淺析在多種領域“叱咤風云”的二氧化硅

發布時間 | 2019-10-18 17:44 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 4082

石英涂料氧化硅納米材料

導讀：硅在自然界中分布廣泛，在地殼中的含量僅次于氧。而二氧化硅則是硅氧化物中一個極其優秀的存在。本文將與大家探索不同形態的二氧化硅是如何在各個領域“叱咤風云”的。

硅在自然界中分布廣泛，在地殼中的含量僅次于氧。而二氧化硅則是硅氧化物中一個極其優秀的存在。本文將與大家探索不同形態的二氧化硅是如何在各個領域“叱咤風云”的。

圖為二氧化硅晶體結構

廣泛一點來說，二氧化硅在自然界中因為結構不同而存在不同的礦物，當二氧化硅結晶完美時就是水晶；二氧化硅膠化脫水后就是瑪瑙；二氧化硅含水的膠體凝固后就成為蛋白石；二氧化硅晶粒小于幾微米時，就組成玉髓、燧石、次生石英巖。

石英是一種物理性質和化學性質均十分穩固的二氧化硅礦產資源，一般較純凈的石英可用來制造石英玻璃，用于制造耐高溫的化學儀器、光導纖維等。無色透明的石英結晶體礦水晶，常用來制造電子工業的重要部件、光學儀器，也用來制成高級工業品和眼鏡片等，質量再差一些的可以用于制備酒杯，果盤等。低純度的二氧化硅便可以做玻璃，質量再差的可以燒制硅酸鈉，俗稱水玻璃，可以用于填充劑，粘合劑等。

二氧化硅的各種用途

再細致一些，當SiO?制成不同狀態不同材料時，又是怎么發揮自己的獨特優勢呢？

SiO?薄膜

雖然高純的單晶Si是重要的半導體材料，但SiO?卻是優秀的絕緣材料，并且具有非常穩定的化學性質，這使它被廣泛應用于集成電路制造業中。在集成電路制造中主要起到以下幾個作用：

掩蔽雜質——在集成電路制造中，如硼、磷、砷等常用雜質在SiO?膜中的擴散要比在Si中慢得多，因此，在制作半導體器件的各個區時，最常用的方法是首先在硅圓片表面生長一層SiO?膜，經過光刻、顯影后，再刻蝕掉需摻雜區域表面的氧化膜，從而形成摻雜窗口，最終通過窗口選擇性地將雜質注入相應的區域中。

柵氧化層——在MOS/CHOS集成電路的制造工藝中，通常用SiO?作為MOS晶體管的絕緣柵介質，即柵氧層。

介質隔離——集成電路制作中的隔離方法有PN結隔離和介質隔離，其中介質隔離通常選擇的就是SiO?氧化膜。

絕緣介質——SiO?作為一種理想的絕緣體，在多層金屬布線結構中，它可用作上下兩層金屬之間的絕緣介質，防止金屬之間發生短路。

二氧化硅作為柵氧和場氧

SiO?氣凝膠

SiO?氣凝膠是目前世界上密度最低和導熱率最小的固體材料，且具有較高的比表面積、大空容、低聲阻抗等特點。目前建筑材料的隔熱性能普遍較差，SiO?氣凝膠憑借其自優異的性能成為一種環保型的高效保溫隔聲輕質建材，如氣凝膠氈、氣凝膠節能窗、氣凝膠涂料、氣凝膠新型板材等。且SiO?氣凝膠還能制成透明或半透明材料，可有效透過太陽光，是一種很好的絕熱透明材料，可做成太陽能電器蓋、太陽能儲存器等。

