CN111252779B - 一种球形纳米二氧化硅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种球形二氧化硅的制备方法，包括以下步骤，在电磁波的作用下，使得氧气和悬浮在氧气中的硅粉进行反应后，得到球形纳米二氧化硅；所述电磁波的波长为1～150mm。本发明采用特定波长在1～150毫米波段的电磁波作为反应赋能方式，可以同时对反应体系内的所有粉体颗粒进行沉浸式加热，促使其与氧气发生反应，同时发生氧化，生成纳米二氧化硅微球。本发明提供的电磁感应氧化法对粉尘浓度没有特殊要求，具有更高的安全型；而且氧化反应过程不引入可燃气体，避免了燃烧气体中杂质的引入，同时也避免了氧化反应过程中除二氧化硅以外的其他物质的生成，从而可以得到更高纯度的球形纳米二氧化硅，也更加安全，可控性更高。
Description
技术领域
本发明属于球形二氧化硅材料制备技术领域，涉及一种纳米二氧化硅的制备方法，尤其涉及一种球形纳米二氧化硅的制备方法。
背景技术
二氧化硅是非常常见的化合物，其化学式为SiO2，具有晶态和无定形两种形态，硅原子和氧原子长程有序排列形成晶态二氧化硅，短程有序或长程无序排列则形成非晶态二氧化硅。二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料，也是科学研究的重要材料，特别是近些年，随着电子工业的迅猛发展，二氧化硅产业也随之蓬勃发展。这其中，球形二氧化硅是大规模集成电路封装及基板等高端电子信息产品的必备关键材料，如用于芯片封装的环氧模塑料和液体封装料以及高性能基板(主要领域有通信、超级计算机、IC封装、汽车电子和服务器等)，在航空、航天、汽车、物联网及特种陶瓷等高新技术领域也有诸多应用。专家预计，世界对球形硅微粉的需求量将超过30万吨，价值数百亿元。
随着我国微电子工业的迅猛发展，大规模、超大规模集成电路对封装材料的要求越来越高，不仅要求其超细，而且要求高纯度，特别是对于颗粒形状提出球形化要求。但制备高纯球形硅微粉是一项跨学科高难度工程，目前世界上只有美国、日本、德国、加拿大和俄罗斯等少数国家掌握此技术。目前国内能够生产球形硅微粉的企业为数不多，仅有部分技术较为先进的企业具有生产能力。国内环氧塑封料利用的球形硅微粉主要依靠进口，按照我国半导体集成电路与器件的发展规划，未来4～5年后，我国对球形硅微粉的需求将达到10万吨以上。而能够生产纳米级球形硅微粉的企业更少，目前1微米以下的市场基本上被一家日本企业垄断。目前国内有以二氧化硅微粉为原料，通过粉碎、熔融球化的方法实现，但这一方法所得到的球形硅微粉的纯度有较大的局限性。
现有技术中也公开了一些球形二氧化硅的制备方案，如专利“CN101274365A”中，就以金属硅为原料，且以化学焰作为参与方式，但这种制备工艺，不仅对粉尘浓度有限制，危险性高，同时二氧化硅产物的纯度会受到加入的可燃气体的影响，增加了对于二氧化硅产物纯度控制的难度，而且采用火焰燃烧的方式，也使得球形二氧化硅微粉的粒度均匀性难于控制。而专利“CN101274365A”中，使用的金属硅原料需“在至少含有氢氟酸的无机酸中浸渍硅粉碎物、使用洗涤液进行洗涤”，这一过程引入了污染性化学药剂，也存在影响二氧化硅纯度的问题，而且在产业化中需要对过程废水进行处理，增加了环保处理的难度和对环境的风险，不符合当今的绿色环保的技术理念。
因此，如何找到一种更为适宜的球形二氧化硅制备方法，能够制备得到纯度更高，粒度可控的球形二氧化硅，同时还更加有利于工业化实现，已成为领域内诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种纳米二氧化硅的制备方法，特别是一种球形纳米二氧化硅的制备方法，本发明提供的制备方法，避免了硅粉在氧化反应过程中受到杂质污染，制备的球形纳米二氧化硅具有更高的纯度，而且制备方法简单，环保，易于实现规模化生产。
本发明提供了一种球形二氧化硅的制备方法，包括以下步骤，
a)在电磁波的作用下，使得氧气和悬浮在氧气中的硅粉进行反应后，得到球形纳米二氧化硅；
所述电磁波的波长为1～150mm。
优选的，所述氧气的压力为0.05～0.5Mpa；
所述悬浮在氧气中的硅粉的浓度为大于等于1g/m3。
优选的，所述电磁波的功率为1～100KW；
