｍｅｎｔｓｌｅｓｓｔｈａｎ２０ｍｍｉｓｓｍａｌｌ ）；ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈａｍｍｅｒｓｈａｐｅｏｎｃｒａｃｋｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｉｎａｌ ｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖｉｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｒｍ，ｔｈｅｂｉｏｎｉｃ ａｕｔｏｍａｔｉｃｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｋｅｙｐａｒｔｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆ ｐｅｒｃｕｓ ｓ ｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ，ｔｈｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｐｅｒｃｕｓ ｓｉｏｎｓｐｅｅｄｉｓ２．５ｍ／ｓ，ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔ ｉｏｎｏｆｆｒａｇｍｅｎｔｓｓｍａｌ ｌｅｒ ｔｈａｎ２０ｍｍｉｓ４．３２％，ｗｈｉｃｈｉｓｓｍａｌ ｌｅｒ ｉｉ 万方数据 硕 士学位论文 ｔｈａｎｏｔｈｅｒｆｏｒｍｓｏｆｃｒｕｓｈｉｎｇ ，ｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅａｐｐ ｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｐｏｌｙｓｉ ｌｉｃｏｎ，ｃｒｕｓｈｉｎｇｄｅｖｉｃｅ，ｃｒａｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ，ＡＵＴＯＤＹＮ ｈｉ 万方数据 多 晶硅的破碎机理及破碎装置的设计 目录 ｍｗ Ｉ ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＩＩ 第 一章 绪论 １ １．１研究背景及意义１ １ ．２国内外研究现状 ３ １．２．１破碎理论的发展３ １ ．２．２主流破碎设备的发展４ １ ．２．３破碎方法概述５ １．２．４多晶硅破碎机国内外研究现状６ １．３课题研究内容及论文结构７ １＿３．１课题研究的主要内容７ １ ．３．２论文的结构安排７ 第二章破碎过程及其机理研究８ ２．１ 裂隙对破碎效果的影响８ ２ ．２破碎比与破碎流程的研究 １０ ２．２．１粒度与破碎比 １０ ２．２．２破碎流程分析 １ １ ２．２．３破碎原理研究 １１ ２．３本章小结 １２ 第三章多晶硅敲击破碎过程的数值模拟 １３ ３．１强度理论及脆性材料损伤模型 １３ ３．１．１材料强度理论 １３ ３．１．２四大基本强度理论 １３ ３丄３脆性材 料损 伤模型１５ ３．２ＳＰＨ理论及其数值模拟１６ ３．２．１ＳＰＨ的基本思想１６ ３．２ ．２ＳＰＨ近似过程 １６ ３．２．