基于Al-Si合金精炼硅技术的微量金属添加剂对硼的捕获行为及其热力学研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51504118
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0414.材料冶金加工
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

How to deeply remove B (boron) from silicon is the difficult problem that the technology of electromagnetic solidification refining with Al-Si alloy has to break through. As V, Zr and Ti have strong affinity for B, we propose a method of strengthening B removal process by adding tiny amount of V, Zr and Ti to the Al-Si alloy: B is firstly captured by V, Zr and Ti (form borides) in the refining process which makes it easier to move to the silicon grain boundaries and liquid phase (because the segregation coefficient of B decreases); thereafter, the borides in grain boundaries and liquid phase are removed by hydrometallurgy. The added V, Zr and Ti can be easily removed in this process because of their small segregation coefficients. This study will theoretically predict the ability of V, Zr and Ti capture boron and the thermodynamic conditions to form their borides in Al-Si alloy by measuring the thermodynamic data (solubilities, activity coefficients, and interaction coefficients). Meanwhile, using the thermodynamic prediction results as theoretical basis, this work will study the effects of cooling rate, melt composition and induction heating field on the behavior of V, Zr and Ti capture B in the electromagnetic solidification refining with Al-Si alloy. Combined with microscopic observation and analysis, the key factor and the restrictive links which influence the process of V, Zr and Ti capture B will be revealed. The research results will provide new metallurgical methods for solar-grade polysilicon production.
如何深度去除硅中B(硼)是Al-Si合金电磁凝固精炼技术需突破的难题。由于V、Zr和Ti与B的亲和力强,本课题提出往Al-Si合金中添加微量的V、Zr和Ti强化除B的方法:B在精炼时先被V、Zr和Ti捕获(形成硼化物)而更容易往硅晶界和液相迁移(降低B的分凝系数),再用湿法除去硅晶界和液相的硼化物而达到强化除B的目的,添加的V、Zr和Ti因分凝系数小可被轻易地去除。本课题将通过热力学数据的测定(溶解度、活度系数、相互作用系数),从理论上预测V、Zr和Ti捕获B的能力及计算相应的硼化物在Al-Si合金中稳定存在时的热力学条件。同时,以热力学预测结果为理论根据,研究Al-Si合金电磁凝固精炼过程的冷却速度、熔体成分、感应热场等因素对Zr、V和Ti捕获B行为的影响规律,结合微观观察和分析手段,揭示影响捕获B过程的关键因素和限制性环节。本课题研究成果将为冶金法制备太阳能级多晶硅提供新方法。

结项摘要

如何深度去除硅中B杂质是Al-Si合金法制备太阳能级硅需突破的难题。由于过渡族金属元素与B的亲和力强,本课题创新性地提出往Al-Si合金中添加微量的Ti、V、Zr或Hf(简称M)强化除B的方法,实验结果证实了M在除B的同时也被去除,不会对硅造成二次污染。本课题测定了M与B在1173 K和1273 K时的平衡浓度(溶解度),确定了M与B在Al-Si熔体中形成稳定的TiB2、VB2、ZrB2或HfB2。由实验结果计算了M与B在973 K-1323K时的平衡浓度。根据绘制的平衡浓度图,添加M去除Al-Si熔体中B的能力由强到弱为Ti、Hf、Zr和V。另外,由平衡浓度图确定了在Al-Si-M-B熔体中形成硼化物的热力学条件。由B在Al-Si熔体中活度及活度系数计算了M与B的相互作用系数。当温度为1173 K时,Ti、V、Zr和Hf对B的相互作用系数分别为889、2208、-772和-159。当温度为1273 K时,对B的相互作用系数分别为238、1112、-461、-53。由相互作用系数计算了添加M时B在固体Si和Al-Si熔体之间的分凝系数,并确定M除B的能力由强到弱为Zr、Hf、Ti和V。因此,去除Al-Si熔体中B的最佳添加剂为Ti,但去除硅中B杂质的最佳添加剂为Zr。添加Zr和Hf强化除B的机理是Zr和Hf不仅能够降低Al-Si熔体中B的含量,也可以降低B的分凝系数。添加Ti和V强化除B的机理是Ti和V可以降低Al-Si熔体中B的含量。过渡族金属添加剂对B的捕获行为研究结果表明,当添加1025 ppma的Hf、1057 ppma的Zr和1018 ppma的Ti后,B的去除率由59.5%分别提高到97%、97.2%和75.8 %;当添加800 ppma的V后,B的去除率由51.9 %提高到76.8 %。M强化除B的能力由强到弱为Zr、Hf、Ti和V。对B的捕获行为研究结果与热力学研究结果一致。定向凝固速度(或下拉速度、冷却速度)以及Al-Si合金液相线温度对除B效果影响显著。凝固速度越低越有利于除B过程,Al-Si合金液相线温度越低,越有利于B的去除。Al-Si合金液相线温度是影响除B效果的关键因素。B由固相向液相的迁移是影响除B的限制性环节。本课题研究内容为冶金法制备太阳能级多晶硅提供了新的思路和理论依据,共计获授权发明专利2项,共发表高水平期刊论文9篇。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Leaching behaviors of impurities in metallurgical-grade silicon with hafnium addition
添加铪的冶金级硅中杂质的浸出行为
  • DOI:
    10.1016/j.hydromet.2017.03.004
  • 发表时间:
    2017-05
  • 期刊:
    Hydrometallurgy
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Lei Yun;Ma Wenhui;Ma Xiaodong;Wu Jijun;Wei Kuixian;Li Shaoyuan;Morita Kazuki
  • 通讯作者:
    Morita Kazuki
Effects of small amounts of transition metals on boron removal during electromagnetic solidification purification of silicon with Al-Si solvent
少量过渡金属对铝硅溶剂电磁凝固提纯硅除硼的影响
  • DOI:
    10.1016/j.seppur.2016.02.014
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Separation and Purification Technology
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Lei Yun;Ma Wenhui;Sun Luen;Wu Jijun;Morita Kazuki
  • 通讯作者:
    Morita Kazuki
Enhancing B removal from Si with small amounts of Ti in electromagnetic solidification refining with Al-Si alloy
铝硅合金电磁凝固精炼中添加少量Ti促进Si中B的去除
  • DOI:
    10.1016/j.jallcom.2016.01.127
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Journal of Alloys and Compounds
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Lei Yun;Sun Luen;Ma Wenhui;Wei Kuixian;Morita Kazuki
  • 通讯作者:
    Morita Kazuki
Impurity phases and their removal in Si purification with Al–Si alloy using transition metals as additives
以过渡金属为添加剂的铝硅合金提纯硅中的杂质相及其去除
  • DOI:
    10.1016/j.jallcom.2017.10.292
  • 发表时间:
    2018-02
  • 期刊:
    Journal of Alloys and Compounds
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Lei Yun;Ma Wenhui;Wu Jijun;Wei Kuixian;Li Shaoyuan;Morita Kazuki
  • 通讯作者:
    Morita Kazuki
Purification of metallurgical-grade silicon using Si–Sn alloy in presence of Hf, Zr, or Ti
在 Hf、Zr 或 Ti 存在下使用 Si–Sn 合金纯化冶金级硅
  • DOI:
    10.1016/j.mssp.2018.07.039
  • 发表时间:
    2018-12
  • 期刊:
    Materials Science in Semiconductor Processing
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Lei Yun;Ma Wenhui;Wu Jijun;Wei Kuixian;Lv Guoqiang;Li Shaoyuan;Morita Kazuki
  • 通讯作者:
    Morita Kazuki

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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