本發(fā)明屬于氧化硅技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種一氧化硅納米材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
光伏產(chǎn)業(yè)鏈中，有40％到50％的硅原料被切割成硅粉碎屑，其總量達到數(shù)萬噸/年。隨著技術(shù)不斷革新，硅片切割主流方向為金剛線切割，該方式切割的硅粉粒徑較小，屬于亞微米范圍，具有非常高的活性。由于在切割和后處理過程中表面氧化，同時粉體中含有金剛石、金屬物、樹脂粉末等其它雜質(zhì)，因此在硅粉的再利用上，未見較高附加值方向。
光伏行業(yè)的切割硅粉粒徑小、活性高、內(nèi)核純度高，同時市場上有大量的供應(yīng)量，價格低，該原料的再利用可以大大降低鋰電池硅碳負電極材料的生產(chǎn)成本。
一氧化硅納米材料具備較高的理論比容量(1400Ahg-1以上)，具有納米粒徑的特性減少充放電過程中的劇烈體積變化。因此，利用金剛線切割硅粉來制備一氧化硅納米材料具有重要的經(jīng)濟價值和環(huán)境價值。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一氧化硅納米材料及其制備方法，大大降低了高純一氧化硅的制備成本，同時解決了硅粉碎屑造成的環(huán)境污染問題。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種一氧化硅納米材料，包括如下重量份的原料：金剛線切割硅粉90-120份，毫米級多晶硅粉20-30份，硅氧化合物0-90份。
所述金剛線切割硅粉的粒徑為D50＝0.5-0.8um；所述毫米級多晶硅粉的粒徑為D50＝2-5mm，所述硅氧化合物的粒徑為D50＝20-50nm。
所述硅氧化合物為氣相白炭黑、石英粉、非金屬離子型硅溶膠或硅酸鋰中的一種。
上述一氧化硅納米材料的制備方法，包括如下步驟：
(1)將金剛線切割硅粉，毫米級多晶硅粉與硅氧化合物按比例采用濕法或干法混合均勻，其中濕法混勻的混合料須經(jīng)干燥去除水分；
(2)將上述干燥混合料放入坩堝內(nèi)，在混合料上面再均勻覆蓋一層毫米級多晶硅粉，送至真空爐；
(3)開啟真空泵，升溫至400-700℃，負壓保溫一定時間，控制真空度為500pa-1000pa，去除物料中殘留的水分和有機雜質(zhì)；
(4)開啟氬氣預熱加熱器，開啟氬氣罐，向真空爐內(nèi)通入氬氣，維持上述負壓和真空度，將真空爐快速升溫并維持溫度為1300-1400℃，升溫過程調(diào)節(jié)氬氣罐閥門，控制氬氣流量為0.5L/min-10L/min，開啟冷凝收集罐，打開冷凝收集罐排氣口，保持冷凝收集罐溫度在100-200℃；
(5)反應(yīng)結(jié)束后降溫，關(guān)閉真空，真空爐和冷凝收集罐的真空度到常壓時，關(guān)閉氬氣罐，即得所述一氧化硅納米材料。
所述步驟(1)中濕法混合的方式為：原料混合于高純水中，以800-2000rpm/min的轉(zhuǎn)速高速攪拌0.5-1.5小時，混勻后的漿料用隔膜壓濾機去除水分，形成濾餅，濾餅通過刮片薄膜干燥器烘干，形成均勻的干燥混合料。
所述步驟(2)中混合料放入坩堝時保持物料疏松，覆蓋的毫米級多晶硅粉的厚度為20mm。
所述步驟(3)中壓力為-900-20KPa，保溫時間為0.5-1.5小時。
所述步驟(4)中氬氣的通入方法為：坩堝底部設(shè)置有多孔陶瓷過濾器，氬氣管連接多孔陶瓷過濾器底部接口，氬氣從混合料底部的多孔陶瓷過濾器通入，多孔陶瓷過濾器孔徑大小為1-5um。
所述金剛線切割硅粉預先經(jīng)過處理，以去除有機雜質(zhì)和金屬雜質(zhì)。
所述真空爐的加熱方式為電阻加熱、感應(yīng)加熱、電弧加熱、電子束加熱或微波加熱中的一種。
本發(fā)明的原理如下：
金剛線切割硅粉是一種具有良好活性的內(nèi)核高純材料，金屬硅與二氧化硅在高溫下可以發(fā)生歧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物一氧化硅升華以氣態(tài)形式存在。
Si(S)+SiO2(S)＝＝＝＝＝＝2SiO(g)
本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：
