Optimizing Friction Coefficient of Crystalline Silicon Surfaces Using Modified Cutting Fluids

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

Abstract

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

CLC Number:

TH117

ZHU Zidan, GAO Bangzhi, JI Mengxia, CHEN Ming, WANG Yicheng, LIU Fujie, XU Hui, ZHANG Ming. Optimizing Friction Coefficient of Crystalline Silicon Surfaces Using Modified Cutting Fluids[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(6): 898-909.

Figures/Tables 15

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fig.11 Thermal gravimetric analysis curves of cutting fluid

References 23

[1]	严大洲，刘艳敏，万　烨，等. 晶硅太阳能在 “双碳” 经济中的作用与影响［J］. 中国有色冶金， 2021， 50（5）： 1-6.
	YAN D Z， LIU Y M， WAN Y， et al. Effect and impact of crystalline silicon solar energy in the “double carbon” economy［J］. China Nonferrous Metallurgy， 2021， 50（5）： 1-6 （in Chinese）.
[2]	葛梦然，赵桂丽，郑金涛，等. 光伏单晶硅细线超薄切片加工研究进展［J］. 太阳能学报， 2024， 45（11）： 183-193.
	GE M R， ZHAO G L， ZHENG J T， et al. Review on ultrathin wafer slicing of photovoltaic monocrystalline silicon with thinner diamond wire saw［J］. Journal of Solar Energy， 2024， 45（11）： 183-193 （in Chinese）.
[3]	YAO C Y， CHEN D D， XU K X， et al. Study on nano silicon carbide water-based cutting fluid in polysilicon cutting［J］. Materials Science in Semiconductor Processing， 2021， 123： 105512.
[4]	LIU Z L， ZHU G， DAI J C， et al. Cellulose nanocrystals as sustainable additives in water-based cutting fluids［J］. Carbohydrate Polymers， 2022， 298： 120139.
[5]	WU X F， LI C H， ZHOU Z M， et al. Circulating purification of cutting fluid： an overview［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 117（9）： 2565-2600.
[6]	SUŁEK M W， BĄK-SOWIŃSKA A， PRZEPIÓRKA J. Ecological cutting fluids［J］. Materials， 2020， 13（24）： 5812.
[7]	MALLICK R， KUMAR R， PANDA A， et al. Synthesis of an ionic liquid-based cutting lubricant and its performance comparison with mineral oil in hard turning［J］. Lubricants， 2025， 13（4）： 166.
[8]	赵若凡，逄显娟，牛一旭，等. 激光混合织构对45钢摩擦学性能的影响［J］. 材料热处理学报， 2023， 44（10）： 145-154.
	ZHAO R F， PANG X J， NIU Y X， et al. Effect of laser mixed texture on tribological properties of 45 steel［J］. Transactions of Materials and Heat Treatment， 2023， 44（10）： 145-154 （in Chinese）.
[9]	陈仁芳，邓宝祥，王晴晴，等. 硅晶体线锯切削液的应用与发展［J］. 太阳能， 2016（9）： 22-24.
	CHEN R F， DENG B X， WANG Q Q， et al. Application and development of silicon crystal wire saw cutting fluid［J］. Solar Energy， 2016（9）： 22-24 （in Chinese）.
[10]	张秀玲，贾晓鸣. pH值对合成切削液润滑性能的影响［J］. 润滑与密封， 1998， 23（1）： 46-47.
	ZHANG X L， JIA X M. Effect of the pH value on the lubricity of water-based synthetic cuttung fluids［J］. Lubrication Engineering， 1998， 23（1）： 46-47 （in Chinese）.
[11]	李海波. 磁性切削液下织构刀具的切削性能试验研究［D］. 镇江：江苏大学， 2019.
