中國粉體網訊 【摘要】硅微粉作為重要的無機非金屬功能性填料，具有高耐熱、高絕緣、低線性膨脹系數和導熱性好等優異性能，可應用在覆銅板、環氧塑封料、塑料、橡膠、涂料、電工絕緣材料等領域，具有較為廣闊的發展前景。本文介紹了硅微粉的種類、主要性能、生產工藝及其應用領域。
【關鍵詞】硅微粉；生產工藝；改性方法；應用
引言
硅微粉無毒、無味、無污染，具有高耐熱、高絕緣、低線性膨脹系數和導熱性好等優良性能，是一種性能優異的無機非金屬材料，可廣泛應用于電子電路用覆銅板、芯片封裝用環氧塑封料以及電工絕緣材料、膠粘劑、陶瓷、涂料等領域，終端應用于消費電子、汽車工業、航空航天、風力發電、國防軍工等行業。
1 硅微粉的定義及性能
硅微粉是由天然石英（SiO2）或熔融石英（天然石英經高溫熔融、冷卻后的非晶態SiO2）經破碎、球磨（或振動、氣流磨）、浮選、酸洗提純、高純水處理等工序加工處理而得到的二氧化硅粉體材料[1]。
硅微粉除了具備熱膨脹系數低、介電性能優異、導熱性能高、懸浮性能好等優良性能以外，同時還具備以下性能[2-4]：
由于硅微粉純度高，雜質含量低，性能穩定，電絕緣性能優異，使固化物具有良好的絕緣性能和抗電弧性能。
能降低環氧樹脂固化反應的防熱峰值溫度，降低固化物的線膨脹系數和收縮率，從而消除固化物的內應力，防止開裂。
經硅烷偶聯劑處理的硅微粉，對各類樹脂有良好的浸潤性，吸附性能好，易混合，無結團現象。
硅微粉作為填充料，加進有機樹脂中，不但提高了固化物的各項性能，同時也降低了產品成本。
2 硅微粉的分類
硅微粉產品系列比較復雜，應用十分廣泛。根據國標SJ/T10675-2002，硅微粉可作以下分類[2]：
從粉體顆粒形貌上分，可分為角形硅微粉和球形硅微粉。角形硅微粉根據其原材料的不同又分為角形結晶硅微粉和角形熔融硅微粉。與角形硅微粉相比，球形硅微粉在填充性、熱膨脹性、磨損性等方面均具有較大的優勢[5]。
用于集成電路覆銅板的硅微粉主要分為熔融型硅微粉、結晶型硅微粉、活性硅微粉、球形硅微粉和復合硅微粉五種[6]。
2.1 熔融型硅微粉
熔融硅微粉是選用天然石英，經高溫熔煉，冷卻后的非晶態二氧化硅作為主要原料，再經獨特工藝加工而成的微粉。其分子結構排列由有序排列轉為無序排列[1]。其顏色白、純度也較高。與此同時還具備以下特性：具有極低的線性膨脹系數；具有良好的電磁輻射性能以及耐化學腐蝕和穩定的化學特性；具有合理有序且可控的粒度分布[4]。
2.2 結晶型硅微粉
結晶硅微粉是由精選優質石英礦經過清洗、破碎、磁選、超細碎、分級等工藝加工而成[4]。結晶硅微粉顏色白、質純，具有穩定的物理、化學特性以及合理、可控的粒度分布。結晶硅微粉又可以劃分為高純度的結晶硅微粉、電子級的結晶硅微粉和一般填料級的結晶硅微粉[6]。
2.3 活性硅微粉
活性硅微粉是向硅微粉添加適量偶聯劑，在適當的溫度下改性而成的硅微粉，一種無毒、無味、無污染的憎水性（親油性）高純白色微粉[6]。由于其具備憎水性能且能提高混合料以及填充系統的機械和化學性能，因此被廣泛應用到國防科技和電子等領域[4]。
2.4 球形硅微粉
球形硅微粉是以精選的不規則角形硅微粉作為原料，通過高溫近熔融和近球形的方法加工，得到的一種顆粒均勻、無銳角、比表面積小、流動性好、應力低、堆比重小的球形硅微粉材料[1]。
2.5 復合硅微粉
