一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法与流程

本发明涉及一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术：

球形二氧化硅微粉是一类用途极为广泛的高技术粉体材料，主要用于大规模集成电路封装，在航空航天、涂料、催化剂、医药、特种陶瓷及日用化妆品等高新技术领域也有应用。在塑封料中，高纯球形的二氧化硅表面流动性好，可提高其填充率，其膨胀系数就越小，导热系数就越低，越接近单晶硅的热膨胀系数，由此生产的电子元器件的使用性能也越好。同时球形的二氧化硅微粉应力小，摩擦系数低，可使模具的使用寿命提高一倍。目前，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，我国对球形二氧化硅的需求将达到10万吨以上，然而国内大部分高质量球形二氧化硅还依赖进口，制备高纯球形纳米二氧化硅已成为国内粉体研究的热点。

现阶段高纯球形二氧化硅微粉的制备方法主要包括物理法和化学法，如火焰成球法、高温熔融喷射法、等离子体法、气相法、溶胶-凝胶法、沉淀法等。物理法制备的球形硅微粉所需的原材料较为廉价，但对原材料石英质量和生产设备等要求较高。其中火焰成球法目前是一种可实现规模化生产且有发展前景的工艺技术。化学法可制备出高纯且粒径均匀的球形sio2，但由于需用大量的表面活性剂，因此存在生产成本高、有机杂质不易除净、容易团聚及难以工业化等缺点。并且，现有技术中并没有制备洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法，本发明工艺流程短、操作简单、连续操作、经济效益高、节能环保。

一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法，具体步骤如下：

（1）将高纯二氧化硅和高纯碳混合均匀置于加热反应器中，在温度为1500~2200℃下进行碳热还原反应得到sio和co的混合气体以及底层硅熔体；

（2）利用气体捕集装置将步骤（1）sio和co混合气体导入冷凝管道中，同时将过量氧气匀速通入冷凝管内与sio和co混合气体反应生成高纯球形纳米sio2核和co2；

（3）控制冷凝管道的温度梯度，调控步骤（2）高纯球形纳米sio2核外层sio2生长的层数和粒度得到洋葱结构的高纯球形纳米sio2；

（4）气固分离洋葱结构的高纯球形纳米sio2和co2气体。

进一步，所述步骤（1）高纯二氧化硅和高纯碳的摩尔比为(1~2):1。

进一步，所述sio和co混合气体中sio的体积分数为70~95%。

优选的，所述氧气的通入摩尔量为氧气与sio、co反应所需摩尔量的1.05~1.15倍。

进一步，所述步骤（3）冷凝管道的温度梯度为10~100℃/m。

优选的，高纯二氧化硅和高纯碳的纯度均大于99.9%；

高纯二氧化硅与碳质还原剂高纯碳可以为粉料、块料或二者混合造球；

加热反应器的加热方式包括但不限于：电弧、高温电阻炉、电子束或等离子体；

步骤（2）sio和co混合气体导入冷凝管道中的温度、流速、流量、压力等参数可以根据实际需要调整；

可通过调整冷凝管道的温度梯度来实现高纯球形纳米sio2生长的层数和粒度；

步骤（4）气固分离可采用布袋除尘。

本发明的有益效果是：

（1）本发明洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅可利用不同加热方式进行生产，工艺流程短、操作简单、经济效益高、节能环保；

（2）本发明制备的洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅粒度均匀、纯度高、无团聚，保持纳米球形结构，同时具有洋葱层状结构；

（3）本发明洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法中发生碳热还原反应，在底部生成硅熔体，即同时获得冶金级硅及高纯纳米二氧化硅。

附图说明

图1为本发明工艺流程图；

图2为本发明原理图；

图3为实施例1洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅xrd衍射图；

图4为实施例1洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅扫描电镜图；

图5为实施例1洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图；

图6为实施例2洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图；

图7为实施例3洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法（见图1和图2），具体步骤如下：

（1）将高纯二氧化硅（纯度为99.9%）和碳质还原剂高纯碳（纯度为99.92%）块体混合均匀置于加热反应器（高温电阻炉）中，在温度为1550℃下进行碳热还原反应得到sio和co的混合气体以及底层硅熔体；其中sio和co混合气体中sio的体积分数为90%；

（2）利用气体捕集装置将步骤（1）sio和co混合气体导入冷凝管道中，同时将过量氧气匀速通入冷凝管内与sio和co混合气体反应生成高纯球形纳米sio2核和co2；其中氧气的通入摩尔量为氧气与sio、co反应所需摩尔量的1.1倍；