(1)采用粒徑在亞微米范圍內(nèi)的金剛線切割硅粉，具有較大的比表面積，因此有非常高的活性，有效減少了反應(yīng)時間，大大降低能耗，同時解決了硅粉碎屑造成的環(huán)境污染問題。
(2)原料硅粉粒徑較小，在抽真空的過程中極易被抽走，通過多孔陶瓷過濾器和毫米級多晶硅粉的阻隔作用來解決，并在原料底部通入高溫氬氣，氬氣流速控制，避免金剛線硅粉被真空泵抽走，多孔陶瓷過濾器利于氣體在原料內(nèi)部均勻分散，減少物料燒結(jié)團聚，同時添加毫米級多晶硅粉從而形成均勻孔隙，有利于反應(yīng)后升華的一氧化硅從孔隙中向上逸出，大大提高一氧化硅的逸出率。
(3)高純氬氣的流量控制和冷凝收集罐的溫度控制可以有效的控制一氧化硅納米材料的粒徑和減少歧化反應(yīng)。
(4)本發(fā)明的一氧化硅納米材料的制備方法，采用蒸發(fā)冷凝工藝，顯著提高了反應(yīng)率，制備原料易得，生產(chǎn)成本低，易于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)；制備的一氧化硅納米材料純度高，粒徑為30-100nm。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的一氧化硅納米材料SEM電鏡圖。
具體實施方式
為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：
一種一氧化硅納米材料，包括如下重量份的原料：金剛線切割硅粉90-120份，毫米級多晶硅粉20-30份，硅氧化合物0-90份。
金剛線切割硅粉的粒徑為D50＝0.5-0.8um；毫米級多晶硅粉的粒徑為D50＝2-5mm，硅氧化合物的粒徑為D50＝20-50nm。
硅氧化合物為氣相白炭黑、石英粉、非金屬離子型硅溶膠或硅酸鋰中的一種。
上述一氧化硅納米材料的制備方法，包括如下步驟：
(1)將金剛線切割硅粉，毫米級多晶硅粉與硅氧化合物按比例采用濕法或干法混合均勻，其中濕法混勻的混合料須經(jīng)干燥去除水分。
(2)將上述干燥混合料放入坩堝內(nèi)，在混合料上面再均勻覆蓋一層毫米級多晶硅粉，送至真空爐。
(3)開啟真空泵，升溫至400-700℃，負壓保溫一定時間，控制真空度為500pa-1000pa，去除物料中殘留的水分和有機雜質(zhì)，避免雜質(zhì)的存在對產(chǎn)物純度造成影響，以此提高產(chǎn)品品質(zhì)。
(4)開啟氬氣預熱加熱器，開啟氬氣罐，向真空爐內(nèi)通入氬氣，維持上述負壓和真空度，將真空爐快速升溫并維持溫度為1300-1400℃，升溫過程調(diào)節(jié)氬氣罐閥門，控制氬氣流量為0.5L/min-10L/min，開啟冷凝收集罐，打開冷凝收集罐排氣口，保持冷凝收集罐溫度在100-200℃；冷凝收集罐連接在線監(jiān)控儀，根據(jù)每M3氣體中含有一氧化硅顆粒數(shù)來監(jiān)控反應(yīng)情況。
(5)反應(yīng)結(jié)束后降溫，關(guān)閉真空，真空爐和冷凝收集罐的真空度到常壓時，關(guān)閉氬氣罐，即得一氧化硅納米材料。
步驟(1)中濕法混合的方式為：原料混合于高純水中，以800-2000rpm/min的轉(zhuǎn)速高速攪拌0.5-1.5小時，混勻后的漿料用隔膜壓濾機去除水分，形成濾餅，濾餅通過刮片薄膜干燥器烘干，形成均勻的干燥混合料。
步驟(2)中混合料放入坩堝時保持物料疏松，覆蓋的毫米級多晶硅粉的厚度為20mm。
步驟(3)中壓力為-900-20KPa，保溫時間為0.5-1.5小時。
步驟(4)中氬氣的通入方法為：坩堝底部設(shè)置有多孔陶瓷過濾器，氬氣管連接多孔陶瓷過濾器底部接口，氬氣從混合料底部的多孔陶瓷過濾器通入，多孔陶瓷過濾器孔徑大小為1-5um。有利于氬氣均勻地通入，從而推動一氧化硅逸出，防止原料燒結(jié)凝固堵塞孔隙；高純氬氣須預熱至1300-1400℃，避免氣態(tài)一氧化硅凝固；氬氣流量根據(jù)真空度和上層覆蓋毫米級多晶硅粉厚度調(diào)節(jié)；多孔陶瓷過濾器為碳化硅多孔陶瓷過濾器。
金剛線切割硅粉預先經(jīng)過處理，以去除有機雜質(zhì)和金屬雜質(zhì)。
金剛線切割硅粉中有機雜質(zhì)的去除采用有機溶劑洗滌或高溫灼燒揮發(fā)，所用有機溶劑為乙醇或丙酮。