３ＳＰＨ的数值算法优化２０ ３．３材料的本构模型的建模２２ ３ ．３ ．１多晶硅材料本构模型及参数 ２２ ３．３ ．２ 锤头材料本构模型及参数２３ ３．４破碎过程及其损伤分析２４ ＩＶ 万方数据 硕士 学位论文 ３．５锤头冲击下多晶硅的损伤模拟２６ ３．５．１锤头冲击下多晶硅板的二维损伤模拟２６ ３．５．２锤头冲击下多晶硅棒的三维损伤模拟２７ ３ ．６本章小结３１ 第四章破碎装置的关键技术研究３ ３ ４． １ 破碎装置整体设计３３ ４ ．２视觉装置的设计３３ ４．２．１视觉系统分类与选取３３ ４．２ ．２单目系统目标定位方法３４ ４ ．３ 机械臂的设计３６ ４．４破碎锤的设计及其有限元３７ ４．４．１破碎锤的结构设计３７ ４ ．４．２破碎锤的 有限元分析３８ ４Ａ３影响捶 头 寿 命的原因及提高寿命方法４０ ４．５砧板的设计４２ ４ ．６传动机构设计４２ ４．６．１驱动电机选型４２ ４．６．２传动丝杠选型４３ ４ ．７本章小结４５ 第五章实验验证４６ ５．１ 实验装置总体 设计 ４６ ．５．２实验平台的硬件装置设计４６ ５．３实验装置的软件部分设计４８ ５ ．４实验的破碎效果分析４９ ５．５本章小结５０ 第六章结论与展望 ５１ ６．１结论５１ ６．２ 展望 ５２ ＃考＾１＃５３ ＰｆｉｆＭ， ５７ 攻读学位期间主要的研究成果５９ ｉｆｔｉｌｔ６０ ｖ 万方数据 硕 士学位论文 第 一 章绪论 １．１研究背景及意义 多晶硅是 一种呈银 灰色金属光泽，常温下化学性质不 活泼 ，质地脆而硬的半 导体材料 。多晶硅是液态硅冷凝时晶核沿不同晶面成长形成晶粒的集合。 因其良 好的半导体物理性质 ，在人工智能 、集成电路、 电子芯片 、 光电转换等领域常作 为 一 种基本原料 ，被称为 “微 电子大厦的基石 ” ｍ 。多 晶硅按照硅的用途分为太阳 能级硅 （ＳＧ，６ －９Ｎ ），主要用于太阳能 电池芯片的生产制造 ；电子级硅（ＥＧ， １ １Ｎ） ， 主要用于半导体芯片制造 ［２］ 。 目前来说，世界上 “ １１Ｎ ” 多晶硅的制备技术已被三 菱Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ 、铁杉半导体ＨｅｍｌｏｃｋＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ， 瓦克化学ＷａｃｋｅｒＣｈｅｍｉｅ， 休斯电子材料公司ＭＥＭＣＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓＩｎｃ（也就是现在的ＳｕｎＥｄｉｓｏｎ） 、 大阪钛业技术公司ＯｓａｋａＴｉｔａｎｉｕｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ，ＲＥＣＳｉｌｉｃ ｏｎ公司以及德山化工 Ｔｏｋｕｙａｍａ七大制造商所垄断 。 ２１世纪以来，随着社会的飞速发展，不可再生资源的过度开采与利用导致 的 全球 变暖、能源危机 、酸雨 、环境破碎 等问题日益受到各国 政府 的重视，可再 生能 源的挖掘己不可避免 。随着太阳能发电技术不断提升，太阳能这种绿色可再 生能源成为各国可持续发展战略中的重要 一环 。 