（3）控制冷凝管道的温度梯度为10℃/m，以调控步骤（2）高纯球形纳米sio2核外层sio2生长的层数和粒度得到洋葱结构的高纯球形纳米sio2；

（4）采用布袋除尘器气固分离洋葱结构的高纯球形纳米sio2和co2气体；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅xrd衍射图如图3所示，从图3可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的xrd图显示为非晶材料的特征；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅扫描电镜图见图4，从图4可知，高纯球形纳米sio2颗粒不仅具有球形结构，同时具有洋葱的分层结构；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图如图5所示，从图5可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的形貌呈球形，且粒径分布均匀，粒径集中在150~200纳米，表明本实施例制备的二氧化硅为具有洋葱结构的纳米材料；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的纯度不低于99.95%。

实施例2：一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法（见图1和图2），具体步骤如下：

（1）将高纯二氧化硅（纯度为99.95%）和碳质还原剂高纯碳（纯度为99.95%）块体混合均匀置于加热反应器（高温电阻炉）中，在温度为1600℃下进行碳热还原反应得到sio和co的混合气体以及底层硅熔体；其中sio和co混合气体中sio的体积分数为92%；

（2）利用气体捕集装置将步骤（1）sio和co混合气体导入冷凝管道中，同时将过量氧气匀速通入冷凝管内与sio和co混合气体反应生成高纯球形纳米sio2核和co2；其中氧气的通入摩尔量为氧气与sio、co反应所需摩尔量的1.15倍；

（3）控制冷凝管道的温度梯度为50℃/m，以调控步骤（2）高纯球形纳米sio2核外层sio2生长的层数和粒度得到洋葱结构的高纯球形纳米sio2；

（4）采用布袋除尘器气固分离洋葱结构的高纯球形纳米sio2和co2气体；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅xrd衍射图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的xrd图显示为非晶材料的特征；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅扫描电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒具有洋葱结构；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图如图6所示，从图6可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的形貌呈球形，且粒径分布均匀，粒径集中在50~100纳米，表明在此条件下制备的二氧化硅为具有洋葱结构的纳米材料；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的纯度不低于99.94%。

实施例3：一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法（见图1和图2），具体步骤如下：

（1）将高纯二氧化硅（纯度为99.97%）和碳质还原剂高纯碳（纯度为99.95%）块体混合均匀置于加热反应器（高温电阻炉）中，在温度为1650℃下进行碳热还原反应得到sio和co的混合气体以及底层硅熔体；其中sio和co混合气体中sio的体积分数为88%；

（2）利用气体捕集装置将步骤（1）sio和co混合气体导入冷凝管道中，同时将过量氧气匀速通入冷凝管内与sio和co混合气体反应生成高纯球形纳米sio2核和co2；其中氧气的通入摩尔量为氧气与sio、co反应所需摩尔量的1.08倍；

（3）控制冷凝管道的温度梯度为80℃/m，以调控步骤（2）高纯球形纳米sio2核外层sio2生长的层数和粒度得到洋葱结构的高纯球形纳米sio2；

（4）采用布袋除尘器气固分离洋葱结构的高纯球形纳米sio2和co2气体；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅xrd衍射图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的xrd图显示为非晶材料的特征；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅扫描电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒具有洋葱结构；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图如图7所示，从图7可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的形貌呈球形，且粒径分布均匀，粒径集中在50~55纳米，表明在此条件下制备的二氧化硅为具有洋葱结构的纳米材料；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的纯度不低于99.96%。

实施例4：一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法（见图1和图2），具体步骤如下：

（1）将高纯二氧化硅（纯度为99.98%）和碳质还原剂高纯碳（纯度为99.95%）块体混合均匀置于加热反应器（高温电阻炉）中，在温度为1650℃下进行碳热还原反应得到sio和co的混合气体以及底层硅熔体；其中sio和co混合气体中sio的体积分数为90%；

（2）利用气体捕集装置将步骤（1）sio和co混合气体导入冷凝管道中，同时将过量氧气匀速通入冷凝管内与sio和co混合气体反应生成高纯球形纳米sio2核和co2；其中氧气的通入摩尔量为氧气与sio、co反应所需摩尔量的1.1倍；

