硅微粉的用途及生产技术

硅微粉的用途及生产技术

姓名：白志文 班级：材料化学101 学号：051002101

摘要：按照体颗粒形状分类的方法将硅微粉分为角形硅微粉和球形硅微粉，通过机械破碎等得到硅微粉产品。本文论述了硅微粉产品的宽广应用领域，以及国内硅微粉产品生产与需求概况及其生产技术。

关键词：硅微粉; 制备工艺；加工技术；用途

1 绪论

硅微粉{二氧化硅微粉}是主要成份为SiO 2，是冶炼硅铁合金和金属硅时被烟

气带出炉外的无晶形细颗粒，具有优越的火山灰性能。近年来随着归家环保法规的逐步落实和人们环保意识的提高以及硅微粉应用领域的日益扩大，硅系铁合金生产厂相继新建或配套改造了烟气净化系统，即硅微粉生产系统。回收硅微粉，尽可能的使废物资源化和无害化，减少工业生产对人类和环境的影响，既有经济效益，又有社会和环境效益。1

2 硅微粉性能及用途

硅微粉是用二氧化硅(SiO2)又称石英的材料经过破碎、提纯、研磨、分级等工艺精细加工而成，其纯度高、色泽白、颗粒级配合理，有着独特的性能和广泛的用途。

2. 1 硅微粉性能

(1)具有良好的绝缘性：由于硅微粉纯度高，杂质含量低，性能稳定，电绝缘性能优异，使固化物具有良好的绝缘性能和抗电弧性能。

(2)能降低环氧树脂固化反应的放热峰值温度，降低固化物的线膨胀系数和收缩率，从而消除固化物的内应力，防止开裂。

(3)抗腐蚀性：硅微粉不易与其他物质反应，与大部分酸、碱不起化学反应，其颗粒均匀覆盖在物件表面，具有较强的抗腐蚀能力。2

(4)颗粒级配合理，使用时能减少和消除沉淀、分层现象；可使固化物的抗

拉、抗压强度增强，耐磨性能提高，并能增大固化物的导热系数，增加阻燃性能。

(5)经硅烷偶联剂处理的硅微粉，对各类树脂有良好的浸润性，吸附性能好，易混合，无结团现象。

(6)硅微粉作为填充料，加进有机树脂中，不但提高了固化物的各项性能，同时也降低了产品成本。 3

2.2 几种主要用途硅微粉的理化指标

2.2.1 电子及电器工业用硅微粉

电子及电器工业用硅微粉(SJ/T10675－2002) 产品分类及代号：用于电工行业有普通硅微粉(PG)、普通活性硅微粉(PGH)、电工级硅微粉(DG)、电工级活性硅微粉(DGH)。用于电子行业有电子级结晶型硅微粉(JG)、电子级结晶型活性硅微粉(JGH)、电子级熔融型硅微粉(RG)、电子级熔融型活性硅微粉(RGH)。产品规格为产品网目数，分为300、400、600、1000目。产品的粒度分布见表1，产品的理化指标见表2。

2.2.2 普通无碱玻璃纤维和电子工业用玻璃纤维原料

普通无碱玻璃纤维和电子工业用玻璃纤维原料化学成分(%)为：SiO2>99.0，Al2O398. 0%。4

2.3 硅微粉的用途

由于硅微粉具有良好的特性，因此它有着广泛的用途。

(1)电子行业：作为电子产品如集成电路块、半导体器件的塑封料填料。

(2)电工行业：作为电工产品如电流互感器、电压互感器、干式变压器等高压电气部件的浇注料填料。

(3)作为玻璃纤维的主料，用于生产普通无碱玻璃纤维和电子工业用玻璃纤维。

(4) 硅橡胶和塑料的填充料。41

(5) 涂料的添加料。

(6) 建筑业：①可做水泥掺合料，以降低水灰比，提高和易性；②用于钢筋混凝土，可以大大提高混凝土的密实性，增强抗渗漏性，如用于水电大坝、大小型水池等。③作各种建筑砂浆的填充料。5