所述反应的时间小于等于5min；
所述反应的温度大于等于400℃。
优选的，所述电磁波的作用具体为感应加热；
所述电磁波可以同时对悬浮在氧气中的硅粉进行沉浸式加热。
优选的，通过调节所述电磁波的波长可以调控所述球形二氧化硅的粒径；
所述反应中不包括其他可燃气体。
优选的，所述硅粉包括由原料硅粉经过物理提纯后的硅粉；
所述硅粉包括高纯硅粉；
所述硅粉的纯度为99.8％～99.99％。
优选的，所述原料硅粉包括太阳能多晶硅锭或单晶硅棒的金刚线切割硅粉，和/或半导体晶圆切片过程中产生的硅粉；
所述物理提纯的方式包括熔融法提纯。
优选的，所述物理提纯后的硅粉的铁含量小于等于100ppm；
所述物理提纯后的硅粉的铝含量小于等于100ppm；
所述物理提纯后的硅粉的磷含量小于等于30ppm；
所述物理提纯后的硅粉的硼含量小于等于30ppm；
所述物理提纯后的硅粉的铀含量小于等于10ppb。
优选的，所述物理提纯后还包括研磨步骤；
所述研磨的方式包括球磨和/或砂磨；
所述研磨后的硅粉的粒度为100～1000nm。
优选的，所述球形二氧化硅为球形纳米二氧化硅；
所述球形二氧化硅的粒径为100～2000nm；
所述球形二氧化硅的纯度为99.8％～99.99％。
本发明提供了一种球形二氧化硅的制备方法，包括以下步骤，在电磁波的作用下，使得氧气和悬浮在氧气中的硅粉进行反应后，得到球形纳米二氧化硅；所述电磁波的波长为1～150mm。与现有技术相比，本发明针对现有的球形二氧化硅的制备方法，存在纯度和粒径难以控制，还存在工艺不环保等问题。本发明创造性的采用特定波长在1毫米到150毫米波段的电磁波作为反应赋能方式，即电磁感应氧化法EIO(Electromagnetic InductionOxidation)，相比现有的气化金属燃烧VMC法通过燃爆产生连锁反应，本发明中的电磁波可以同时对反应体系内的所有粉体颗粒进行沉浸式加热，促使其与氧气发生反应，同时发生氧化，生成纳米二氧化硅微球。本发明提供的电磁感应氧化法对粉尘浓度没有特殊要求，可以在粉尘浓度很低的情况下发生，具有更高的安全型；而且氧化反应过程不引入可燃气体，避免了燃烧气体中杂质的引入，同时也避免了氧化反应过程中除二氧化硅以外的其他物质的生成，从而可以得到更高纯度的球形纳米二氧化硅，也更加安全，可控性更高。此外，反应过程可控，球形二氧化硅产物的粒径均匀，方法简单，环保性和安全性高，易于实现规模化生产和应用。
实验结果表明，本发明制备的球形纳米二氧化硅的纯度可达到99.9％以上，杂质元素Fe<100ppm，Al<100ppm，P<30ppm，B<30ppm，U<10ppb，能够做到反应过程不增加杂质含量。
附图说明
图1为本发明制备高纯球形纳米二氧化硅粉末的反应装置示意图；
图2为本发明实施例1制备的球形二氧化硅粉末扫描电镜图；
图3为本发明实施例2制备的球形二氧化硅粉末扫描电镜图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯或高纯球形二氧化硅制备的常规纯度即可。
本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。
本发明所有工艺中，其简称均属于本领域的常规简称，每个简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够理解其常规的工艺步骤。
本发明提供了一种球形二氧化硅的制备方法，包括以下步骤，
a)在电磁波的作用下，使得氧气和悬浮在氧气中的硅粉进行反应后，得到球形纳米二氧化硅；
所述电磁波的波长为1～150mm。
在本发明中，所述电磁波的波长特别选择为1～150mm，优选为10～130mm，更优选为20～110mm，更优选为30～100mm，更优选为50～80mm，更优选为60～70mm。在本发明中，通过调节电磁波的波长也可以适度调控球形二氧化硅的粒径。
本发明原则上对所述电磁波的功率没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述电磁波的功率优选为1～100KW，更优选为5～90KW，更优选为10～80KW，更优选为20～70KW，更优选为30～60KW，更优选为40～50KW。
