CN1305764C - 一种硅粉的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体材料，具体地说是一种生产超细、超纯硅粉的方法。该硅粉的主要成分为：二氧化硅大于99.96%，铁小于0.003%，硅粉颗粒的直径小于1微米，在硅粉颗粒的外表面包覆有硅烷偶联剂。这种超纯、超细硅粉的制作方法包括：a、材料预处理；b、焙烧及煅烧；c、研磨：经过冷却后的矿石进入柱磨机内研磨成325目的硅粉；d、筛分及磁选：将上述硅粉在筛分机上筛选，小于325目的硅粉再进入磁选机内进行磁选，以除去硅粉中的磁性物质；e、化学提纯：将除去磁性物质的硅粉放入反应容器内，与混合有稀氢氟酸与稀盐酸的稀酸溶液发生反应；f、干燥；g、超音速气流粉碎与改性。这种方法有效降低生产成本、提高硅粉的品质。
Description
技术领域
本发明涉及硅粉的制作方法，具体地说是一种超细(硅粉颗粒的直径小于1微米)、超纯(二氧化硅含量大于99.96％)硅粉的生产方法。
背景技术
硅材料为自然界100多种元素之最，硅微粉、超微粉、光导纤维以及硅纳米材料均属新兴工业的原材料，高新技术产业的发展，对硅材料，特别是超纯、超细的硅材料的需求越来越高，而硅材料的超纯、超细性能决定了制品的光学性能、电性能、堆积性、吸附性、流变性、熔化性，烧成温度、烧成时间以及化学反应速率等一系列性能指标。所以，超纯、超细、复合改性的加工制品与应用技术已成为当今国内外重要的工业技术材料开发项目之一。利用高纯度石英加工制备的硅微粉、超微粉、硅纳米粉已广泛应用于国防、航空航天、光纤光缆、精细化工、精密陶瓷、合成水晶、硅微电子及超高压电器等多种领域。
当用于氮化硅、碳化硅等高科技陶瓷及高质量陶瓷釉料、涂料时，要求硅微粉粒度小于10um(1250目)至(0.1um)；制作现代精密光学玻璃，如望远镜、显微镜及电视屏时，研磨抛光所用的硅微粉，要求其平均粒径5～7um；制备容重130kg/m3，超轻型隔热保温节能材料硅酸钙时，要求其粒径小于5um(2500目)。
硅超微粉应用范围相当广泛，用量越来越大，但在我国目前还没有一家能生产出这种产品，完全依赖进口，5000目的硅超微粉售价高达12万元/吨，12500目的硅超微粉售价高达14万元/吨。消耗了大量外汇。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅粉的制作方法，以有效降低生产成本、提高硅粉的品质。
这种超细(硅粉颗粒的直径小于1微米、铁小于0.04％)、超纯(二氧化硅含量大于99.96％)硅粉的制作方法为：a、材料预处理：将二氧化硅原矿石破碎至6～20厘米，再用水清洗矿石；b、焙烧及煅烧：将破碎过的原矿石放入窑炉内，温度从常温逐渐升温至680℃，再同时进行氧化焙烧与氯化焙烧，焙烧温度680℃～1200℃，时间2小时，然后进行煅烧，煅烧温度1200℃～1388℃，时间2小时，再进行焖火，焖火温度800～1200℃，时间12小时以上，再逐渐降温至650℃，然后出窑炉，用冷水浇淋，使原矿石骤冷至常温；c、研磨：经过冷却后的原矿石进入柱磨机内研磨成325目的硅粉；d、筛分及磁选：将上述硅粉在筛分机上筛选，小于325目的硅粉再进入磁选机内进行磁选，除去硅粉中的磁性物质；e、化学提纯：将除去磁性物质的硅粉放入反应容器内，与混合有稀氢氟酸与稀盐酸的稀酸溶液发生反应，反应温度小于40℃，时间2小时，得到二氧化硅含量大于99.96％，铁小于0.04％的硅粉，反应后用水冲洗至pH值为7；f、干燥：将清洗后的硅粉放在烘炉内烘干，温度130℃，时间4小时；g、超音速气流粉碎与改性：将干燥后的硅粉在超音速气流粉碎机内，在2倍音速的气流对喷冲击下，使硅粉颗粒被粉碎至1微米以下，这时硅粉的温度在40℃以上，并处于高速旋转状态下，将硅烷偶联剂加入超音速气流粉碎机内，使偶联剂包覆于超细硅粉颗粒外，形成复合硅粉，完成改性。
