改性切削液优化晶硅表面摩擦系数的研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0017

摘要/Abstract

摘要： 在全球“碳达峰”和“碳中和”目标的推动下，光伏产业已成为能源转型的关键领域，其中晶硅电池占据光伏市场95%以上的份额。然而，市面上的晶硅切削液存在硅粉分散排泄不足、润滑性欠佳、循环利用性弱等缺点，严重影响了晶硅的表面精度，阻碍了光伏行业的发展。本文旨在克服上述不足，探究离子液体改性切削液对晶硅表面质量的影响。实验结果表明，向市售切削液中添加1%（质量分数）1-甲基-3-辛基咪唑氯盐（［OMIM］Cl）离子液体的改性切削液性能最好，其pH值为6.26，黏度降至64.39 mPa·s，表面张力低至24.07 mN/m，表面接触角最小，润湿渗透能力最强，与市售切削液相比，摩擦系数降低约60%，磨损量减少26.1%，在降低摩擦与提升晶硅表面质量方面表现良好，具有广泛应用前景。

关键词: 改性切削液; 线锯切割; 晶硅; 离子液体改性; 表面改性

Abstract: Driven by the global goals of carbon peak and carbon neutrality，the photovoltaic （PV） industry has become pivotal to energy transition，with crystalline silicon cells dominating over 95% of the PV market. However，commercially available crystalline silicon cutting fluids suffer from deficiencies such as inadequate dispersion and discharge of silicon powder，poor lubricity，and weak recyclability. These shortcomings severely compromise the surface precision of crystalline silicon and hinder the development of the photovoltaic industry. This study aims to overcome the aforementioned shortcomings of crystalline silicon cutting fluids by investigating the impact of different ion-liquid modified cutting fluids on crystalline silicon surface quality during the cutting process. Test results indicate that the modified cutting fluid，which incorporates 1% by mass of 1-methyl-3-octylimidazole chloride salt （［OMIM］Cl） as an ionic liquid into commercial cutting fluids，demonstrates the optimal performance. Its pH value is 6.26，the viscosity drops to 64.39 mPa·s，surface tension lowers to 24.07 mN/m，contact angle minimizes，and wetting penetration capability maximizes. Compared to the commercial cutting fluid，its friction coefficient decreases by over 60%，and wear volume decreases by 26.1%. It demonstrated excellent performance in reducing friction and enhancing crystalline silicon surface quality，offering broad prospects for widespread application.

Key words: modified cutting fluid; wire saw cutting; crystalline silicon; ionic liquid modification; surface modification

中图分类号:

TH117

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图/表 15

图1 光伏晶硅切片加工示意图［2］

Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic crystal line silicon wafer processing［2］

表1 原始切削液与改性切削液的pH值

Table 1 pH values of original cutting fluids and modified cutting fluids

Entry	Type of cutting fluid	pH value
1	NT	6.27
2	NT-1%C4	6.16
3	NT-2%C4	6.24
4	NT-3%C4	5.57
5	NT-1%C8	6.26
6	NT-2%C8	6.02
7	NT-3%C8	5.31
8	NT-1%C16	6.07
9	NT-2%C16	5.45
10	NT-3%C16	6.67

表2 原始切削液与改性切削液的黏度值

Table 2 Viscosity values of original cutting fluids and modified cutting fluids

Entry	Type of cutting fluid	Viscosity/（mPa·s）
1	NT	68.5
2	NT-1%C4	57.1
3	NT-2%C4	64.3
4	NT-3%C4	60.6
5	NT-1%C8	64.4
6	NT-2%C8	54.3
7	NT-3%C8	46.1
8	NT-1%C16	58.6
9	NT-2%C16	51.4
10	NT-3%C16	74.9

表3 原始切削液与改性切削液的表面张力值

Table 3 Surface tension values of original cutting fluids and modified cutting fluids

