纳米硅粉的制备方法与应用

纳米硅粉的制备方法与应用

孙镇镇/文

【摘要】硅是重要的半导体材料，是信息技术发展的重要工业原料。作为几乎可取之不尽用不竭的可再生资源，硅在锂电池、光电池、复合材料、陶瓷材料、生物材料、耐火材料等领域得到了广泛

应用。本文简单介绍了纳米硅粉的性质、存储条件，主要介绍了纳米硅粉的制备方法，最后阐述了其

应用情况。

【关键词】纳米硅粉；性质；制备方法；应用

1.纳米硅粉的性质与存储条件

1.1性质

硅粉是一种烟灰色超级细粉末，随着其含碳量的多少，颜色略有深浅变化。

硅粉的白度在40～50之间，容重约为200kg/m3，其真密度为2.2g/

cm3[1]。

用氮吸附法测得硅粉比表面积

为26～36m2/g，是水泥比表面积的

70～90倍。由于硅粉比表面积很大，

所以它具有良好的火山灰活性和充填

性。其比表面积和粒径分布见表

1。表1 硅粉的比表面积和粒径分布

试样编号

比表面积

（m2/g）

粒径分布（μm）

0～0.30.3～0.50.5～0.70.7～1.0 1.0～5.0

128.444.820.2 5.2 5.224.6 235.351.120.4 6.4 4.814.3 331.463.514.7 3.5 3.514.7

纳米硅粉指的是小于5纳米（10亿（1G）分之一米）的晶体硅颗粒。它具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面大、表面活性高、松装密度低等特点。它无毒、无味、活性好，是新一代光电半导体材料，具有较宽的间隙能半

导体，也是高功率光源材料。

1.2存储条件

纳米硅粉应密封保存于干燥、阴凉

的环境中，不宜长久暴露于空气中，以

防受潮发生团聚，影响分散性能和使用

效果，另应避免重压，勿与氧化剂接触，

但因其无毒性，在运输时可按照普通货

物运输。

中国粉体工业 2019 No.3 12

2.纳米硅粉的制备方法

纳米硅粉的制备方法主要有机械球磨法、化学气相沉积法、等离子蒸发冷凝法三种。

西方国家工业生产纳米硅粉的起步较早，有专门的硅粉制品公司，如日本帝人、美国杜邦、德国H. C.Stark、加拿大泰克纳等均能够应用等离子蒸发冷凝法生产多种不同粒度的高纯纳米硅粉，生产技术方面处于世界领先地位。

国内对纳米硅粉的研制起步较晚，制造水平相对落后，通常采用机械球磨法合成纳米硅粉，少部分高校和科研院所可以通过化学气相沉积法和等离子蒸发冷凝法制备纳米硅粉，但仅仅处于实验水平，目前尚无法达到批量化生产。

2.1机械球磨法

机械球磨法是利用机械旋转及粒子之间的相互作用产生的机械碾压力和剪切力将尺寸较大的硅材料研磨成纳米尺寸的粉末。

V.Svrcek等[2]利用机械球磨法制备了2～5 nm的纳米硅粉，探索了球

磨机转速、内部容器半径、不同添加剂

对于纳米硅粉粒度的影响。C. Araujo-

Andrade等[3]利用Al和SiO

2

为原料，

采用机械球磨法制备出了纳米硅粉。

机械球磨法在研磨硅粉的过程需加

入助磨剂，易引入杂质，产品纯度较低，

且颗粒为不规则形状，粒径分布不能有

效控制，后处理比较繁琐，生产效率偏

低，并不适合进行大规模工业生产。

2.2化学气相沉积法

化学气相沉积法是一种以硅烷

(SiH

4

)为反应原料进行纳米硅粉生产的

技术。

根据诱发SiH

4

热解的能量源不

同，可分为等离子增强化学气相沉积

法(PECVD)、激光诱导化学气相沉积

法(LICVD)和流化床法(FBR)，其中

PECVD和LICVD是目前生产纳米硅

粉最主要的工业生产技术[4]。

2.2.1等离子增强化学气相沉积法

此法制备的纳米硅粉纯度高、粒度

可控，美国杜邦公司在20世纪70年代

已采用PECVD方法实现了纳米硅粉批

量化生产。同时，该方法制备的纳米硅

粉粒度范围较宽，且相当一部分为非晶

态，需要通过热处理的方法来减少粉末

中非晶态的含量。

2.2.2激光诱导化学气相沉积法

与其他制备技术相比，激光诱导化

学气相沉积法制备的纳米粉体具有纯度

高、粒度分布均匀、形状规则、易于分

散、晶型可控等优点。

2.2.3流化床法

流化床法是美国早年研发出的多晶

硅制备术，该方法通过流化床容器内硅

烷在高温条件下发生连续热解反应，得

到纳米硅粉，制备过程如图1所示[5]。

利用该方法制备纳米硅粉时，由于

参与反应的硅表面积大，因此整个制备

过程能耗低，该方法已经成为制备超细

粉体的常用方法之一[6]

。

图1流化床法制备纳米硅粉

2.2.4化学气相沉积法

此法是20世纪纳米硅粉生产的主要方法，但该方法以硅烷为原料，硅烷属于易燃易爆气体，不利于输运和储存。当脱氢完全时，副产品是氢气，也是易

燃易爆气体；当脱氢不完全时，副产品

是易燃的低聚硅烷。该方法生产安全系

数低，需分批式、间断地进行生产，不

能连续生产，生产效率低。

人们在该方法的基础上，演变出

了气相诱导合成法。此法是将SiCl

4

或

SiHCl

3

、H

2

、Cl

2

等反应气体通入高温

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