(7) 耐火材料工业： 作添加机制取高级耐火材料。

(8) 石油领域：石油钻井固井。

(9) 化学工业：高质量的硅微粉可作为惰性填充材料应用于各种化合物中，以代替滑石和高岭土等硅酸盐材料。

(10) 科研、冶金等领域。

(11) 其他：如牙用材料，陶瓷、日用化工用材料等。6

2．4 一般硅微粉产品的应用领域

作为填料或辅料可用于以下方面：

陶瓷、冶金熔剂、铸造及金属表面处理；电子元器件封装；橡胶；T 程塑料；高档油漆、防腐涂料；电焊条涂层；建筑砂浆及高强混凝土骨料；高级耐火材料；太阳能光电池、军用天线反射罩；牙用材料；环保及油井加压等。

2.5 球形硅微粉产品的应用领域

超大规模和甚大规模集成电路塑封料；超大规模电子显像；精细化工；可擦写光盘及大面积电子基板；特种陶瓷及特种橡胶；航空、航天工程等。

2.6 纳米Si02产品的应用领域

橡胶、油漆涂料、电子封装材料、硅基基板、功能化学纤维、功能塑料、高级陶瓷、特种耐火材料、密封胶、粘结剂、化工、医药、农药、高分子复合材料、玻璃钢、化妆品、油墨、农业种子处理剂及消防的干粉灭火剂等。

3 硅微粉原料的加工和提纯

3.1 硅微粉原料的选矿提纯

我国的硅质原料资源丰富，有水晶、半透明及乳白色脉石英、变质石英岩、

沉积石英砂岩、海相沉积石英砂、河湖相沉积石英砂、粉石英等类型。随着硅质原料被大量开发利用，高品质的硅质原料逐渐减少；为了满足产量逐年提高的硅微粉用原材料的要求，部分硅质原料必须经过选矿提纯达到质量标准后，才用来加工硅微粉。

选矿提纯一般是将杂质含量较高的硅质原料经过破碎、筛分、磨矿，使二氧化硅与杂质充分解离，经过磁选、浮选除去杂质；再用酸洗方法，使杂质进一步降低，然后用清水洗去酸液，再用去离子水洗去颗粒表面吸附的残余杂质离子，使原料达到或高于硅微粉的化学指标；干燥后成为加工硅微粉的原材料。

我国加工玻璃用硅砂而产生的质量较高的细粉和南方的粉石英，均可作为硅微粉的原材料。在实际生产中，根据要求的质量进行提纯。或是经过浮选、磁选除杂质，或是经过水洗分级除杂质，或是经过酸洗除杂质，干燥后，作为硅微粉的原材料。如质量较好的粉石英，开采出来后，经水洗分级除去粗颗粒和杂质，细粒级干燥后可作为生产无碱玻璃纤维原料。7

3.2 熔融硅微粉原料的加工

熔融硅微粉又称无定形硅微粉或非晶态硅微粉。用破碎、研磨和分级方法生产的熔融硅微粉其原材料是熔炼石英。熔炼石英生产工艺：先将硅质原料破碎到10～20mm 的小块料，采用堆积酸浸法，除去表面杂质，再用清水洗净后干燥。将清洁、干燥的小块料投入熔炼石英炉中，接通硅碳棒电源；经过高温(1 800～2 000℃) 熔炼约10h 后，出炉急冷破碎，经手选，再经纯化酸洗、脱酸、去离子水清洗，干燥后成为无定形硅微粉的原材料。值得注意的是硅质原料中如果含有较高的液体或气体包裹体，则不宜用来作为熔炼石英的原料。

4 硅微粉的生产

4.1 角形硅微粉的生产

角形硅微粉是用硅微粉原材料经研磨而得到的外形无规则多呈棱角状的硅微粉。角形硅微粉根据其原材料的不同又分为角形结晶硅微粉和角形熔融硅微粉。

4.1.1 主要生产设备

角形硅微粉的主要生产设备有球磨机、振动磨、微粉分级机和烘干机。下面分别简要介绍其工作原理。

球磨机：可以是干法也可以是湿法研磨物料。当球磨机运转时，磨矿介质与物料一起被提升到一定高度后下落，如此反复进行，处于磨矿介质之间及磨矿介质与磨机桶壁之间的物料受到冲击和物料在磨矿介质的滚动、滑动过程中被研磨成细粉。