Entry	Type of cutting fluid	Surface tension/（mN·m^-1）	Wettability evaluation
1	NT	25.74	Baseline
2	NT-1%C4	24.21	Better
3	NT-2%C4	26.43	Poor
4	NT-3%C4	26.57	Poor
5	NT-1%C8	24.07	Best
6	NT-2%C8	25.17	Better
7	NT-3%C8	26.29	Poor
8	NT-1%C16	24.73	Better
9	NT-2%C16	26.28	Poor
10	NT-3%C16	27.64	Worst

图2 切削液NT在晶硅晶片表面的静态接触角

Fig.2 Static contact angle of cutting fluid NT on the surface of crystalline silicon wafers

图3 不同改性切削液与晶硅表面的接触角图像。（a）NT-1%C4；（b）NT-1%C8；（c）NT-1%C16；（d）NT-2%C4；（e）NT-2%C8；（f）NT-2%C16；（g）NT-3%C4；（h）NT-3%C8；（i）NT-3%C16

Fig.3 Contact angle images between different modified cutting fluids and the surface of crystalline silicon. （a） NT-1%C4；（b） NT-1%C8；（c） NT-1%C16；（d） NT-2%C4；（e） NT-2%C8；（f） NT-2%C16；（g） NT-3%C4；（h） NT-3%C8；（i） NT-3%C16

表4 摩擦学测试条件

Table 4 Tribological test conditions

项目	测试条件
材料	AISI 512000钢球（直径12.7 mm，硬度59-61 HRC）
负载/N	3
转速/（r·min^-1）	150
时间/min	30
切削液种类	NT-1%C8 NT-2%C8 NT-3%C8

图4 不同切削液处理后摩擦系数随时间的变化。（a）市售切削液NT；（b）NT-1%C8；（c）NT-2%C8；（d）NT-3%C8

Fig.4 Changes in friction coefficient over time treated with different cutting fluids. （a） Commercial cutting fluid NT；（b） NT-1%C8；（c） NT-2%C8；（d） NT-3%C8

图5 不同切削液处理后晶硅样品的AFM二维形貌图（5 μm × 5 μm）。（a）市售切削液NT；（b）NT-1%C8；（c）NT-2%C8；（d）NT-3%C8

Fig.5 AFM 2D topography images of crystalline silicon samples treated with different cutting fluids （5 μm × 5 μm）. （a） Commercial cutting fluid NT；（b） NT-1%C8；（c） NT-2%C8；（d） NT-3%C8

图6 不同切削液处理后晶硅样品的AFM三维形貌图（5 μm×5 μm）。（a）市售切削液NT；（b）NT-1%C8；（c）NT-2%C8；（d）NT-3%C8

Fig.6 AFM 3D topography images of crystalline silicon samples treated with different cutting fluids （5 μm × 5 μm）. （a） Commercial cutting fluid NT；（b） NT-1%C8；（c） NT-2%C8；（d） NT-3%C8

图7 不同切削液处理后晶硅样品的AFM磨痕深度图（扫描长度 300 nm）。（a）市售切削液NT；（b）NT-1%C8；（c）NT-2%C8；（d）NT-3%C8

Fig.7 AFM wear scar depth profiles of crystalline silicon samples treated with different cutting fluids （scan length： 300 nm）.（a） Commercial cutting fluid NT；（b） NT-1%C8；（c） NT-2%C8；（d） NT-3%C8

图8 市售切削液NT作用下晶硅表面磨痕光学显微镜图像

Fig.8 Optical microscope images of scratches on the surface of monocrystalline silicon under the effect of commercial cutting fluid NT

图9 不同切削液处理后摩擦磨损形貌的光学显微镜表征。（a）市售切削液NT；（b）NT-1%C8；（c）NT-2%C8；（d）NT-3%C8

Fig.9 Optical microscopy characterization of the friction and wear morphology treated with different cutting fluids. （a） Commercial cutting fluid NT；（b） NT-1%C8；（c） NT-2%C8；（d） NT-3%C8

图10 不同质量分数改性切削液的Tafel曲线

Fig.10 Tafel curves of cutting fluids modified with different mass fractions

图11 切削液热重分析曲线

Fig.11 Thermal gravimetric analysis curves of cutting fluid

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