太阳能电池根据制备材料的不同 ，可分为晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电 池等 ［３］ 。 由于多 晶硅太阳能电池是最早实现商业化的硅太阳能电池，具有转换效 率高 、稳定性好、寿命长、产业化技术成熟等优点 ，故是目前光伏市场上的主导 产品 ［４】 。 随着传统能源的日益减少，其价格也高居不下，可再生能源在全世界得到迅 猛发展。我国早在１９５８年就对太阳能这种可再生能源进行了布局研宄，其主要 是为解决 “东方红二 号 ”能 源 供给 问题； ７０年 代首 次在陆地应用太阳能； ２１世纪 初，政府在光 伏产 业方面的福利补贴， 涌现了大量的多晶硅企业 ，同时大大刺激 了我国太阳能电池技术的发展 。０７年我国成为世界第 一 大太阳能生产国 ，同时 冶金硅年产４０万吨，出口约 ３０万吨 ，居世界首位。 根据 ２０１５ －２０２０ 年中 国光伏发电产业市场前瞻与投资 战略规划分析报告 显示 ，２０１５年以前我国多 晶硅年增产约 １３万吨， 占全球增量的 １／３ ；２０１５年多 晶硅总产量约１７万吨，占全球的 １／２。以多 晶硅为纽带的上下游相关产业是 一 个 很庞大集体，多 晶硅相关产业链流程图如图 １ － １所示，可见多晶硅的生产对推动 １ 万方数据 多 晶硅的破碎机理及破碎装置的设计 国民经济发展有重要的作用 。 鳳團 ｍｍｆｌ＿Ｍ棚 丨顯層 ｍｍ －ｍ ＳＢ Ｑ／屬Ｈ Ｈ ｍｍｍＭＭ 口■麗Ｑ圓＿ 圓 ｆ ｌ ，１ 壓■ 霆國 图 １ － ］ 多晶硅相关产业链流程图 当今社会生产多晶硅主流工艺为改良西门子法技术。综合采用回收废气 、充 分利用副产物实现生产全过程的闭链循环 ，达到降低生产成本、减小污染、降低 能耗的效果 。通过改良西门子法生产出来的多晶硅棒为纯度不高的工业级硅棒 ， 因此须首先将待破碎多晶硅棒（如图 １ －２ ）进行破碎， 对破碎后的块状多 晶硅 （如 图 １ －３ ）进行酸洗等 一系 列提纯工艺 ，然后完成铸锭 成太 阳能级和电子级多 晶硅 ， 最后对高纯度多 晶硅锭进行切割成多晶硅片 （如图１ －４ ）用于生产多晶硅太阳能 电池板 （如图１ －５ ）和电子芯片。 图 １ －２ 待破碎多晶娃棒图 １ －ｊ 破碎后 的块状 多晶娃 在对多晶硅进行破碎过程中 一 贯采用的是人工采用 碳化 钨合金或硬质合金 锤敲碎的方法进行作业 。此法主要的优点就是人工灵活性高、多 晶硅损失少 ；但 是此法需要有多年经验的工人进行 ，且破碎过程慢，破碎过程中产生的粉尘会危 害工人健康，从而导致人工成本高，破碎效率低下 ，进而影响企业产量。 随着全球资源短缺和光伏技术的进步 ，我国对多晶硅的需求量不断增加， 现 有的多晶硅棒破碎技术已无法满足日益扩大的高纯度多 晶硅的产量需求 。因此我 国急需先进的多晶硅棒破碎技术以此提高多晶硅的产量 。 为了提高破碎的效率、降低人工成本、减少多 晶硅碎块过小造成的多晶硅浪 ２ 万方数据 硕士 学位论文 费以及降低作业环境给工人带来的伤害 ，本文研宄基于人工破碎的机理、模拟多 晶硅破碎时的裂纹扩展以及配合后期的图像在线识别技术 ，设计 一 种可以实现全 自动的高效破碎装置 ，在保证损失最小的基础上 ， 大大提高破碎 效率 。 图 １ －４ 多晶桂片图 １ －５ 多晶娃太阳能电池板 １ ．２国内外研究现状 １ ．