[发明专利]一种纳米硅复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种纳米硅复合材料的制备方法，尤其是可以规模化生产的方法。

背景技术

现有的纳米硅制备方法可归结为两类方法：第一类方法是裂解小分子形成纳米硅粒子（Bottom Up）。通常以硅烷（CH₄）为原料借用高功率激光或等离子体的能量进行脱氢，将Si-H键断裂生成Si-Si键、硅核(Si_X)、以至硅粒子。这类方法的通病是脱氢不完全、原材料转化率低、产率低。由于不完全脱氢，产品常包含有危害性的气体，比如未反应的原料气体（CH₄）、反应中间体多聚硅烷、以及脱氢反应的副产物氢气(H₂)。这些易燃易爆气体严重影响安全生产。第二类方法是将硅块进行机械粉碎球磨成纳米粒子（Top Down）。这种方法产出的粒子形状不规则、大小分布不均匀。另外，机械球磨法生产纳米级粒子的时间长产率低。不适宜工业化规模生产。  

现有的方法均是制得纳米级别的硅粉，纳米硅比表面积大，极易发生氧化等反应，不易保存。

专利CN102910630A所述的制备方法是通过机械球磨将硅块粉碎成微米级颗粒，在氩气等离子体将硅粒气化，然后冷却凝聚成纳米硅粒，通过常规方法收集成硅粉，但这种在粉碎硅锭的工艺中，物理机械碰撞或摩擦难免会引入新的杂质，导致最终产品纯度受到影响，且未经保护的纳米硅材料极易发生团聚和氧化，不易保存。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米硅复合材料的制备方法，直接采用高纯度半导体（9N级晶硅）或太阳能级（6N级晶硅）铸锭的硅棒，采用电弧放电、高温等离子体气化、活化处理、接枝反应等步骤得到一种核壳结构硅纳米复合材料，成品转化率和纯度较高，制得的硅纳米复合材料由于硅纳米表面具有核壳结构，不容易发生团聚和氧化，容易保存，制备方法简单易行，适合规模化生产。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种纳米硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤

1）由多晶或单晶硅锭制备微米级硅粉；

2）微米级硅粉经高温等离子气化形成纳米级硅粉；

3）通入活化气体对纳米级硅粉表面进行氢化处理；

4）通入接枝反应化合物（气体）对氢化处理后的纳米硅粉进行化学接枝；

5）分离和收集接枝反应完成后得到的核壳结构硅纳米复合材料。

上述工艺具体步骤为：

（1）硅锭原材料采用太阳能级棒状硅锭，通过电弧放电法制得50~100微米的硅粉；

（2）用送料气体流将微米级硅粉传入高温等离子体腔，经过气化、成核、生长等三个过程形成纳米级硅粒；送料气体流速范围为每分钟5-20L；等离子体发生器功率为5~200千瓦，频率为1~20兆赫兹；

（3）在等离子体发生器的中间段至尾部引入含有一定量活化气体的冷却气流对纳米级硅粒表面进行氢化处理，活化气体的浓度为0.1%~3.5%，流速范围为每分钟2-20L。在接枝反应腔内引入含接枝化合物的气流，其浓度范围在1%-20%之间，流速范围为每分钟2-20L，对氢化后的纳米硅进行接枝反应。 

（4）接枝反应完成后，将产物进行过滤收集即可得到所需的核壳结构硅纳米复合材料。

作为优化，所述送料气体为氩气和氦气中的一种或两种。

作为优化，所述送料气体可含有磷烷。

作为优化，所述送料气体可含有硼烷

作为优化，所述活化气体为氢气、硅烷、氨气的一种或其混合物。

作为优化，所述接枝气体化合物为烯烃、炔烃等不饱和烃类的一种。

作为补充优化，所述接枝气体化合物为正十二烯，乙炔或苯乙炔等。