纳米硅粉的制备方法与应用
发布日期:2020/9/2 16:03:44
纳米硅粉的性质
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。
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
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。
纳米硅粉的存储条件
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。
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。
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 SiO2 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。
化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种以硅烷(SiH4) 为反应原料进行纳米硅粉生产的技术。
根据诱发SiH4 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。
图 1 流化床法制备纳米硅粉
纳米硅粉的应用
纳米硅粉是新一代光电半导体材料：硅是典型的半导体材料，纳米晶是优异的太阳能材料，非晶在锂电池作电极材料、纳米晶活性强、烧结温度低、强韧性提高、介电损耗强、宽能隙半导体、记忆器件、高功率光材料，纳米硅粉可用在耐高温涂层和耐火材料里，还
可用在燃料电池里替代纳米碳粉，降低成本。
（1）用纳米硅粉做成纳米硅线用在充电锂电池负极材料里，或者在纳米硅粉表面包覆石墨用做充电锂电池负极材料，提高了充电锂电池 3 倍以上的电容量和充放电循环次数。
（2）纳米硅粉可以应用到涂料中，形成硅纳米薄膜，被大量应用到太阳能上面。
（3）纳米硅粉与金刚石高压下混合形成碳化硅——金刚石复合材料，用做切削刀具。
小结
纳米硅粉作为信息技术发展的重要工业原料之一，目前国内对其制备方法的研究仍面临许多问题，比如如何解决纳米硅粉的团聚问题，如何有效控制纳米硅粉的形貌和粒径，如何降低成本，实现纳米硅粉的大规模生产等。因此，在今后的研究中，可以考虑将几种制备
方法结合起来，制备出更加完美的纳米硅粉，同时对其形成机理进行研究，建立成熟的理论模型。
相信随着新能源等行业的快速发展，行业对纳米硅粉的要求的逐渐提高，国内对硅粉的制备方法的研究也将更加深入与完备。
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