２．１破碎理论的发展 （ １） 传统破碎理论 由 于在 材料的破碎的过程中伴随着机械能、形 变能 、 动 能 、材料内能和 表 面 能 的转化和 损耗 。早在 １５０年以前就有科研人员开研究了破碎效果与 能耗的理论 公式 －－－破碎能耗理论［５］ 。 １）１８６７年，Ｒｉｔｔｉｎｇｅｒ认为破碎所需的能量与产品轮廓 面积 呈正相关 ， 与产 品尺寸呈负相关 。这就是 有名的面积说，该理论认为破碎能量大部分用于形 成新 的轮廓面积 ，少量损耗能量用于材料的剪切 变形。适用于大破碎比，前后 总轮廓 面积变化大的情况 。 ２ ）１ ８７４年 ，基尔比切夫认为破碎消耗的能量与产品空间大小呈正相关。该 观点是体积说的核心 ， 同时该理论认为破碎的能量大部分用于材料形变 ，小部分 用于形成新的轮廓 。体积说分析了因大形变积累导致的破碎过程，该理论主要适 用于粗碎阶段 。 ３ ）１ ９５２年Ｆ ．Ｃ ．Ｂｏｎｄ和王仁东认为破碎材料的能量与破碎裂缝长度呈正相 关，该理论是结合体积说和面积说而提出的裂缝说，又被称为第三定律。裂缝说 解释了材料先接触到完全破碎的整个过程 。该理论认为破碎能量大部分用于形成 新的轮廓，小部分以热形式消散于四周 。该理论适用于大多数常见破碎情况，常 用做新工艺、新设备研究的理论基础 。 Ｒ．Ｐ雷廷格 （ Ｒｉｔｔｉｎｇｅｒ ） 学说其数学 公式为 Ｑｒ＝ｉ ＂ ｒ （士 － 士） （Ｍ ） Ｋｉｃｋ 学说其 数学公式为 ３ 万方数据 多 晶硅的破碎机理及破碎装置的设计 Ｑｋ＝ｒＫ ｌｇ ｜ （ １ －２ ） Ｆ．ＣＢｏｎｄ学说数学公式为 ＱＢ＝ｒＢ （ｖｆｅ ＇ ７ｆｅ） （ １ ＇３ ） 式中 Ｑ为破碎所需 能量 ，ｒ为比例系数， 心为破碎前材料最大尺寸 ，为碎后 材料最大尺寸。 （２）层压破碎理论 １９世纪８０年代 ，部分学者发现空气中 一次破碎 后的碎片会以近半总破碎能 的动能值飞射而出，当碎片撞击在挡板时会形成明显的二次破碎 。由此有学 者提 出静压力比冲击力有更好的破碎效果 ， 并实 验验证静压可达到百分百破碎 效果。 若将压力增至５ ０ＭＰａ以上，大量颗粒将因层压破碎而节省大量能耗。根据这两 点形成层压破碎理论 ［６］ 。 （３ ）自冲击破碎理论 与层压破碎理论同时期，著名学者布赖恩 巴特立以及 吉木 迈克康纳 建立了 自冲击破碎理论传统冲击破碎主要是用锤头对物料进行冲击，而自冲击破碎 则是通过旋转设备赋予部分物料较高的动能，与自由散落而下的剩余部分物料进 行对冲 ，达到冲击破碎效果 ；常用部分原料组制成破碎腔内壁 ，可促进原料与内 壁的破碎机会，还可防止机械与原料直接接触产生磨损 。此方法适合用于特定形 状的物料破碎 。 １．２．２主 流破 碎设备的发展 １）颚式破碎机 美国人在层压破碎理论基础上，利用曲柄连杆的原理首次发明 了颚式破碎机 Ｍ ，因此具有结构简单、易于生产、性能稳定等优点，同时也具有单个工艺流程 中仅近半时间进行破碎工作的缺点 ［９］ 。主要工作原理为通过驱动偏心 轴带 动动颚 向定颚 做往 复运动，使动颚与定颚挤压 、研磨腔体内的物料达到破碎效果。 一般 破碎比４ －６ ，适用于破碎较硬物料 ， 被广 泛应用于煤炭 、冶金、矿山等行业。 ２） 圆锥破碎机 圆锥破碎机＿通过电机旋转带动偏心套上动锥向定锥移动，挤压中间的物料 而破碎。