本发明原则上对所述氧气的压力没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述氧气的压力优选为0.05～0.5Mpa，更优选为0.15～0.4Mpa，更优选为0.25～0.3Mpa。
本发明原则上对所述悬浮在氧气中的硅粉的参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述悬浮在氧气中的硅粉的浓度优选为大于等于1g/m3，更优选为大于等于10g/m3，更优选为大于等于20g/m3，更优选为大于等于40g/m3，具体可以为1～100g/m3，或者为10～80g/m3，或者为20～70g/m3，或者为30～60g/m3，或者为40～50g/m3。
本发明原则上对所述反应的时间没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述反应的时间优选小于等于5min，更优选小于等于3min，更优选小于等于1min。
本发明原则上对所述反应的温度没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述反应的温度优选大于等于400℃，更优选大于等于500℃，更优选大于等于600℃。在本发明者中，所述反应中不包括其他可燃气体。
本发明原则上对所述电磁波的作用方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述电磁波的作用具体为感应加热，而且所述电磁波可以同时对悬浮在氧气中的硅粉进行沉浸式加热。在本发明中，通过调节所述原料颗粒的粒径可以调控所述球形二氧化硅的粒径。
本发明原则上对所述硅粉的来源没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述硅粉优选包括由原料硅粉经过物理提纯后的硅粉。
本发明原则上对所述硅粉的种类没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述原料硅粉优选包括太阳能多晶硅锭或单晶硅棒的金刚线切割硅粉，和/或半导体晶圆切片过程中产生的硅粉，更优选包括太阳能多晶硅锭或单晶硅棒的金刚线切割硅粉，或半导体晶圆切片过程中产生的硅粉。
本发明原则上对所述硅粉的物理提纯方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述硅粉的物理提纯方式优选包括熔融法提纯。
本发明原则上对所述物理提纯后的硅粉的磷含量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述物理提纯后的硅粉的磷含量优选为小于等于30ppm，更优选为小于等于25ppm，更优选为小于等于20ppm。
本发明原则上对所述物理提纯后的硅粉的硼含量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述物理提纯后的硅粉的硼含量优选为小于等于30ppm，更优选为小于等于20ppm，更优选为小于等于15ppm，更优选为小于等于10ppm。
本发明原则上对所述物理提纯后的硅粉的铀含量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述物理提纯后的硅粉的铀含量优选为小于等于10ppb，更优选为小于等于8ppb，更优选为小于等于6ppb。
本发明原则上对所述物理提纯后的硅粉的铁含量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述物理提纯后的硅粉的铁含量优选为小于等于100ppm，更优选为小于等于90ppm，更优选为小于等于80ppm，更优选为小于等于60ppm。
本发明原则上对所述物理提纯后的硅粉的铝含量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述物理提纯后的硅粉的铝含量优选为小于等于100ppm，更优选为小于等于90ppm，更优选为小于等于80ppm，更优选为小于等于60ppm。
