本發(fā)明涉及硅粉的制備方法，具體涉及一種納米硅粉的制備方法。

背景技術(shù)：

硅作為重要的半導(dǎo)體材料，在信息革命中扮演著極其重要的角色。隨著社會(huì)文明和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會(huì)步入了納米時(shí)代。當(dāng)硅材料向納米尺度轉(zhuǎn)變時(shí)，被賦予了新的特性。納米硅粉作為一種新興材料在鋰電負(fù)極材料、光伏材料、陶瓷材料、復(fù)合材料、催化材料等領(lǐng)域中都具備巨大的潛在市場(chǎng)和應(yīng)用前景。比如，在鋰離子電池碳負(fù)極中加入一定比例的納米硅粉制成硅碳負(fù)極復(fù)合材料可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳負(fù)極材料，該負(fù)極復(fù)合材料具備更高的比容量和更好的循環(huán)性能；采用納米硅粉為主原料制備納米硅墨水可以應(yīng)用于光伏材料的3D打印中，可以降低硅基太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本，提高太陽(yáng)能電池的實(shí)用性。

目前制備納米硅粉主要方法有以下三種：

(1)機(jī)械球磨法。該方法是利用球磨過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械碾壓力和剪切力將粒徑較大的原料硅粉直接研磨成納米尺寸的硅粉。球磨法制備的納米硅粉成本較為低廉，但是雜質(zhì)含量較高且顆粒的形貌和粒度范圍難以控制。

(2)化學(xué)氣相沉積法。將硅烷在高氫稀釋的氣氛下加熱至分解，然后在氣相環(huán)境中快速冷凝，從而制得納米硅粉。由于硅烷屬有毒、易爆氣體，該方法存在不小的安全隱患。

(3)等離子蒸發(fā)冷凝法。利用高溫等離子體作為熱源將原料硅粉瞬時(shí)氣化，然后將硅蒸汽快速冷卻，從而獲得納米硅粉。等離子蒸發(fā)冷凝法是近年來(lái)較為熱門的一種制備方法，根據(jù)熱源的不同又可以細(xì)分為直流電弧等離子法和感應(yīng)等離子法。公開(kāi)號(hào)為CN102910630A的發(fā)明專利，公開(kāi)了一種采用直流電弧等離子法制備納米硅粉的方法，該方法采用直流電源電極之間放電激發(fā)的等離子體作為熱源，由于電極材料在放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生部分蒸發(fā)，因此所制備的納米硅粉存在電極污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種納米硅粉的制備方法，該方法采用感應(yīng)等離子法作為熱源，不僅具有等離子體炬大、無(wú)電極污染等特點(diǎn)，而且所制得的納米硅粉球形度好、純度高、比表面積大、流動(dòng)性和分散性好。

本發(fā)明所述的納米硅粉的制備方法，以粗的硅粉為原料，采用惰性氣體作為載氣，將原料在載氣的輸送下穿過(guò)高頻等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體送入反應(yīng)室中，在反應(yīng)室中的高溫等離子區(qū)域快速氣化，生成的硅原子蒸汽云經(jīng)過(guò)冷卻區(qū)域時(shí)在冷卻氣流的作用下形成微小的硅顆粒，所得硅顆粒在氣流的帶動(dòng)下進(jìn)入旋風(fēng)分級(jí)室，經(jīng)分級(jí)后較粗的硅顆粒滯留在旋風(fēng)分級(jí)室，較細(xì)的硅顆粒被氣流帶入氣固分離室，并最終沉積在氣固分離室的過(guò)濾器上，收集過(guò)濾器上的硅顆粒，即得到納米硅粉；其中：

載氣流量為1～10slpm，原料送料速率為0.2～200g/min；

高頻等離子體發(fā)生器的參數(shù)為：功率為1～200KW，壓力為13.8～130.9Kpa，中心氣流量為5～100slpm，冷卻氣分為軸向冷卻氣流和徑向冷卻氣流，其中軸向冷卻氣的流量為30～250slpm，徑向冷卻氣的流量為50～450slpm；鞘氣為氬氣和氫氣的混合氣體，其中氬氣流量為20～300slpm，氫氣流量為1～80slpm。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的制備方法具體包括以下步驟：