该破碎装置运行振动小且效率高，适合中 、 细碎 。 其根据排料方式和保 险方式不同分 为弹簧式和液压式圆锥破碎机 ；按原料粒度分为回旋式破碎机和中 细碎破碎机。其中回旋破 碎机 因其进料口尺寸大 ，常用于物料粗碎阶段。 ３）冲击式破 碎机 冲击式破碎机 是物 料在极短时间内获得巨大的动能，冲击反击板或相互碰 撞 ，使其沿自然裂隙、层理面和节理面等脆弱部分破碎 ［１ １］ 。该破碎机利用高速旋 转的冲击元件对原料施以强烈冲击 ，并使其与固定元件产生冲击和剪切作用 。此 ４ 万方数据 硕 士学位论文 类破碎机有结构简单、可控制碎块粒度、粉碎效果好、可实现自动化生产的特点 ， 广泛应用于矿石、无机物、有机物等多类原料的破碎。 ４）辊式破碎机 辊式破碎机 ［１２】是利用 ２个带有尖齿的 圆柱形辊子 ，在电机带动下不断旋转 ， 同时物料在受到重力下落过程中辊子受到挤压和磨剪的作用从而破碎 。据有 结构 简单、轻便、调 整破 碎方便等特性，适用于中小粒度、中等硬度、含水物料的破 碎。破碎比通常在３ － １５。 根据对上述几类常见的破碎机械的工作原理、破碎比 、 适用目标、特性等进 行介绍 。冲击式破碎机通过快速冲击使物料沿内部的脆弱部 分进行破碎，节省大 量能耗；同时还兼具效率高 、破碎比大、粉状 碎末 少、结构简单、易于生产等优 点，相比于其他破碎机械更适用于无污染、规模化的 多晶硅破碎。银金光Ｍ通过 实验高铬锰钨合金作为锤式破碎机锤 头材 料，结果使锤头抗磨性和韧 性都 得到 加 强 ，进而提高垂头寿命 。李梦、 程巨强等 介绍了冲击式破碎机锤头常用材料及 特点，并分析了提高其耐磨性能的材料的特点。黄淑琴 ［ １５］等设计新锤头用 于解决 旧锤式破碎机锤头存在的问题。李正峰 ｎ６］分析 了冲击式破碎机工作时平衡状态， 并研宄了冲击元件的尺寸与冲击中心位置的关系 。李正峰 ［１７］研宄 了锤式破碎机锤 头磨损量与碰撞中心位置间关系和锤头的命中机率 ，并得出把锤头允许磨损量的 底 线作 为碰撞中心更合适的结论。赵丽梅和陈伦军建立冲击式破 碎机 冲击速度 进料速度与破 碎粒 度的量化关系 ，并验证 。Ｇ．Ｕｎｌａｎｄ ［ １９］针对不 同形状物料，探究 锤式破碎机在极限破碎作用力下破碎能耗 、破碎概率、破碎时间相互之间的相关 关系 。 申 军伟 等Ｐｍ ］对冲击式破碎机 的主轴和外壳进 行结 构仿真分析，并根据 结 果对其进行结构 改良。 通过 调研发现目前对于脆性材料的定范围破碎 ，还是 一 个难题，行业无合适 的装备进行直接生产。 １．２．３破碎方法概述 关于材料破碎的方法主 要有 爆炸破碎、高压水力冲击破碎、超声破碎、热力 破碎、高频电磁波破碎、水电效应破碎和机械破碎等 。 其中高压水力破碎 ，将水 赋予 一个很高 的压力，快速射出，形成很大的冲击力使材料破碎；超声 破碎则是 用高频的超声波冲击材料破碎 ；热力破碎是 将材 料加热到很高的温度 ， 然后 进行 水冷使之温度骤降形成很大热力差而破碎；髙频电磁波破碎是用超高频电磁波加 热材料表面 ，是 材料 表面和内部性较大温差而产生大的内外张力破碎 ；水电效应 破碎则是通过电解液产生局部高压电使之破碎。上述破碎方式相比于机械破碎有 破碎成本过高，过程及装置较为复杂 ，且破 碎产 品粒度不可控 ，无法实现大 规模 自动化应用等缺点。