硅作為一種半導(dǎo)體材料，是儲(chǔ)存量極其豐富，信息技術(shù)發(fā)展不可或缺的重要工業(yè)原料。硅材料向納米尺寸轉(zhuǎn)變時(shí)賦予了其獨(dú)特的尺寸效應(yīng)和物理化學(xué)性能，如今納米硅粉已經(jīng)在鋰電池、復(fù)合材料、陶瓷材料、生物材料等領(lǐng)域得到了巨大的應(yīng)用。隨著新能源等新興行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)原料性能要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的納米硅粉已經(jīng)難以滿足市場(chǎng)的需求，因此急需納米化、高純化的高品質(zhì)硅粉。

納米硅粉生產(chǎn)制備現(xiàn)狀

目前，納米硅粉的制備方法主要有機(jī)械球磨法、化學(xué)氣相沉積法、等離子蒸發(fā)冷凝法三種。西方國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)納米硅粉的起步較早，有專門的硅粉制品公司，如日本帝人、美國(guó)杜邦、德國(guó)H.C.Stark、加拿大泰克納等均能夠應(yīng)用等離子蒸發(fā)冷凝法生產(chǎn)多種不同粒度的高純納米硅粉，生產(chǎn)技術(shù)方面處于世界*地位。

國(guó)內(nèi)對(duì)納米硅粉的研制起步較晚，制造水平相對(duì)落后，通常采用機(jī)械球磨法合成納米硅粉，少部分高校和科研院所可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積法和等離子蒸發(fā)冷凝法制備納米硅粉，但僅僅處于實(shí)驗(yàn)水平，無(wú)法達(dá)到批量化生產(chǎn)。

納米硅粉制備方法

一、機(jī)械球磨法

機(jī)械球磨法是利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)及粒子之間的相互作用產(chǎn)生的機(jī)械碾壓力和剪切力將尺寸較大的硅材料研磨成納米尺寸的粉末。

該方法研磨過(guò)程需加入助磨劑，易引入雜質(zhì)，產(chǎn)品純度較低，且顆粒為不規(guī)則形狀，粒徑分布不能有效控制，后處理比較繁瑣，生產(chǎn)效率偏低，并不適合進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

二、化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是一種以硅烷(SiH4)為反應(yīng)原料進(jìn)行納米硅粉生產(chǎn)的技術(shù)。

根據(jù)誘發(fā)SiH4熱解的能量源不同，可分為等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法(LICVD)和流化床法(FBR)，其中PECVD和LICVD是目前生產(chǎn)納米硅粉*主要的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。美國(guó)杜邦公司在20世紀(jì)70年代已采用PECVD方法實(shí)現(xiàn)了納米硅粉批量化生產(chǎn)。

但一般的化學(xué)氣相沉積法以硅烷為原料，屬于易燃易爆氣體，不利于輸運(yùn)和儲(chǔ)存，因此在該方法的基礎(chǔ)上，演變出了氣相誘導(dǎo)合成法。

這幾種制備方法的原理及特點(diǎn)如下表：

三、等離子蒸發(fā)冷凝法

該方法是近10年來(lái)用于制造高純、超細(xì)、球形、高附加值粉體的一種安全高效的方法。一般通過(guò)等離子熱源將反應(yīng)原料氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過(guò)快速冷凝技術(shù)，冷凝為固體粉末。

等離子體的局部電子溫度(Te)、離子溫度(Ti)以及氣體溫度(Tg)幾乎一致，可達(dá)10000K以上，非常適合制備與合成各類金屬納米粉體以及碳化物、氮化物納米粉體。

激光蒸發(fā)冷凝法制備的納米顆粒尺寸大小有一小一大的特征，其形成機(jī)制不同：小顆粒為蒸發(fā)冷凝形成，隨著環(huán)境氣體壓力的增加而增大；大顆粒為激光與靶材相互作用后熔體噴射后形成，且大顆粒數(shù)量隨著激光能量密度的增加和激光脈沖寬度的減少而減少，與環(huán)境氣體壓力無(wú)關(guān)。該方法制備的納米硅粉純度高、粒度可控、生產(chǎn)效率高。

總結(jié)

幾種主流制備納米硅的方法對(duì)比：

傳統(tǒng)的機(jī)械球磨法易引入雜質(zhì)、純度較低、粒徑分布不均勻，顯然不適合當(dāng)前社會(huì)對(duì)納米硅粉高品質(zhì)的需求；

化學(xué)氣相沉積法采用易燃易爆的硅烷作為反應(yīng)原料，生成易燃易爆的氫氣，在存儲(chǔ)和使用上存在安全風(fēng)險(xiǎn)，并且該方法只能分批次進(jìn)行生成，生產(chǎn)效率較低；

等離子蒸發(fā)冷凝法具有粒度可控、純度高、安全可靠、可連續(xù)制備等優(yōu)點(diǎn)，適合當(dāng)前新興領(lǐng)域?qū)τ诩{米硅粉高品質(zhì)的需求。

目前西方國(guó)家在等離子蒸發(fā)冷凝法制備粉體方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，如加拿大泰克納公司生產(chǎn)的等離子體物理氣相合成設(shè)備已成功應(yīng)用于Si、Mn、Mo、W等多種超細(xì)粉體的商業(yè)化制備；德國(guó)的斯塔克工廠已實(shí)現(xiàn)難熔金屬及碳化物(SiC)超細(xì)粉、高純金屬超細(xì)粉(Al、B、Si等)的工業(yè)化生產(chǎn)；俄羅斯原子能研究所采用直流電弧等離子體制備了Ni、Al、Si、Mg、Mn、Mo、V等金屬納米粉，并實(shí)現(xiàn)了納米粉體的粒度控制等。

但國(guó)內(nèi)引入該方法較晚，目前的研究起步不久，還存在基礎(chǔ)理論研究不夠深入、對(duì)納米顆粒的性能研究范圍窄、還未很好解決產(chǎn)量和產(chǎn)率等問(wèn)題，今后的研究需重點(diǎn)圍繞幾個(gè)主要問(wèn)題，進(jìn)一步探索可以大規(guī)模生產(chǎn)的新工藝，以早日實(shí)現(xiàn)高性能納米硅粉的國(guó)產(chǎn)化突破。

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