振动磨：利用磨矿介质受磨机的振动作用，在磨机腔体内滑动、滚动而对物料进行研磨。微粉分级机的分级原理是：物料被风机抽吸到分级室内，在高速运转的分级转子和分级叶片之间被分级；粗物料沿分级筒壁而下，从底部粗粉出口排出；细粉则随气流穿过转子叶片的间隙由上部细粉出口排出，从而达到分级的目的。烘干机：为了保证硅微粉极低的含水率和在干燥时不受污染以及提高生产效率、节约能源而采用空心轴搅拌烘干机，其工作原理是：物料从进料口进入烘干机内，由空心桨叶输送至出料口出料；物料在被输送过程中，受空心桨叶搅拌并由空心桨叶和机体夹套

同时加热，水分被蒸发而烘干。含水量在15%～20%的物料，干燥后水分可控制在0.05%以下。8

4.1.2 生产工艺

角形硅微粉生产工艺有干法研磨和湿法研磨两种。干法研磨生产工艺：是将硅微粉原料放进球磨机或振动磨中研磨，该研磨工艺可以连续进料和出料，也可以一次投入若干重量原料，连续研磨若干时间后出料；出料时要经过微粉分级机控制粒度，粗的产物返回磨机再磨或作为产品，细的则是产品。干法研磨要严格控制入磨物料水分，产品不再干燥。工艺流程见图1。

湿法研磨生产工艺：是将若干重量硅微粉原料一次投入球磨机中，加入适量的水，作业浓度在65%～80%；连续研磨十几个小时后，倒出料浆，用压滤方法或放在料桶内自然沉淀脱水，得到含水料饼；用打碎机打碎分散后均匀连续地投到空心轴搅拌烘干机中，干燥后得到产品。工艺流程见图2。

无论是干法研磨还是湿法研磨，磨机中还应加入几种直径按要求配比的磨球，又称磨矿介质。根据进料粒度大小和产品粒度要求，磨矿介质的直径和配比是不同的，研磨时间也是不同的。为了避免物料在研磨时被污染，使用的磨矿介质应是非金属材料如氧化铝陶瓷球或硅石；磨机的桶体内也必须衬高强度耐磨材料如氧化铝陶瓷、硅石或聚氨脂橡胶。9

4.2 球形硅微粉的生产

球形硅微粉主要用于大规模、超大规模和特大规模集成电路的封装上。 微电子工业的迅速发展，对硅微粉提出了越来越高的要求。硅微粉不仅要超细、高纯度、低放射性元素含量，而且对颗粒形状提出了球形化要求。高纯熔融球形硅微粉(球形硅微粉) 由于其流动性好，表面积小，堆积密度高，填充量可达到较高的填充量，与树脂搅拌成膜均匀。硅微粉的填充率越高，塑封料的膨胀系数就越小，也就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。用球形硅微粉制成的塑封料应力集中小，强度高，球形硅微粉的应力集中仅为角形硅微粉应力集中的60%，因此，球形硅微粉塑封料封装集成电路芯片时，成品率较高，且运输和使用过程中不容易产生机械损伤。球形硅微粉无棱角，因而对模具的磨损小，模具的使用寿命长，塑封料的封装模具十分精密而且价格很高，使用球形硅微粉塑封料可降低模具成本，提高经济效益。

目前国外球形硅微粉的生产有：高温熔融喷射法、气体火焰法、液相中控制正硅酸乙脂、四氯化硅的水解法等工艺。近年来，国内多家科研单位和企业都在进行球形硅微粉的研究工作，但大都处于试验室研究阶段，尚未真正进入产业化阶段。

中国建材国际工程有限公司自20世纪70年代起就致力于我国硅质原料提纯技术和资源开发利用的研究工作。为促进我国信息产业的发展，公司也正在进

行球形硅微粉的研制工作，并建立了中试试验室，采用的是气体燃烧火焰成球法，简介如下。

4.2.1 主要生产设备

粉料定量输送系统、燃气量控制和混合装置、气体燃料高温火焰喷枪、冷却回收装置，下面分别简要介绍其工作原理。

粉料定量输送系统：是用气力输送的方法将要加工成球形硅微粉的粉料按照规定的给料量连续、均匀地输送到高温火焰中。

燃气量控制和混合装置：可根据火焰温度、火焰长度和刚度调节、控制燃气量和助燃气体量，并将燃气与助燃气体充分混合后送到高温火焰喷枪。

气体燃料高温火焰喷枪：是将混合燃料气体(混合入助燃气体) 和非球形硅微粉物料同时喷出，点火后产生高温火焰，熔融分散的硅微粉，使之成为球形硅微粉。

冷却回收装置：将已被熔融且分散的高温球形硅微粉，迅速冷却避免出现析晶现象，并将冷却后的球形硅微粉在收集器中回收。

4.2.2 生产工艺流程(见图3)