对于机械破碎，每种破碎机都不仅仅只用单独 一种力 作用于 ５ 万方数据 多 晶硅的破碎机理及破碎装置的设计 物 料，破碎通常是多种复杂的力的综合作 用的结果 ， 只是可能以某种力为主，其 他力为辅 ［２ ３］ 。为方便分析，常常着重考虑主要作用力 ，在考虑主要作用力效果 时 ，其他影响很小的 作用力几乎可以忽 略不计。破碎机械的施力情况 ，可以分为 挤压、剪切 、弯曲、磨剥和冲击等 ［２３］ 。破碎方式按作用力类型分为压碎、冲击 破碎、磨碎、劈碎和折碎 （见图 １ －６ ）。其中压碎主要受缓慢挤压作用 ；劈碎受 挤压和拉伸作用；折碎主要受弯曲和拉伸 作用；磨碎主要是受挤压和剪切作用 ； 而冲击破碎 ，是破碎机的破碎装置在极短的时间内达到极高的速度对物料施加的 外部载荷即冲击力 ，当冲击力达到了物料自身的抗冲击强度时 ，物料就会产生裂 纹进而破碎 。这几种破碎方法均是载荷达到了材料的某种 强度极限 而导 致的破 碎，其破碎过程有倾向损伤脆弱部分 的趋势 。破碎同时在产品内产生更小的微裂 纹损伤，在物料破碎尺寸不断变小的同时 ，产生的损伤越少，能耗越多，其破碎 难度不断增加。 冲击破碎在冲击时 ，冲击元件速度在瞬间变 为零从而产生很大的冲击力，使 得材料因形变而产 生破 碎 。整个破碎过程冲击元件在极短时间内与材料产生了能 量置换 ，将前者的动能转变为后者的形变能 ，进而克服材料内部结合能 ，从而破 碎。该破碎方法的冲击速度越快，接触时间越短 ，破碎越容易。因此类方法具有 破碎比大 、效率高、耗能少、过粉碎轻等优点适合于煤矿、多晶硅等物料，其 破 碎方法工作原理如图 卜６（ｅ） 。 Ｌｈ ＴＴＴＴ７Ｔ ＼＼＼＼ｗｗ＼＼＼＼＼ＷＷｎＶＷｘｘｎｘｗ＼Ｖ＼＼＼ｖ＼＼＼＼ｗ＼＼ （）压碎〇〇Ｂ（ ｃ ）⑷Ｉ碎 ｌＦ ｌ Ｆ 图 １ －６破碎方法工作 原理 １．２ ．４多晶娃破碎机国内外研究现状 英国皇家矿业学院 （现帝国理工学院） 应用 ｌＩＡｎｄｒｅｓ ｌ２ ４］提 出的高压电脉冲 破碎技术 ，应用水电效应将电介质液中的多晶硅产生局部高压达到破碎。该方法 防止了机械直 接接 触产生的金属污 染 ，但对电介质液的要求 高，破碎能 耗高且破 碎后干燥工艺复杂 。 ＰａｗｅｔＣ ｉｅｚｋｏｗｓｋｉ ［２５］ 等对双肘杆颚式 破碎机分析６中不同 类型的破碎板结构对破碎粒 度的影响 ，并提出改良方案。２１世纪以来， 随着国 家福利补贴的刺激和多 晶硅制 备技术的进步 ，为了进 一 步提高多晶硅的产量 ，越 ６ 万方数据 硕 士学位论文 来越多 的校企开始研究起多晶硅的破碎问题来。张 海龙 ［２６］等设计出 一种新 型自动 化冲击式破碎装置，该装置利用冲击元件自 重驱 动并产生的冲击力破碎。调研发 现对于过粉碎的难题仍然没有很好的解决办法。 １．３课题研究内容及论文结构 １．３．１课题研究的主要内容 随着光伏产业的迅速发展，太阳能级多晶硅需求量大增，然而人工敲击的破 碎方法耗时长且效率低下，不仅限制了太阳能级多晶硅的产量，也限制了光伏产 业的发展。为改变这种现状 ，本文需探究 一种将 直径为 １２ ０ｍｍ左右的多晶硅棒 破碎成２０ －９０ｍｍ 之间 的碎块的多晶硅破碎方法，并设计出 一套 自动化破碎装置。 