硅作為一種半導體材料，是儲存量極其豐富，信息技術發展不可或缺的重要工業原料。硅材料向納米尺寸轉變時賦予了其獨特的尺寸效應和物理化學性能，如今納米硅粉已經在鋰電池、復合材料、陶瓷材料、生物材料等領域得到了巨大的應用。隨著新能源等新興行業的快速發展，對原料性能要求越來越高，傳統的納米硅粉已經難以滿足市場的需求，因此急需納米化、高純化的高品質硅粉。

硅碳負極在高性能動力電池上已開始推廣

納米硅粉生產制備現狀

目前，納米硅粉的制備方法主要有機械球磨法、化學氣相沉積法、等離子蒸發冷凝法三種。西方國家工業生產納米硅粉的起步較早，有專門的硅粉制品公司，如日本帝人、美國杜邦、德國H. C. Stark、加拿大泰克納等均能夠應用等離子蒸發冷凝法生產多種不同粒度的高純納米硅粉，生產技術方面處于世界領先地位。

國內對納米硅粉的研制起步較晚，制造水平相對落后，通常采用機械球磨法合成納米硅粉，少部分高校和科研院所可以通過化學氣相沉積法和等離子蒸發冷凝法制備納米硅粉，但僅僅處于實驗水平，無法達到批量化生產。

納米硅粉制備方法

一、機械球磨法

機械球磨法是利用機械旋轉及粒子之間的相互作用產生的機械碾壓力和剪切力將尺寸較大的硅材料研磨成納米尺寸的粉末。

該方法研磨過程需加入助磨劑，易引入雜質，產品純度較低，且顆粒為不規則形狀，粒徑分布不能有效控制，后處理比較繁瑣，生產效率偏低，并不適合進行大規模工業生產。

球磨機工作原理

二、化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是一種以硅烷(SiH₄)為反應原料進行納米硅粉生產的技術。

根據誘發SiH₄熱解的能量源不同，可分為等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)、激光誘導化學氣相沉積法(LICVD)和流化床法(FBR)，其中PECVD和LICVD是目前生產納米硅粉最主要的工業生產技術。美國杜邦公司在20世紀70年代已采用PECVD方法實現了納米硅粉批量化生產。

但一般的化學氣相沉積法以硅烷為原料，屬于易燃易爆氣體，不利于輸運和儲存，因此在該方法的基礎上，演變出了氣相誘導合成法。

這幾種制備方法的原理及特點如下表：

三、等離子蒸發冷凝法

該方法是近10年來用于制造高純、超細、球形、高附加值粉體的一種安全高效的方法。一般通過等離子熱源將反應原料氣化成氣態原子、分子或部分電離成離子，并通過快速冷凝技術，冷凝為固體粉末。

等離子體的局部電子溫度(T_e)、離子溫度(T_i)以及氣體溫度(T_g)幾乎一致，可達10000 K以上，非常適合制備與合成各類金屬納米粉體以及碳化物、氮化物納米粉體。

感應等離子蒸發冷凝法制備納米硅粉示意圖

激光蒸發冷凝法制備的納米顆粒尺寸大小有一小一大的特征，其形成機制不同：小顆粒為蒸發冷凝形成，隨著環境氣體壓力的增加而增大；大顆粒為激光與靶材相互作用后熔體噴射后形成，且大顆粒數量隨著激光能量密度的增加和激光脈沖寬度的減少而減少，與環境氣體壓力無關。該方法制備的納米硅粉純度高、粒度可控、生產效率高。

總結

幾種主流制備納米硅的方法對比：

傳統的機械球磨法易引入雜質、純度較低、粒徑分布不均勻，顯然不適合當前社會對納米硅粉高品質的需求；

化學氣相沉積法采用易燃易爆的硅烷作為反應原料，生成易燃易爆的氫氣，在存儲和使用上存在安全風險，并且該方法只能分批次進行生成，生產效率較低；

等離子蒸發冷凝法具有粒度可控、純度高、安全可靠、可連續制備等優點，適合當前新興領域對于納米硅粉高品質的需求。

目前西方國家在等離子蒸發冷凝法制備粉體方面已經實現了工業化，如加拿大泰克納公司生產的等離子體物理氣相合成設備已成功應用于Si、Mn、Mo、W等多種超細粉體的商業化制備；德國的斯塔克工廠已實現難熔金屬及碳化物(SiC)超細粉、高純金屬超細粉(Al、B、Si等)的工業化生產；俄羅斯原子能研究所采用直流電弧等離子體制備了Ni、Al、Si、Mg、Mn、Mo、V等金屬納米粉，并實現了納米粉體的粒度控制等。

但國內引入該方法較晚，目前的研究起步不久，還存在基礎理論研究不夠深入、對納米顆粒的性能研究范圍窄、還未很好解決產量和產率等問題，今后的研究需重點圍繞幾個主要問題，進一步探索可以大規模生產的新工藝，以早日實現高性能納米硅粉的國產化突破。

參考來源：

1. 納米硅粉制備技術及發展前景展望，張思源、張鑫、王彥軍、賈坤樂、胡曉蕾；

2. 激光蒸發冷凝法制備納米顆粒的研究現狀，黃開金、謝長生、許德勝（1 .華中科技大學，國家模具重點實驗室；2 .華中科技大學，激光技術國家重點實驗室）。

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