	LI H B. Experimental study on cutting performance of textured tools under magnetic cutting fluid［D］. Zhenjiang： Jiangsu University， 2019 （in Chinese）.
[12]	陈仁芳. 晶体硅多线锯水基切削液的研究［D］. 天津：天津工业大学， 2017.
	CHEN R F. Research on crystalline silicon multi-wire saw water-based cutting fluid［D］. Tianjin： Tianjin University of Technology， 2017 （in Chinese）.
[13]	谢　伟，冯军勇，朱　明. 水基切削液的维护管理［J］. 金属加工（冷加工）， 2008（8）： 76-77.
	XIE W， FENG J Y， ZHU M. Maintenance and management of water-based cutting fluid［J］. MW Metal Cutting， 2008（8）： 76-77 （in Chinese）.
[14]	陈　成，陈富宽，代　芳，等. 植物油基切削液的改性方法与切削性能研究进展［J］. 表面技术， 2025， 54（21）： 159-184.
	CHEN C， CHEN F K， DAI F， et al. Research progress on modification methods and cutting performance of vegetable oil-based cutting fluids［J］. Surface Technology， 2025， 54（21）： 159-184 （in Chinese）.
[15]	DEL SOL I， GÁMEZ A J， RIVERO A， et al. Tribological performance of ionic liquids as additives of water-based cutting fluids［J］. Wear， 2019， 426： 845-852.
[16]	YEH K Y， CHEN L J， CHANG J Y. Contact angle hysteresis on regular pillar-like hydrophobic surfaces［J］. Langmuir， 2008， 24（1）： 245-251.
[17]	李英朋，张于涛，姜春泉，等. 2A12铝合金水基切削液的缓蚀和润湿性能研究［J］. 材料保护， 2023， 56（9）： 22-29+38.
	LI Y P， ZHANG Y T， JIANG C Q， et al. Study on corrosion inhibition and wetting performance of water-based cutting fluid for 2A12 aluminum alloy［J］. Materials Protection， 2023， 56（9）： 22-29+38 （in Chinese）.
[18]	刘梦瑶，姚盈盈，文　平，等. 阴离子结构对离子液体界面润滑行为的影响研究［J］. 宝鸡文理学院学报（自然科学版）， 2025， 45（1）： 52-63.
	LIU M Y， YAO Y Y， WEN P， et al. The effect of anion structure on the interfacial lubrication behavior of ionic liquids［J］. Journal of Baoji University of Arts and Sciences （Natural Science Edition）， 2025， 45（1）： 52-63 （in Chinese）.
[19]	谢　凤，姚俊兵，郑发正，等. 磷酸胺类添加剂的极压抗磨性能研究［J］. 润滑与密封， 2004， 29（2）： 25-26.
	XIE F， YAO J B， ZHENG F Z， et al. Research of EP and anti-wear properties of amine phosphates as additives［J］. Lubrication Engineering， 2004， 29（2）： 25-26 （in Chinese）.
[20]	PAK H， KIM J H. Static and dynamic contact angle measurements using a custom-made contact angle goniometer［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2023， 37（8）： 4117-4124.
[21]	王龙霞. ZnO-IL杂化材料的制备及其作为酯类油添加剂的摩擦学性能研究［D］. 开封：河南大学， 2024.
	WANG L X. Preparation of ZnO-IL hybrid materials and their tribological properties as ester oil additives［D］. Kaifeng： Henan University， 2024 （in Chinese）.
[22]	李秋琴，杨　屹，杨永丰，等. 脉冲磁场处理改善硬质合金与钛合金摩擦行为研究［J］. 润滑与密封， 2023， 48（6）： 169-174.
	LI Q Q， YANG Y， YANG Y F， et al. Enhancing the friction behaviour of cemented carbide and titanium alloy by magnetic treatment［J］. Lubrication Engineering， 2023， 48（6）： 169-174 （in Chinese）.
[23]	LEE H-S， SUK J， KIM H， et al. Enhanced efficiency of crystalline Si solar cells based on kerfless-thin wafers with nanohole arrays ［J］. Scientific Reports， 2018， 8（1）： 3504.