本文根据破碎断裂理论 、强度理论等研宄多晶硅破碎的机理；通过分析人工敲击 破碎过程，计算得出敲击过程中的重要相关参数；利用所得参数在ａｕｔｏｄｙｎ软件 中建立冲击模型并仿真冲击破碎过程裂纹的扩展 ，最后采用机械臂模拟人手臂敲 击破碎多晶硅的原理设计 一套 自动化多晶硅破 碎装 置和部分相关控制系统。 １．３ ．２论文的结构安排 第 一 章介 绍多 晶硅的特性 ， 以及多晶硅的生产、加工和制作太阳能电池板 的流程等相关背景 ，然后概述了国内外破碎理论、破碎方法和破碎设备的现就现 状及其特点和使用范围 。 第二章分析物料的破碎流程，从深层次研宄了物料内部破碎机理，并介绍 并分析物料破碎时产生的裂纹类 型和 形成原因 。 第三章介绍强度理论， 损伤 模型及ＳＰＨ方法 ，通过分析人工敲击过程确定 敲击的参数，然后用 ａｕｔｏｄｙｎ 软件 建立敲击的材 料模 型并进行损伤模拟和数值分 析 。 第四章针对破碎装置的整体设计和部分部件进行设计与选型 ，同时用ａｎｓｙｓ 软件对破碎锤关键元件进行有限元 分析 。 第五章针对破 碎装 置的硬件和 软件部分进行选择和介绍。然后进行多晶硅 敲击实验并将采集的数据进行统计分析 。 第六章总结本文完成的工作，提出本文未考虑到和未解决的问题 ，并对后 续的改进和优化提出展望。 ７ 万方数据 多 晶硅的破碎机理及破碎装置的设计 第二章破碎过程及其机理研究 ２．１裂隙对破碎效果的影响 １ 、按裂隙存在状态 分 按裂 隙的存在位置可分为表面裂隙 、 内部裂隙和穿透裂隙 ［２７ ＿２ ８］ 。表面裂隙指 的是裂隙存在 材料 表面或裂隙深度远小于 材料 厚度的非穿透性表面 裂隙 。 如图 ２ － １（ｂ）所示。 内部裂隙又叫深埋裂隙 ，是指整个裂隙包括其边界都在材料内部 且未露出表面的裂隙。如图２ － １（ａ） 所示 ，内部裂隙常简化为椭圆或圆形。通常 把延伸 到材料厚度的２／３和穿透材料厚度的裂隙叫做穿透裂隙 。 如图２ － １（ｃ） 所 示 ，通常可以用 一个 扁的楠圆或 一条直线来表示 穿透裂隙 。 ｒ ￣、ｒ￣ ＾ｒ ￣ ＾ 、＿ ＿＿＾ ＾ ＾乂夕 Ｊ ＾＾ Ｊ ◎ＱＣＴＤ （ａ〉 内部親（ｂ）痛 挪 （ｃ＞ 图 ２－〗不同位置裂隙分类图 ２、按裂 隙力 学形成原因分 根据 断裂 学原理 ，依照裂隙平面与所受应力间的关系将裂隙 分为张开型（Ｘ 型 ）、剪切型 （Ｙ型）、撕裂型（Ｚ型）三种問， 如图 ２ －２ 所示 。 （ａ）Ｙ型（ｂ）Ｘ型（ｃ）Ｚ型 图 ２ －２ 不同受力裂隙分类图 张开型裂隙是 一种常见 的裂隙 ， 垂直于裂隙平面的两侧拉应力 ，使裂隙面产 生沿拉应力的张开距离，见图 ２ －２（ ｂ） 。张开型裂隙的两侧应力与张开距离的关 ８ 万方数据 硕士 学位论文 系式如下 ｒ ｃｒＶｉＨ６ （ １ ＿ ｓｉｎ ｆ ｓｉｎＴ ） ＾＝ Ｃ〇Ｓ ｉ （ Ｑ ｌ － ｓｉｎ ｌ Ｓｉｎ Ｔ）（２ － １） ￣ ２ ｔ＝ｓｉｎ － ｃｏｓ － ｃｏｓ Ｖ．ｘｙＶｌＳｒ２２２ ｛ Ｕ＝ ￡＾ ＾ ［＾ － １）Ｃ〇Ｓ Ｉ － Ｃ〇Ｓ ｆ］ ＼ ｙ ｒ －（２ －２ ） ｌ ｕ＝￡＾ Ｊ＾ ［ （２ｘ＋１）ｓ ｉｎ ｓｉｎＴ 其中 平面应力 Ｘ ＝ １＋ｖ （２ －３ ） ＼２ － ４ｖ ，平面应变 Ｇ为 剪切弹性 模量， ｖ为泊松比， ａ 为半 边裂隙距离。 