本发明原则上对所述硅粉的纯度没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述硅粉，也称作金属硅粉，优选为高纯硅粉。所述硅粉的纯度优选为99.8％～99.99％，更优选为99.82％～99.97％，更优选为99.84％～99.95％，更优选为99.86％～99.93％，更优选为99.88％～99.91％。
本发明为完整和细化制备工艺，为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述物理提纯后还包括研磨步骤。
本发明原则上对所述研磨的方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述研磨的方式优选包括球磨和/或砂磨，更优选为球磨或砂磨。
本发明原则上对所述研磨后的硅粉的粒度没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述研磨后的硅粉的粒度优选为100～1000nm，更优选为200～900nm，更优选为300～800nm，更优选为400～700nm，更优选为500～600nm。
本发明原则上对所述球形二氧化硅的粒径没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述球形二氧化硅优选为球形纳米二氧化硅，同时所述球形二氧化硅的粒径优选为100～2000nm，更优选为200～1700nm，更优选为300～1500nm，更优选为400～1300nm，更优选为500～1000nm，更优选为600～700nm。
本发明原则上对所述球形二氧化硅的纯度没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求和产品要求进行选择，本发明为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，所述球形二氧化硅的纯度优选为99.8％～99.99％，更优选为99.82％～99.97％，更优选为99.84％～99.95％，更优选为99.86％～99.93％，更优选为99.88％～99.91％。
本发明为完整和细化制备工艺，为提高球形纳米二氧化硅微球的纯度，使得球形纳米二氧化硅微球具有更加均匀的粒径，保证反应过程可控，增加环保性和安全性，上述球形二氧化硅的制备方法具体可以为以下步骤：
1、原料：使用太阳能多晶硅锭或单晶硅棒的金刚线切割硅粉，或使用半导体晶圆切片过程中产生的硅粉，或使用以上两种方法经过物理方法提纯后得到的硅粉，提纯可以在中频感应炉或真空炉中进行加热或熔融后实现，提纯后的硅粉，铁元素在100ppm以下，铝元素在100ppm以下，磷元素30ppm以下，硼元素30ppm以下，铀元素含量在10ppb以下，保证了原料硅粉具有更高的纯度，满足半导体及大规模集成电路封装对于杂质元素的上限要求。
2、磨碎：利用球磨机或砂磨机将原料硅粉通过干法或湿法磨碎，得到100～1000纳米的硅粉；
3、氧化：首先，在压力容器中充满足量的氧气，该容器周边装有电磁波发射器装置。然后将硅粉通入容器腔室中形成一定浓度的漂浮状粉尘(50～100g/m3)，纳米级硅粉末与氧气分子充分接触。利用波长在1毫米到150毫米波段的电磁波对硅粉末进行感应加热，从而使硅粉末在高温下与氧气发生反应，得到高纯的纳米级球形二氧化硅粉末。
参见图1，图1为本发明制备高纯球形纳米二氧化硅粉末的反应装置示意图。其中，1为硅粉与氧气的反应腔室，同时电磁波弥漫于其中；2为高能量电磁波的发射装置；3为待反应硅粉的进入端口；4为氧气进入口；5为泄压口。
本发明上述步骤提供了一种球形纳米二氧化硅的制备方法，采用特定波长在1毫米到150毫米波段的电磁波作为反应赋能方式，即电磁感应氧化法EIO(ElectromagneticInduction Oxidation)，电磁波可以同时对反应体系内的所有粉体颗粒进行沉浸式加热，促使其与氧气发生反应，同时发生氧化，生成纳米二氧化硅微球，避免了硅粉在氧化反应过程中受到燃烧气体中杂质的污染，从而可以得到更高纯度的球形纳米二氧化硅，同时调节所述电磁波的功率，控制反应进程，可以调控球形二氧化硅的粒径，使得球形纳米二氧化硅的粒径更均匀，可控性更强；而且本发明还特别优选采用太阳能多晶硅锭或单晶硅棒产生的金刚线切割硅粉，也可以使用半导体晶圆切片过程中产生的硅粉，再经过物理法提纯得到，不仅硅粉原料的纯度高，且提纯过程没有引入氢氟酸等化学药剂进行清洗等操作，降低了产业化过程中的环保成本和对环境的风险，进一步提高了最终产品的纯度。