金剛線切割硅粉中金屬雜質(zhì)的去除采用酸處理，使其金屬雜質(zhì)低于100ppm，所用酸為鹽酸、草酸或醋酸中的一種。
真空爐的加熱方式為電阻加熱、感應(yīng)加熱、電弧加熱、電子束加熱或微波加熱中的一種。
實施例1
取金剛線切割硅粉120份，毫米級多晶硅粉30份，干法混合均勻，將干燥混合料放入底部設(shè)置多孔陶瓷過濾器的坩堝內(nèi)，保持物料疏松，在混合料上面再均勻覆蓋一層厚度為20mm的毫米級多晶硅粉，送至真空爐；開啟真空泵，升溫至400-700℃，壓力為-900-20KPa條件下，保溫時間為0.5-1.5小時，控制真空度為500pa-1000pa，去除物料中殘留的水分和有機雜質(zhì)；開啟氬氣預熱加熱器，開啟氬氣罐，向真空爐內(nèi)通入氬氣，氬氣從混合料底部的多孔陶瓷過濾器通入，維持上述壓力和真空度，將真空爐快速升溫并維持溫度為1300-1400℃，升溫過程調(diào)節(jié)氬氣罐閥門，控制氬氣流量為10L/min，開啟冷凝收集罐，打開冷凝收集罐排氣口，保持冷凝收集罐溫度在100-200℃；冷凝收集罐連接在線監(jiān)控儀，根據(jù)每M3氣體中含有一氧化硅顆粒數(shù)來監(jiān)控反應(yīng)情況；反應(yīng)結(jié)束后降溫，關(guān)閉真空，真空爐和冷凝收集罐的真空度到常壓時，關(guān)閉氬氣罐，即得一氧化硅納米材料，粒徑為30nm。
實施例2
取金剛線切割硅粉90份，毫米級多晶硅粉20份，硅氧化合物50份，混合于高純水中，以800-2000rpm/min的轉(zhuǎn)速高速攪拌0.5-1.5小時，混勻后的漿料用隔膜壓濾機去除水分，形成濾餅，濾餅通過刮片薄膜干燥器烘干，形成均勻的干燥混合料；將干燥混合料放入底部設(shè)置多孔陶瓷過濾器的坩堝內(nèi)，保持物料疏松，在混合料上面再均勻覆蓋一層厚度為20mm的毫米級多晶硅粉，送至真空爐；開啟真空泵，升溫至400-700℃，壓力為-900-20KPa條件下，保溫時間為0.5-1.5小時，控制真空度為500pa-1000pa，去除物料中殘留的水分和有機雜質(zhì)；開啟氬氣預熱加熱器，開啟氬氣罐，向真空爐內(nèi)通入氬氣，氬氣從混合料底部的多孔陶瓷過濾器通入，維持上述壓力和真空度，將真空爐快速升溫并維持溫度為1300-1400℃，升溫過程調(diào)節(jié)氬氣罐閥門，控制氬氣流量為5L/min，開啟冷凝收集罐，打開冷凝收集罐排氣口，保持冷凝收集罐溫度在100-200℃；冷凝收集罐連接在線監(jiān)控儀，根據(jù)每M3氣體中含有一氧化硅顆粒數(shù)來監(jiān)控反應(yīng)情況；反應(yīng)結(jié)束后降溫，關(guān)閉真空，真空爐和冷凝收集罐的真空度到常壓時，關(guān)閉氬氣罐，即得一氧化硅納米材料，粒徑為80nm。
實施例3
取金剛線切割硅粉90份，毫米級多晶硅粉20份，硅氧化合90份，混合于高純水中，以800-2000rpm/min的轉(zhuǎn)速高速攪拌0.5-1.5小時，混勻后的漿料用隔膜壓濾機去除水分，形成濾餅，濾餅通過刮片薄膜干燥器烘干，形成均勻的干燥混合料；將干燥混合料放入底部設(shè)置多孔陶瓷過濾器的坩堝內(nèi)，保持物料疏松，在混合料上面再均勻覆蓋一層厚度為20mm的毫米級多晶硅粉，送至真空爐；開啟真空泵，升溫至400-700℃，壓力為-900-20KPa條件下，保溫時間為0.5-1.5小時，控制真空度為500pa-1000pa，去除物料中殘留的水分和有機雜質(zhì)；開啟氬氣預熱加熱器，開啟氬氣罐，向真空爐內(nèi)通入氬氣，氬氣從混合料底部的多孔陶瓷過濾器通入，維持上述壓力和真空度，將真空爐快速升溫并維持溫度為1300-1400℃，升溫過程調(diào)節(jié)氬氣罐閥門，控制氬氣流量為0.5L/min，開啟冷凝收集罐，打開冷凝收集罐排氣口，保持冷凝收集罐溫度在100-200℃；冷凝收集罐連接在線監(jiān)控儀，根據(jù)每M3氣體中含有一氧化硅顆粒數(shù)來監(jiān)控反應(yīng)情況；反應(yīng)結(jié)束后降溫，關(guān)閉真空，真空爐和冷凝收集罐的真空度到常壓時，關(guān)閉氬氣罐，即得一氧化硅納米材料，粒徑為100nm。
盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。