（3）控制冷凝管道的温度梯度为90℃/m，以调控步骤（2）高纯球形纳米sio2核外层sio2生长的层数和粒度得到洋葱结构的高纯球形纳米sio2；

（4）采用布袋除尘器气固分离洋葱结构的高纯球形纳米sio2和co2气体；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅xrd衍射图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的xrd图显示为非晶材料的特征；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅扫描电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒具有洋葱结构；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的形貌呈球形，且粒径分布均匀，粒径集中在40~50纳米，表明在此条件下制备的二氧化硅为具有洋葱结构的纳米材料；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的纯度不低于99.98%。

实施例5：一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法（见图1和图2），具体步骤如下：

（1）将高纯二氧化硅（纯度为99.90%）和碳质还原剂高纯碳（纯度为99.95%）块体混合均匀置于加热反应器（高温电阻炉）中，在温度为1700℃下进行碳热还原反应得到sio和co的混合气体以及底层硅熔体；其中sio和co混合气体中sio的体积分数为90%；

（2）利用气体捕集装置将步骤（1）sio和co混合气体导入冷凝管道中，同时将过量氧气匀速通入冷凝管内与sio和co混合气体反应生成高纯球形纳米sio2核和co2；其中氧气的通入摩尔量为氧气与sio、co反应所需摩尔量的1.1倍；

（3）控制冷凝管道的温度梯度为100℃/m，以调控步骤（2）高纯球形纳米sio2核外层sio2生长的层数和粒度得到洋葱结构的高纯球形纳米sio2；

（4）采用布袋除尘器气固分离洋葱结构的高纯球形纳米sio2和co2气体；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅xrd衍射图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的xrd图显示为非晶材料的特征；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅扫描电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒具有洋葱结构；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的形貌呈球形，且粒径分布均匀，粒径集中在30-50纳米，表明在此条件下制备的二氧化硅为具有洋葱结构的纳米材料；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的纯度不低于99.98%。

实施例6：一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法（见图1和图2），具体步骤如下：

（1）将高纯二氧化硅（纯度为99.98%）和碳质还原剂高纯碳（纯度为99.95%）块体混合均匀置于加热反应器（高温电阻炉）中，在温度为1700℃下进行碳热还原反应得到sio和co的混合气体以及底层硅熔体；其中sio和co混合气体中sio的体积分数为90%；

（2）利用气体捕集装置将步骤（1）sio和co混合气体导入冷凝管道中，同时将过量氧气匀速通入冷凝管内与sio和co混合气体反应生成高纯球形纳米sio2核和co2；其中氧气的通入摩尔量为氧气与sio、co反应所需摩尔量的1.1倍；

（3）控制冷凝管道的温度梯度为30℃/m，以调控步骤（2）高纯球形纳米sio2核外层sio2生长的层数和粒度得到洋葱结构的高纯球形纳米sio2；

（4）采用布袋除尘器气固分离洋葱结构的高纯球形纳米sio2和co2气体；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅xrd衍射图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的xrd图显示为非晶材料的特征；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅扫描电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒具有洋葱结构；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的形貌呈球形，且粒径分布均匀，粒径集中在100~150纳米，表明在此条件下制备的二氧化硅为具有洋葱结构的纳米材料；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的纯度不低于99.98%。

实施例7：一种洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法（见图1和图2），具体步骤如下：

（1）将高纯二氧化硅（纯度为99.99%）和碳质还原剂高纯碳（纯度为99.95%）块体混合均匀置于加热反应器（高温电阻炉）中，在温度为1700℃下进行碳热还原反应得到sio和co的混合气体以及底层硅熔体；其中sio和co混合气体中sio的体积分数为90%；

（2）利用气体捕集装置将步骤（1）sio和co混合气体导入冷凝管道中，同时将过量氧气匀速通入冷凝管内与sio和co混合气体反应生成高纯球形纳米sio2核和co2；其中氧气的通入摩尔量为氧气与sio、co反应所需摩尔量的1.1倍；

（3）控制冷凝管道的温度梯度为60℃/m，以调控步骤（2）高纯球形纳米sio2核外层sio2生长的层数和粒度得到洋葱结构的高纯球形纳米sio2；

（4）采用布袋除尘器气固分离洋葱结构的高纯球形纳米sio2和co2气体；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅xrd衍射图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的xrd图显示为非晶材料的特征；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅扫描电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒具有洋葱结构；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅透射电镜图可知，洋葱结构的高纯球形纳米sio2颗粒的形貌呈球形，且粒径分布均匀，粒径集中在60~80纳米，表明在此条件下制备的二氧化硅为具有洋葱结构的纳米材料；

本实施例洋葱结构的高纯球形纳米二氧化硅的纯度不低于99.99%。

以上是对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。