在材料预处理时，利用砂轮将矿石表面的杂质打磨掉。
在焙烧与煅烧时所用的窑炉为推板式隧道窑，原矿石放在匣钵内，匣钵安装于推板式隧道窑的带式输送机上，边转动边前进。
在筛分与磁选中，大于325目的硅粉颗粒再送入柱磨机内研磨。
在化学提纯时，先将40％的工业纯氢氟酸和水以1∶6的比例配成溶液，再将工业级浓盐酸与水以1∶4的比例配成溶液，然后将这两种溶液以1∶1的比例混合成稀酸溶液。
干燥时所用的设备为振动流化床。
在化学提纯时，用水冲洗至pH值为7后，再用去离子水清洗，直至利用硝酸银检验不显氯离子反应为止。
利用本发明后，能够生产出硅超微粉体材料及硅系列化产品，为步入硅纳米时代打下良好的基础，满足我国微电子工业的发展及高科技领域新兴材料的需求，尤其是各国竟相发展的高科技军事前沿材料的需求。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
该硅粉的主要成分为：二氧化硅大于99.96％，铁小于0.04％，硅粉颗粒的直径小于1微米，在硅粉颗粒的外表面包覆有硅烷耦联剂。其余为一些残留的其它金属元素，如：银、金等。
1、材料预处理：
第一、选矿标准：SIO2≥99.85％以上；
第二、外观标准：A、洁白如玉；或B、结晶透明；或C、结晶体矿内发黑或发红黄均可；
第三、将原矿块大的进行粗破到6～20公分；
第四、用清水洗矿，去杂质，然后凉晒、人工捡选不合格原矿，有些块矿外表皮包一层杂质，应在砂轮上打磨去除。
2、焙烧及煅烧：
采用推板式隧道窑，这是一种连续性窑炉，用耐火质推板输送装有小块矿石的匣钵，该匣钵可360度旋转，以保证烧透而均匀，入窑烧成连续完成。该窑道截面小，窑内温差较小，产品烧成质量均匀，操作管理方便，可满足各个段的煅烧温度，并采用电脑控制，自动化程度比传统陶瓷工业先进。燃烧用焦碳，热源有保证。备好的石英小块矿装入匣钵，堆码在窑车台上，经预热、氧化焙烧、氯化焙烧、煅烧区、焖火段、聚冷后出窑。
a、预热阶段，使温度从室温升到680℃。通过预热先去除原矿石内的砷硫化物等杂质；
b、氧化焙烧，温度为680℃～1100℃，时间2～2.5小时，氯化焙烧可同时进行。通过氧化焙烧，可去除原矿石内的碳、钛等杂质；通过氯化焙烧可提高原矿石的白度。
c、煅烧，温度为1100℃～1388℃，时间2小时；经过煅烧后，存在于原矿石中的银等元素被蒸发掉，进一步去除原矿石中的杂质。
d、焖火，温度为800～1200℃，时间12小时以上。经过焖火后，可稳定原矿石的膨胀系数。
e、再逐步降温到650℃后，出窑用冷水浇淋，使高温硅粉聚冷，使质变脆，凉干备用，为下一道工序作准备。
通过上述工序后，原来以分散状存在于原矿石中的铁等导磁元素会聚集到一起，聚集后，其磁性就增加，便于下道工序清除。
3、研磨，冷却后的干燥小块矿石送入柱磨机磨成325目的普粉，再自动送入下道工序。
4、筛分及磁选，将上述硅粉在筛分机上筛选，大于325目的原矿石再进行研磨，小于325目的硅粉再进入磁选机内进行磁选，以除去硅粉中的磁性物质；在磁选时，要求硅粉呈分散状均匀流过强磁选机，将存在于硅粉中的铁等元素清除掉，磁选设备可选用国产的SLOM1000型磁选机，2万高斯。
5、化学提纯：
A、将含量40％的工业纯氢氟酸和水配成1∶6的稀溶液；
B、工业级浓盐酸和水配成1∶4的稀溶液；
C、将两种溶液按1∶1混合待用；
D、搅拌反应：依次向卧螺机内加入提纯后的325目普粉和等量的混合稀酸溶液，在40℃下搅拌，2小时后过滤掉稀酸溶液。将两中稀释后的强酸混合后使用时，可大大提高反应能力，从而将存在于硅粉中的各种有色金属全部清除；