本发明提供的电磁感应氧化法，采用特定波段的电磁波对悬浮在氧气中的硅粉尘进行赋能，在高温反应中产生的二氧化硅粉，由于表面张力的作用形成类球状的颗粒，从而得到球形二氧化硅，更关键的在于，还能够通过调节通入的硅粉的尺寸和数量，以及电磁波的功率可以得到不同大小的二氧化硅颗粒。本发明不仅对粉尘浓度没有特殊要求，可以在粉尘浓度很低的情况下发生，具有更高的安全型；而且氧化反应过程不引入可燃气体，避免了燃烧气体中杂质的引入，同时也避免了氧化反应过程中除二氧化硅以外的其他物质的生成，从而可以得到更高纯度的球形纳米二氧化硅，也更加安全，可控性更高。此外，反应过程可控，球形二氧化硅产物的粒径均匀，方法简单，环保性和安全性高，易于实现规模化生产和应用。
实验结果表明，本发明制备的球形纳米二氧化硅的纯度可达到99.9％以上，杂质元素Fe<100ppm，Al<100ppm，P<30ppm，B<30ppm，U<10ppb，能够做到反应过程不增加杂质含量。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种纳米二氧化硅的制备方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
首先对原料太阳能多晶硅锭或单晶硅棒的金刚线切割硅粉在提纯装置中进行物理提纯，然后将提纯后的硅粉加入球磨机中磨碎成本实例的硅粉末。其中，硅粉末粒度为150～200nm，纯度>99.9％，铁含量小于100ppm，铝含量小于100ppm，磷含量小于等于30ppm，硼含量小于等于30ppm，铀含量小于等于10ppb。
然后使用上述硅粉末，采用电磁感应氧化法制备150～200nm的二氧化硅粉末。具体为，将上述磨碎后的硅粉以1克/秒的速度加入电磁反应装置，氧气的通入速度为0.002立方米/秒，硅粉末与氧气充分接触；其中，反应腔内氧气压力为0.2Mpa，悬浮在氧气中的硅粉的浓度为5～10g/m3。设置电磁波波长为10～50mm，开启电磁波，功率为10～20KW在反应腔内电磁波作用下，硅粉与氧气发生反应，5分钟后，停止电磁波，得到球形二氧化硅粉末。
对本发明实施例1制备的球形二氧化硅粉末进行表征。
参见图2，图2为本发明实施例1制备的球形二氧化硅粉末扫描电镜图。
由图2可知，本发明制备得到了球形的纳米二氧化硅，其中纳米二氧化硅的粒径为150～200nm。
对本发明实施例1制备的球形二氧化硅粉末进行检测。
结果表明，球形二氧化硅粉末的纯度>99.9％，铁含量为54ppm，铝含量为26ppm，磷含量为24ppm，硼含量为13ppm，铀含量<10ppb。这表明，本发明制备的球形纳米二氧化硅的纯度与原料硅粉的纯度基本相同。
实施例2
首先对原料太阳能多晶硅锭或单晶硅棒的金刚线切割硅粉在提纯装置中进行物理提纯，然后将提纯后的硅粉加入球磨机中磨碎成本实例的硅粉末。其中，硅粉末粒度为100～150nm，纯度>99.9％，铁含量小于100ppm，铝含量小于100ppm，磷含量小于等于30ppm，硼含量小于等于30ppm，铀含量小于等于10ppb。
然后使用上述硅粉末，采用电磁感应氧化法制备100～150nm的二氧化硅粉末。具体为，将上述磨碎后的硅粉以0.5克/秒的速度加入电磁反应装置，氧气的通入速度为0.002立方米/秒，硅粉末与氧气充分接触；其中，反应腔内氧气压力为0.2Mpa，悬浮在氧气中的硅粉的浓度为1～5g/m3。设置电磁波波长为10～50mm，开启电磁波，功率为5～10KW在反应腔内电磁波作用下，硅粉与氧气发生反应，5分钟后，停止电磁波，得到球形二氧化硅粉末。
对本发明实施例2制备的球形二氧化硅粉末进行表征。
参见图3，图3为本发明实施例2制备的球形二氧化硅粉末扫描电镜图。
由图3可知，本发明制备得到了球形的纳米二氧化硅，其中纳米二氧化硅的粒径为100～150nm。
对本发明实施例2制备的球形二氧化硅粉末进行检测。
结果表明，球形二氧化硅粉末的纯度>99.9％，铁含量为67ppm，铝含量为35ppm，磷含量为3ppm，硼含量为0.27ppm，铀含量<10ppb。这表明，本发明制备的球形纳米二氧化硅的纯度与原料硅粉的纯度基本相同。