1)以粗的硅粉為原料，放入送料器中，對(duì)整個(gè)制備系統(tǒng)進(jìn)行沖洗和檢漏；

2)向高頻等離子體發(fā)生器中通入中心氣和鞘氣，啟動(dòng)高頻電源并激發(fā)等離子體，然后通入通入冷卻氣流，逐步調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力、功率和各種氣體流量到預(yù)定值；

3)啟動(dòng)送料器并通入載氣，使原料在氣流的攜帶下以一定的速率穿過(guò)高頻等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體送入反應(yīng)室中，在反應(yīng)室中的高溫等離子區(qū)域快速氣化，生成的硅原子蒸汽云經(jīng)過(guò)冷卻區(qū)域時(shí)在冷卻氣流的作用下形成形成微小的硅顆粒，所得硅顆粒在氣流的帶動(dòng)下進(jìn)入旋風(fēng)分級(jí)室，經(jīng)分級(jí)后較粗的硅顆粒滯留在旋風(fēng)分級(jí)室，較細(xì)的硅顆粒被氣流帶入氣固分離室，并最終沉積在氣固分離室的過(guò)濾器上，收集過(guò)濾器上的硅顆粒，即得到納米硅粉。

本發(fā)明所述制備方法中，隨氣流進(jìn)入氣固分離室的較細(xì)的硅顆粒在工作氣流被抽離制備系統(tǒng)時(shí)被阻擋在氣固分離室的過(guò)濾器上，氣體則透過(guò)過(guò)濾器后排空或經(jīng)處理后循環(huán)使用。

本發(fā)明所述制備方法中，所述的惰性氣體為氬氣。

本發(fā)明所述制備方法中，所述中心氣為氬氣。

本發(fā)明所述制備方法中，所述冷卻氣流為氬氣。

本發(fā)明所述制備方法中，所述粗的硅粉為粒徑小于50um的硅粉。

本發(fā)明所述制備方法中，當(dāng)過(guò)濾器內(nèi)壁上粘覆的硅粉達(dá)到一定量時(shí)，可以采用現(xiàn)有常規(guī)方法來(lái)收集過(guò)濾器上粘覆的納米硅粉，具體可以是從工作氣體的出氣口給予一個(gè)反沖瞬時(shí)氣流使粘在過(guò)濾器內(nèi)壁上的硅粉剝落，以落入設(shè)置于氣固分離室底部的收粉器(該收粉器中設(shè)置有超聲波高頻振動(dòng)裝置，從而起到促進(jìn)硅粉剝離和滑落的作用)中。該反沖瞬時(shí)氣流優(yōu)選為氬氣。

與現(xiàn)有納米硅粉制備技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于：

1、采用感應(yīng)等離子體作為熱源，制備過(guò)程無(wú)電極污染，所制納米硅粉具備較高的純度，顆粒形貌為球形或近似球形，比表面積大，表面活性高，流動(dòng)性和分散性好。

2、制備過(guò)程中采用大流量淬冷氣流驟冷的方式進(jìn)行冷卻，可制備粒度較小的納米硅粉，所制備納米硅粉的平均粒度在10～100nm可調(diào)。

3、收粉器設(shè)置于氣固分離室的底部，由于氣固分離室處于保護(hù)氣氛中，因此，收粉操作在隔絕空氣的環(huán)境下進(jìn)行，避免納米硅粉的表面氧化和吸濕。

4、本發(fā)明所述制備方法所用原料和氣體無(wú)毒無(wú)害，且制備過(guò)程在大于一個(gè)大氣壓的環(huán)境下進(jìn)行，不存在由于漏入空氣而引發(fā)爆炸的危險(xiǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述制備方法中使用的高頻等離子體設(shè)備示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制得的納米硅粉的掃描電鏡圖。

