低成本高性能光伏用钨丝金刚线制备技术的研发与产业化路径

引言

在全球能源转型加速推进的背景下，光伏发电凭借清洁、可持续的优势，成为新能源领域的重要发展方向。随着光伏产业规模不断扩大，市场对硅片切割效率与成本控制的要求日益严苛，钨丝金刚线作为硅片切割的核心耗材，其性能与成本直接影响光伏电池的生产效率和制造成本。然而，当前钨丝金刚线制备面临原材料成本高、工艺技术复杂、产业化程度不足等问题，导致产品价格居高不下，制约了光伏产业的进一步降本增效。

、低成本高性能钨丝制备技术研发

1.1 高纯钨粉制备工艺优化

高纯钨粉是制备高性能钨丝的基础原料，其纯度与粒度对后续加工及产品性能影响显著。传统煅烧 - 还原法制备的钨粉杂质含量较高，难以满足光伏用钨丝的严苛要求。研究发现，采用湿化学法，以仲钨酸铵（APT）为原料，通过控制溶液 pH 值、温度及反应时间，可有效去除杂质元素。在 APT 溶解过程中，将溶液 pH 值调节至 8 - 9，温度控制在 60 - 70℃，反应时间延长至 3 - 4 小时，可使铁、铜等杂质离子形成氢氧化物沉淀，经多次过滤后，杂质含量可降低至 0.005% 以下。

1.2 掺杂技术创新

掺杂技术是改善钨丝性能的重要手段。设计 Al - K - Na 多元掺杂体系，采用共沉淀法将掺杂元素均匀引入钨粉中。研究表明，当 Al、K、Na 的掺杂比例分别为 0.3% 、0.2% 、 0.1% 时，钨丝的综合性能最佳。在高温烧结过程中，掺杂元素形成细小弥散的第二相粒子，这些粒子通过钉扎晶界，有效抑制晶粒长大。通过 TEM 观察发现，掺杂后的钨丝在 1200^∘C 高温下烧结，晶粒尺寸仍能保持在 10-15μm ，而未掺杂样品晶粒尺寸已达 30-40μm 。

1.3 拉丝工艺改进

拉丝工艺直接影响钨丝的尺寸精度与表面质量。传统冷拉工艺在制备细线径钨丝时，易出现表面裂纹与内部缺陷。研究采用热拉 - 冷拉相结合的复合工艺，在热拉阶段，将坯料加热至 1000-1100^∘C ，利用高温下钨的良好塑性，进行大压缩比拉拔，可有效减少拉拔道次，降低能耗。优化拉丝模具结构，将工作锥角从 12° 调整为 10^∘ ，定径带长度缩短至 2⋅3mm ，可使拉拔力降低 18% ，同时提高钨丝的尺寸精度。选用纳米级石墨乳作为润滑剂，在拉拔过程中形成均匀润滑膜，减少模具与钨丝的摩擦，降低表面粗糙度，使钨丝表面 Ra 值从 0.8μm 降至 0.3μm ，有效提升了钨丝质量与成材率，成材率从 75% 提高至 88% 。

二、光伏用钨丝金刚线制造技术优化

2.1 电镀工艺优化

电镀工艺是决定金刚石颗粒附着性能的关键环节。研究发现，电镀液中氨基磺酸镍浓度、硼酸含量及添加剂种类对镍层质量影响显著。当氨基磺酸镍浓度控制在 400 - 450g/L ，硼酸含量为 35-40g/L 时，镍层结晶细致均匀。添加适量糖精（ _0.8-1.0g/L ）与1,4 - 丁炔二醇（ 0.08-0.1g/L ），可细化镍晶粒，提高镍层硬度与结合力。通过优化电镀参数，将电流密度控制在 2-3A/dm² ，温度保持在 50-55^∘C ，电镀时间调整为 60 - 70分钟，可使镍层厚度均匀性误差控制在 ±5% 以内，金刚石颗粒平均附着力提升至 50N 以上，有效减少切割过程中金刚石颗粒的脱落，提高金刚线使用寿命。

2.2 金刚石微粉选择与预处理

金刚石微粉的特性直接影响金刚线的切割效率与硅片质量。研究表明，选用粒度为12-15μm 、晶型完整、纯度 299% 的金刚石微粉，在切割单晶硅片时，可实现切割效率与表面质量的最佳平衡。对金刚石微粉进行酸蚀预处理，采用 10% 的硝酸溶液在 60℃下处理 2 - 3 小时，可去除表面杂质，增加表面粗糙度，提高微粉与镍层的机械嵌合能力。进一步采用化学镀镍对微粉进行表面改性，在微粉表面形成均匀的镍 - 磷合金过渡层，增强微粉与镍层的化学结合力。经预处理后的金刚石微粉，在电镀过程中分布更加均匀，有效避免了团聚现象，使金刚线切割硅片的表面粗糙度 Ra 值从 1.2μm 降至0.8μm ，切割效率提高 15‰

2.3 制造过程质量控制

运用在线监测，钨丝母线拉丝过程使用激光测径仪在线监控线径，线径偏离 _±0.5μm 以上系统自动纠正线速及模具参数，保持线径精度。电镀过程中通过电阻应变片检测母线应力分布情况，防止因应力分布不均引起的断线风险；健全的质量追溯体系，对原料批次、工艺、时间等信息均进行跟踪，运用大数据分析技术，对生产过程中的质量数据进行统计，跟踪数据中易出现质量问题进行参数优化。

三、低成本高性能钨丝金刚线产业化路径分析

3.1 产业化关键技术突破

面向产业化规模生产，钨丝制造成材率提升和金刚线制造自动化集成是核心关键技术。对于钨丝成材率瓶颈，研发连续化生产设备，将高纯钨粉制备、掺杂、烧结、拉丝等过程集成，减少了中间环节损失，将成材率提高到 92% 。

3.2 市场需求与竞争态势分析

市场调查显示，全球光伏装机数量在不断扩大，未来五年，光伏用钨丝金刚线市场需求量将以平均每年 15% 的速度递增，从竞争状况上看，国内厂商在成本和反应速度方面具有优势，但是在高端产品的性能以及技术上和国外先进企业相比仍有一定差距，结合竞争对手的产品特征来看，国外厂商钨丝金刚线的切割精度、使用寿命较好，但是价格较高，国内厂商产品价格较为低廉但稳定性与一致性较差。

3.3 产业化商业模式构建

建立研发-生产-销售一体化的商业模式，与高等院校和科研单位共建联合研发中心，持续加大技术创新力度。通过供应链的优化，与钨矿生产商、金刚石微粉供货商建立战略稳定供货伙伴关系，强化原辅料的质量管控和供货稳定性，压低采购价格。有合理的定价方针，结合市场需求情况及竞争状况，对不同的客户需求可提供不同的产品价格。增加市场营销，可以采取参与行业展览，相关技术交流的途径，增加品牌形象，扩大国内外市场，实现产业化可持续发展。

结语

该研究针对低成本高性能钨丝制备方法、光伏用钨丝金刚线生产技术的科研攻关、产业化路径研究，给出了一整套技术、产业发展技术路线图。生产成本平均下降 18% ，金刚线切割效率提高 22% ，为产业化应用开发光伏用钨丝金刚线提供了技术来源。

参考文献

[1]陈金晟.光伏切割用钨丝金刚线市场应用[J].金属制品,2022,48(05):1-3.

[2]张英英.光伏切片细线化变革：钨丝金刚线市场崛起前夜？[N].中国经营报,2022-08-22(B19).