10

4.2.3 成球机理

高温火焰喷枪喷出1600～2000℃的高温火焰，当粉体进入高温火焰区时其角形表面吸收热量而呈熔融状态，热量进一步被传递到粉体内部，粉体颗粒完全呈熔融状态。在表面张力的作用下，物体总是要趋于稳定状态，而球形则是最稳定状态，从而达到产品成球目的。

粉体颗粒能否被熔融取决于两方面：一是火焰温度要高于粉体材料的熔融温度，这就要选择合适的气体燃料；二是保证粉体颗粒熔融所需要的热量。在火焰温度一定的情况下，不同粒径的粉体颗粒达到熔融所需要的热量是不同的，而吸收热量的多少与粉体颗粒在火焰中的时间成正比，因此可得到粉体颗粒在火焰中达到熔融所需要的时间与其粒径的关系：t =β·ω·d 2 式中：t 为粉体颗粒在火焰中达到熔融所需要的时间；β为材料的相关系数，如比热、导热系数、密度等；ω为火焰的相关系数；d 为粉体颗粒粒径。

根据粉体颗粒在火焰中达到熔融所需要的时间和粉体颗粒在火焰中的速度，得到所需火焰的长度尺寸，通过调节燃气量控制装置达到要求。

4.2.4 球形硅微粉的原料

气体燃烧火焰成球法生产球形硅微粉的原料是角形结晶硅微粉或角形熔融硅微粉，但应注意，原料中不能有水分，也不能用经偶联剂处理的硅微粉作原料，以免影响粉料的输送和在熔融时产生水汽，影响熔融效果。

5 结论

硅微粉目前已经在电子工业塑封料、电器工业浇注料、玻璃纤维工业、硅橡胶、化工、高级陶瓷、特种耐火材料等领域应用，随着高新技术产业的发展，硅微粉用途越来越广，用量越来越大。

国内目前生产的主要是角形结晶硅微粉和角形熔融硅微粉，虽然能满足国内市场的需求，也有部分出口，但大部分产品档次较低。国内市场需求的高档硅微粉如球形硅微粉、超细硅微粉仍依赖国外进口。

在玻璃纤维工业，硅微粉基本上可满足生产要求，随着新建玻璃纤维工厂的投产，需求量将进一步扩大。

随着我国半导体集成电路与电子器件以及电工器件的发展，对硅微粉的需求量将越来越大。对于未来巨大的市场需求，必须提高硅质原料质量，提高硅微粉生产技术水平，加强生产过程的测试和控制，从而提高硅微粉产品质量；根据市场需求，生产适合各领域质量要求的各种规格的硅微粉，以满足国内外市场的需求。

随着我国微电子工业与高新技术飞速发展，高纯、超细和球形化硅微粉的需求量每年都在以20％的比例递增。但国内的硅微粉生产企业由于受技术与资金限制，缺乏专用设备、缺乏对工艺流程的监测与控制、加之生产环境恶劣，因而造成产品质量不高，且不稳定，真正意义上的球形硅微粉和纳米Si02的生产还几乎处于空白状态。同时，硅微粉广阔的潜在市场亟待开发。可谓硅微粉行业商机无限。

参 考 文 献 1 邱富仁. 硅微粉的加工技术与市场开发

2 蒋学鑫. 非金属矿精品——硅微粉

3 张启万. 硅微粉产品的生产与应用

4 张宇平. 粉石英制取电子级结晶型硅微粉的研究

5 谢美銮. 高分子聚合物包覆硅微粉技术及在覆铜板中的应用

6 屠庆模. 活性二氧化硅微粉的制备及工程应用

7 何 斌. 浅议硅微粉的深加工

8 李化建. 用优质石英矿制备高纯超细硅微粉工艺

9 陈志强. 中国的二氧化硅微粉及标准

10 李 舟. 准球形硅微粉用于环氧建筑结构胶的研究