圖中標(biāo)號(hào)為：

1送料器；2中心氣；3鞘氣；4等離子體發(fā)生器；5軸向冷卻氣流；6反應(yīng)室；7徑向冷卻氣流；8旋風(fēng)分級(jí)室；9收粉器；10過(guò)濾器；11出氣口；12氣固分離室。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述,以更好地理解本發(fā)明的內(nèi)容,但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

本發(fā)明所述方法中使用的制備系統(tǒng)如圖1所示，主要包括送料器1、高頻等離子體發(fā)生器4、反應(yīng)室6、旋風(fēng)分級(jí)室8和氣固分離室12，在氣固分離室12底部設(shè)置有帶超聲波高頻振動(dòng)裝置的收粉器9，通過(guò)這個(gè)收粉器9實(shí)現(xiàn)納米硅粉的收集。具體在使用該制備系統(tǒng)時(shí)，先將原料裝入送料器1中，在完成制備系統(tǒng)的沖洗、檢漏(操作均與現(xiàn)有技術(shù)相同)，并通入中心氣2、鞘氣3、軸向冷卻氣流5和徑向冷卻氣流7等使系統(tǒng)調(diào)試穩(wěn)定(操作均與現(xiàn)有技術(shù)相同)后，采用中心加料的方式將原料在載氣的攜帶下以一定的速率穿過(guò)高頻等離子體發(fā)生器4產(chǎn)生的等離子體送入反應(yīng)室6中，在反應(yīng)室6中的高溫等離子區(qū)域快速氣化，生成的硅原子蒸汽云經(jīng)過(guò)冷卻區(qū)域時(shí)在冷卻氣流的作用下形成微小的硅顆粒，所得硅顆粒在氣流的帶動(dòng)下進(jìn)入旋風(fēng)分級(jí)室8，經(jīng)分級(jí)后較粗的硅顆粒滯留在旋風(fēng)分級(jí)室8，較細(xì)的硅顆粒被氣流帶入氣固分離室12，并最終沉積在氣固分離室12的過(guò)濾器10上，氣流則透過(guò)過(guò)濾器10后經(jīng)出氣口11排空或經(jīng)處理后循環(huán)使用；當(dāng)過(guò)濾器10內(nèi)壁上粘覆的硅粉達(dá)到一定量時(shí)，從工作氣體的出氣口11給予一個(gè)反沖瞬時(shí)氣流使粘在過(guò)濾器10內(nèi)壁上的硅粉剝落，以使硅粉落入設(shè)置于氣固分離室12底部的收粉器9(該收粉器9中設(shè)置有超聲波高頻振動(dòng)裝置，在給予反沖瞬時(shí)氣流的同時(shí)開(kāi)啟收粉器9中的超聲波高頻振動(dòng)裝置，從而起到促進(jìn)硅粉剝離和滑落的作用)中，達(dá)到收集過(guò)濾器10上的硅顆粒的目的，收集得到的硅顆粒即為納米硅粉。該反沖瞬時(shí)氣流優(yōu)選為氬氣。

實(shí)施例1

1)將平均粒度為4微米最大粒度不超過(guò)50微米的原料硅粉裝入送料器中，然后用氬氣對(duì)制備系統(tǒng)進(jìn)行沖洗和檢漏；

2)向高頻等離子體發(fā)生器中通入鞘氣(氬氣25slpm，氫氣1.7slpm)和中心氣(氬氣6slpm)，調(diào)整系統(tǒng)氣壓為27.6Kpa，打開(kāi)高頻電源并激發(fā)等離子體，然后在冷卻區(qū)域迅速通入氬氣，并調(diào)整軸向冷卻氣流為50slpm，徑向冷卻氣流為75slpm，逐步將系統(tǒng)氣壓調(diào)節(jié)至103.4Kpa，將系統(tǒng)功率調(diào)至14KW；