剪切型裂隙 ，常见于地震中，指的是与裂隙平面平行且与裂隙 起始 位置垂直 的剪 切应 力使裂隙在其平面内产生的相对滑动错位 。如图２ －２（ａ ）所示。剪切 型裂隙的剪切应力与错位距离的关系式如下 ｒｆｑ３８＼ ＿ ＾ ｓｉｎ＾ Ｔ） ｘ－ ＼ｆ２ｎｒ２ ｄｙ／ｎａ．６６３６／’ ＞ｉ、 ＊＾ ＝ ｖ＾ ｓｉｎ Ｉ ｃｏｓ Ｉ ｃｏｓＴ（２ ＿４ ） 「（２ －５ ） ｕ＝ ｆ Ｊ＾ ［ （２ｘ － ３） Ｃ０Ｓ ｆ ＋Ｃ０Ｓ Ｔ 撕裂型裂隙是指因平行于裂隙 平面 和裂隙起点的剪切应力使裂隙相对滑动 错开，如图２ －２（ｃ ）所示。撕裂型裂隙的剪 切应 力与错位距离的关系式如下 （＜ｉｙｊｎａ ．６ Ｔｘｚ＝ ￣ ｌ＾ ＳｌＵ ２ｎ＾ ＿ ａ＾Ｔａ＆（ ２ ＿６ ） ｌ ＴＶＺ ￣ ｌ＾ Ｃ〇Ｓ ２ 〇） ＝＾Ｆ ｊ＾ ｓｉｎ ＾（ ２ －７ ） ３、按裂隙的构造分 按照裂隙 的构造来分为预制裂隙 （原生裂隙）和扩展中裂隙（新生裂隙）两 种 ［３ （５］ 。预制裂隙主要存在于天然的岩石等材料中 ，并非是肉眼可见的细小裂纹， 而是仅有数个原子间距大小的微裂隙，这些裂隙之间可能相互连续也有可能各自 ９ 万方数据 多 晶硅的破碎机理及破碎装置的设计 隔断开，因此根据这些裂隙间的连续和断开又可区 分为 张开和闭合两种类型 。 天 然岩石中存在预制裂隙是常见且不可避免的 。对于新生裂隙则是材料受外力导致 新生裂隙 或预 制裂隙的扩展 ，其扩展中的裂隙称其为新生裂隙。 由于不同的受力情况导致裂纹萌生和扩展的方式也不同，因此也分为拉裂纹， 剪裂隙、撕裂纹。还可根据裂纹产 生和扩展的先后顺序分为主裂纹和次生裂纹等； 根据裂纹的图像特征和几何特点分为花瓣裂纹、翼 裂纹、反翼裂纹 、 贝 壳裂 纹等 。 裂隙的种类对破碎产生很重要的影响，对于内部裂隙来说，破碎时产生的裂 纹会倾向于内部裂隙存在的位置扩展 ；对于贯穿裂隙来说 ，贯穿裂隙有利于材料 的 破碎 并形成新的断面 ，而张开型 的裂隙，从其形成原因分析可知 ， 该种裂隙有 利于破碎时节约所受的力。故此裂隙对破碎时的施力大小和施力方向有指导性的 作用。 ２．２破碎比与破碎流程的研究 ２．２． １粒度与破碎比 “粒度” 是表示破碎后碎块大小的量度，通常用 “直径”来概括％ 。根据碎块直径 测定方法不同 ，其计算公式也有所不同，所得结果的含义当然各异 。测定粒子直径 的方法很多，可以归纳为直接测 定法和间接测定法两大类。其中直接测定法 则是 用筛子 、 尺子或显微镜测定碎块的各向直线长度，然后通过 一 些函数计算测算其 平均值。而间接测定法是依照某类物理规律，测定碎块在某些因素影响下某种物 理量，再通过 一 系列公式转换成该物理量具 有相 同数值的球体的直径 ， 用它 代表 碎块的直径 。 “破碎 比 ”表示破碎机在工 作时原料的粒度减小和轮廓面积增大的程度。破碎 ．机的破碎比是指破碎前原料尺寸与碎后碎块尺寸的比值。文献中定义破碎比的计 算方法 一般有 以下三种。 １）用破碎前原料的最大 粒度 与破碎后最大碎块粒度之比 ［３２Ｈ十算 。 ＾＝＾ＭＡｘ／ｒＭＡＸ （２ －８ ） 其中为碎前
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