E、水冲洗：用自来水冲洗至pH7，然后用去离子水洗，至用硝酸银检验不显氯离子反应为止。
6、烘干：将上述硅粉放入高速离心式喷雾干燥机内，在130℃下烘干4小时，此时硅粉中SiO2的纯度可达99.99％～99.999％，成为高纯度优质普粉。
依据GB3248～88高纯硅粉标准，ISO标准检测。对于年产万吨级的烘干设备，可采用振动流化床，对于年产3万吨以上的设备，可采用喷雾干燥。
7、超音速气流粉碎与改性：
将干燥后的硅粉在超音速气流粉碎机内，在2倍音速的气流对喷冲击下，使硅粉颗粒被粉碎至1微米以下，这时硅粉的温度在40℃以上，并处于高速旋转状态下，将硅烷偶联剂加入超音速气流粉碎机内，使偶联剂包覆于超细硅粉颗粒外，形成复合硅粉，完成改性，表面改性后，可使超纯超细硅粉获得多种功能，提高硅粉与钛、碳、镍等其它粒子的结合力，形成高性能陶瓷等新型材料。
8、包装，利用自动包装机进行定量包装，在包装前还须按常规要求进行检验。
参考文献
1、《非金属矿深加工及煅烧技术》郑水林
2、《岩石结构理论基础与工艺学》荣葵一
3、超音速气流粉碎机可以采用华东理工大学设计的JGMH(600)气流粉碎机。
Claims (7)
1、一种硅粉的制作方法，其特征在于，a、材料预处理：将二氧化硅原矿石破碎至6～20厘米，再用水清洗矿石；b、焙烧及煅烧：将破碎过的原矿石放入窑炉内，温度从常温逐渐升温至680℃，再同时进行氧化焙烧与氯化焙烧，焙烧温度680℃～1200℃，时间2小时，然后进行煅烧，煅烧温度1200℃～1388℃，时间2小时，再进行焖火，焖火温度800～1200℃，时间12小时以上，再逐渐降温至650℃，然后出窑炉，用冷水浇淋，使原矿石骤冷至常温；c、研磨：经过冷却后的原矿石进入柱磨机内研磨成325目的硅粉；d、筛分及磁选：将上述硅粉在筛分机上筛选，小于325目的硅粉再进入磁选机内进行磁选，除去硅粉中的磁性物质；e、化学提纯：将除去磁性物质的硅粉放入反应容器内，与混合有稀氢氟酸与稀盐酸的稀酸溶液发生反应，反应温度小于40℃，时间2小时，得到二氧化硅含量大于99.96％，铁小于0.04％的硅粉，反应后用水冲洗至pH值为7；f、干燥：将清洗后的硅粉放在烘炉内烘干，温度130℃，时间4小时；g、超音速气流粉碎与改性：将干燥后的硅粉在超音速气流粉碎机内，在2倍音速的气流对喷冲击下，使硅粉颗粒被粉碎至1微米以下，这时硅粉的温度在40℃以上，并处于高速旋转状态下，将硅烷偶联剂加入超音速气流粉碎机内，使偶联剂包覆于超细硅粉颗粒外，形成复合硅粉，完成改性。
2、根据权利要求1所述硅粉的制作方法，其特征在于：在材料预处理时，利用砂轮将矿石表面的杂质打磨掉。
3、根据权利要求1所述硅粉的制作方法，其特征在于：在焙烧与煅烧时所用的窑炉为推板式隧道窑，原矿石放在匣钵内，匣钵安装于推板式隧道窑的带式输送机上，边转动边前进。
4、根据权利要求1所述硅粉的制作方法，其特征在于：在筛分与磁选中，大于325目的硅粉颗粒再送入柱磨机内研磨。
5、根据权利要求1所述硅粉的制作方法，其特征在于：在化学提纯时，先将40％的工业纯氢氟酸和水以1∶6的比例配成溶液，再将工业级浓盐酸与水以1∶4的比例配成溶液，然后将这两种溶液以1∶1的比例混合成稀酸溶液。
6、根据权利要求1所述硅粉的制作方法，其特征在于：干燥时所用的设备为振动流化床。
7、根据权利要求1所述硅粉的制作方法，其特征在于：在化学提纯时，用水冲洗至pH值为7后，再用去离子水清洗，直至利用硝酸银检验不显氯离子反应为止。
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