实施例3
首先对原料太阳能多晶硅锭或单晶硅棒的金刚线切割硅粉在提纯装置中进行物理提纯，然后将提纯后的硅粉加入球磨机中磨碎成本实例的硅粉末。其中，硅粉末粒度为500nm，纯度>99.9％，铁含量小于100ppm，铝含量小于100ppm，磷含量小于等于30ppm，硼含量小于等于30ppm，铀含量小于等于10ppb。
然后使用上述硅粉末，采用电磁感应氧化法制备100～150nm的二氧化硅粉末。具体为，将上述磨碎后的硅粉以5克/秒的速度加入电磁反应装置，氧气的通入速度为0.01立方米/秒，硅粉末与氧气充分接触；其中，反应腔内氧气压力为0.3Mpa，悬浮在氧气中的硅粉的浓度为10～50g/m3。设置电磁波波长为10～50mm，开启电磁波，功率为50～100KW在反应腔内电磁波作用下，硅粉与氧气发生反应，5分钟后，停止电磁波，得到球形二氧化硅粉末。纳米二氧化硅的粒径为500～1000nm。
对本发明实施例3制备的球形二氧化硅粉末进行检测。
结果表明，球形二氧化硅粉末的纯度>99.9％，铁含量为79ppm，铝含量为11ppm，磷含量为18ppm，硼含量为11ppm，铀含量<10ppb。这表明，本发明制备的球形纳米二氧化硅的纯度与原料硅粉的纯度基本相同。
以上对本发明提供的一种球形纳米二氧化硅的制备方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或***，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有近似于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。
Claims (9)
1.一种球形二氧化硅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
a）在电磁波的作用下，使得氧气和悬浮在氧气中的硅粉进行反应后，得到球形纳米二氧化硅；
所述电磁波的波长为1~150mm；
所述电磁波的功率为1~100KW；
所述反应的温度大于等于400℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧气的压力为0.05~0.5Mpa；
所述悬浮在氧气中的硅粉的浓度为大于等于1g/m3 。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反应的时间小于等于5min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电磁波的作用具体为感应加热；
所述电磁波可以同时对悬浮在氧气中的硅粉进行沉浸式加热。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过调节所述电磁波的波长可以调控所述球形二氧化硅的粒径；
所述反应中不包括其他可燃气体。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅粉包括由原料硅粉经过物理提纯后的硅粉；
所述物理提纯后的硅粉的纯度为99.8%~99.99%。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述原料硅粉包括太阳能多晶硅锭或单晶硅棒的金刚线切割硅粉，和/或半导体晶圆切片过程中产生的硅粉；
所述物理提纯的方式包括熔融法提纯。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述物理提纯后的硅粉的铁含量小于等于100ppm；
所述物理提纯后的硅粉的铝含量小于等于100ppm；
所述物理提纯后的硅粉的磷含量小于等于30ppm；
所述物理提纯后的硅粉的硼含量小于等于30ppm；
所述物理提纯后的硅粉的铀含量小于等于10ppb 。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述物理提纯后还包括研磨步骤；
所述研磨的方式包括球磨和/或砂磨；
所述研磨后的硅粉的粒度为100~1000 nm。
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