3)待系統(tǒng)穩(wěn)定后開(kāi)啟送料器以0.5g/min的速率開(kāi)始給料并在送料器中通入流量為4slpm氬氣，原料硅粉在載氣(氬氣)的攜帶下穿過(guò)高頻等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體送入反應(yīng)室中，在反應(yīng)室中的高溫等離子區(qū)域快速氣化，生成的硅原子蒸汽云經(jīng)過(guò)被攜帶至冷卻區(qū)域驟冷并凝結(jié)成核，生成微小的硅顆粒(納米硅粉)，生成的硅顆粒在氣流的攜帶下進(jìn)入旋風(fēng)分級(jí)室，經(jīng)過(guò)分級(jí)后較粗的硅顆粒滯留在旋風(fēng)分級(jí)室并滯留在旋風(fēng)分級(jí)室中(里面大部分硅顆粒為微米級(jí)產(chǎn)品)，較細(xì)的硅顆粒被氣流帶入氣固分離室并沉積在氣固分離室中過(guò)濾器的內(nèi)壁上，攜帶氣流透過(guò)過(guò)濾器后經(jīng)處理后循環(huán)利用；

4)當(dāng)過(guò)濾器內(nèi)壁上粘覆的硅顆粒達(dá)到一定量時(shí)，從出氣口給予一個(gè)反向的瞬時(shí)氣流(氬氣)使硅粉從過(guò)濾器上剝離，然后開(kāi)啟收粉器，利用收粉器產(chǎn)生的高頻超聲振動(dòng)使硅粉滑落，在隔絕空氣的環(huán)境下收集得到納米硅粉。制粉結(jié)束時(shí)，先關(guān)閉送料器，再停止載氣，最后關(guān)閉高頻等離子體發(fā)生器的高頻電源。

本實(shí)施例制備所得的納米硅粉為淡黃色粉末，顆粒形貌為球形或近球形，如圖2所示，所得納米硅粉的比表面積為226.4m²/g，平均粒徑為11.3nm。

實(shí)施例2

重復(fù)實(shí)施例1，不同的是：

步驟1)中，以平均粒度為12微米最大粒度不超過(guò)50微米的硅粉作為原料；

步驟2)中，向高頻等離子體發(fā)生器中通入鞘氣(氬氣50slpm，氫氣4slpm)和中心氣(氬氣6slpm)，調(diào)整系統(tǒng)氣壓為34.5Kpa，打開(kāi)高頻電源并激發(fā)等離子體，然后在冷卻區(qū)域迅速通入氬氣，并調(diào)整軸向冷卻氣流為80slpm，徑向冷卻氣流為140slpm，逐步將系統(tǒng)氣壓調(diào)節(jié)至110.2Kpa，將系統(tǒng)功率調(diào)至40KW；

步驟3)中，送料器的速率為6g/min，載氣的流量為5slpm。

本實(shí)施例制備所得的納米硅粉為淡黃色粉末，顆粒形貌為球形或近球形，比表面積為37.1m²/g，平均粒徑為69.1nm。

實(shí)施例3

重復(fù)實(shí)施例1，不同的是：

步驟1)中，以平均粒度為18微米最大粒度不超過(guò)50微米的硅粉作為原料；

步驟2)中，向高頻等離子體發(fā)生器中通入鞘氣(氬氣200slpm，氫氣24slpm)和中心氣(氬氣80slpm)，調(diào)整系統(tǒng)氣壓為27.6Kpa，打開(kāi)高頻電源并激發(fā)等離子體，然后在冷卻區(qū)域迅速通入氬氣，并調(diào)整軸向冷卻氣流為150slpm，徑向冷卻氣流為380slpm，逐步將系統(tǒng)氣壓調(diào)節(jié)至117.1Kpa，將系統(tǒng)功率調(diào)至180KW；

步驟3)中，送料器的速率為50g/min，載氣的流量為8slpm。

本實(shí)施例制備所得的納米硅粉為淡黃色粉末，顆粒形貌為球形或近球形，比表面積為92.1m²/g，平均粒徑為27.8nm。