圖中黑色材料為氣凝膠材料，用火焰噴槍燒烤，當氣凝膠的表面變紅，而下方的人員無恙

SiO?氣凝膠還具有高孔隙率、高比表面積、低密度、高熱穩定性，且孔洞與外界相通的特點，是性能良好的吸附劑。例如用它作室溫氣體捕獲劑，吸附燃氣中的氣體，處理廢水、廢氣、放射性廢物、吸附核燃料等，這方面的研究對人類的可持續發展具有深遠意義。SiO?氣凝膠還可用于作藥物載體，可有效提高藥物的溶解和吸收性，還能通過改變氣凝膠的疏水性來控制藥物釋放速度，達到更好的醫療效果。SiO?氣凝膠改性后還可以用作化學催化劑載體、無害高效殺蟲劑等。

圖為親水SiO?氣凝膠微球

納米SiO?材料

納米SiO?俗稱“超微細白炭黑”，是納米材料中重要的一員，它的應用領域十分廣闊，幾乎涉及到所有應用二氧化硅粉體的行業。

納米SiO?作為涂料的重要助劑之一，它的開發與應用為涂料的發展注入了新的活力，可利用其各種特殊效應來提高涂料各方面的性能。例如，納米SiO?具有極強的紫外吸收、紅外反射特性，添加至涂料中能達到抗紫外老化和熱化、增加韌性彈性、耐老性等特性，顯著改善涂料的自清潔、防水防滲、防磨損、防腐蝕、保色性等性能；添加到鋼結構防火涂料中可以提高防火涂料膨脹后炭質層的強度，延長鋼結構的耐火極限等。此外，納米SiO?在塑料涂料、噴墨紙涂料、水性木器涂料等中也有及其重要的應用。

圖（1）納米SiO?在建筑涂料中的應用（2）以SiO?為填料的保溫隔熱涂料

（3）納米SiO?在彩色噴墨打印紙涂料中的應用

通過添加納米SiO?對有機顏（染）料進行表面改性處理，可使其性能大幅提高，提高亮度、色調和飽和度等指標，極大地拓寬了檔次和應用范圍。

將分散好的納米SiO?顆粒均勻地添加到樹脂材料和普通橡膠中, 可全面改善樹脂基材料和橡膠填料性能，如強度、韌性、延展性以及抗老化性、保色性等。

納米SiO?還是電子封裝材料及密封膠重要添加原料，納米SiO?形成網絡結構可以抑制膠體流動,、提高固化速率、提高粘結效果 ,增加膠的密封性。

在玻璃鋼制品中添加納米SiO?顆粒，可使材料韌性增加，抗拉強度和抗沖擊強度提高，耐熱性能也大幅提高。而在陶瓷中添加納米SiO? ,可使其結構更加致密 ,并提高強度性能和改善冷熱疲勞性能。SiO?填充聚氯乙烯農用薄膜, 利用它透光、粒度小的特點 ,可以使塑料變得更致密, 特別是半透明塑料膜,添加SiO?可大大提高透明度、強度、韌性、防水性能。

納米SiO?為無機成分，易于與化妝品其它組分配伍，無毒、無味，自身為白色，反射紫外能力強、穩定性好，被紫外線照射后不分解，不變色，也不會與配方中其它組分起化學反應。如，添加至指甲油及唇膏中可令色素分布均勻、提高耐溫性；加入的防曬產品中可使體系更均勻、更穩定、改善涂抹時的膚感和手感，全面提高產品性能。

口紅中加入SiO?令色素分布均勻

介孔SiO?納米材料

介孔SiO?納米材料兼具了介孔材料和納米材料的雙重特性，且合成方便、價格低廉，在傳統介孔材料領域之外還在多種領域顯示出了極大的應用前景。由于介孔SiO?納米材料具有獨特的孔道結構、較大的孔道半徑使之能夠包埋生物大分子，還有良好的熱穩定性、光學透明性和化學惰。作為催化劑載體，它能增強催化劑的穩定性、反應活性和選擇性；作為良好的藥物載體,能夠實現對藥物的靶向輸送和控制釋放；且在生物固化、生物傳感系統、基因載體等方面皆具有很大的應用價值。雖然國內外的許多研究組使用了不同的方法進行嘗試, 但是制備粒徑均一的、單分散的、尺寸可控的介孔二氧化硅納米粒子仍然是一大難點。