復合硅微粉又稱低硬度硅微粉，簡稱復合粉[6]，是以天然石英和其他無機非金屬礦物（如氧化鈣、氧化硼、氧化鎂等）為原料，經過復配、熔融、冷卻、破碎、研磨、分級等工序加工而成的玻璃相二氧化硅粉體材料[1]。
3 硅微粉的生產工藝
3.1 原料的選礦提純
隨著硅質原料被大量開發利用，高品質的硅質原料逐漸減少；為了滿足產量逐年提高的硅微粉用原材料的要求，部分硅質原料必須經過選礦提純達到質量標準后，才用來加工硅微粉。選礦提純一般是將雜質含量較高的硅質原料經過破碎、篩分、磨礦，使二氧化硅與雜質充分解離，經過磁選、浮選除去雜質；再用酸洗方法，使雜質進一步降低，然后用清水洗去酸液，再用去離子水洗去顆粒表面吸附的殘余雜質離子，使原料達到或高于硅微粉的化學指標；干燥后成為加工硅微粉的原材料[3-4]。
3.2 角形硅微粉的生產工藝
角形硅微粉生產工藝有干法研磨和濕法研磨兩種。
干法研磨生產工藝：是將硅微粉原料放進球磨機或振動磨中研磨，該研磨工藝可以連續進料和出料，也可以一次投入若干重量原料，連續研磨若干時間后出料；出料時要經過微粉分級機控制粒度，粗的產物返回磨機再磨，細的則是產品。干法研磨要嚴格控制入磨物料水分。
濕法研磨生產工藝：是將若干重量硅微粉原料一次投入球磨機中，加入適量的水，作業濃度在65%～80%；連續研磨十幾個小時后，倒出料漿，用壓濾方法或放在料桶內自然沉淀脫水，得到含水料餅；用打碎機打碎分散后均勻連續地投到空心軸攪拌烘干機中，干燥后得到產品[3-4]。
3.3 球形硅微粉的生產工藝
目前，球形硅微粉的生產方法主要包括物理法、化學法及物理化學法。其中，物理法主要包括火焰成球法、高溫熔融噴射法、等離子體法、高溫煅燒球形化等；化學法主要包括氣相法、水熱合成法、自蔓延低溫燃燒法、溶膠-凝膠法、沉淀法和微乳液法等。物理法制備球形硅微粉所需的原材料石英來源廣泛、成本較低，但對石英原材料的質量和生產設備等要求較高。化學法盡管可制備出高純度且粒徑均勻的球形硅微粉，但其制備過程需消耗大量的表面活性劑，導致其存在生產成本過高、有機雜質難以消除及粉體易團聚等問題。因此，物理法比化學法制備球形硅微粉更易于實現工業化、規模化生產[7]。
4 硅微粉的改性
硅微粉的種類、粒度、比表面積、表面官能團等性質直接影響其與表面改性劑的結合作用。不同種類的硅微粉改性效果也是有一定差異的，其中球形硅微粉具有很好的流動性，在改性的過程中易與改性劑結合，能夠較好地分散在有機高分子體系中，并且密度、硬度、介電常數等性能都明顯優于角形硅微粉[8]。
硅微粉常用的改性工藝主要包括包覆改性、干法改性、濕法改性、復合改性[8-9]。
4.1 包覆改性
包覆改性主要是利用硅微粉表面以及高分子材料的結構中官能團的特點在硅微粉的表面進行包覆。在經過包覆改性后，硅微粉表面會形成一層有機高分子材料的薄膜，通過此“薄膜”達到對硅微粉表面改性的目的，包覆改性是一種常用的改變粉體表面物化性質的處理方法[9]。
包覆改性包括冷法改性和熱法改性，其中冷法改性的過程中會使用大量的有機溶劑，很難應用在工業上的大規模生產，生產成本高且改性效率低；熱法改性的包覆效果較好，適合大量生產，但其工藝較復雜難控制[9]。
4.2 干法改性
干法改性是硅微粉在相對干燥的狀態下分散于改性設備中，并配合一定量的表面改性劑在一定溫度下實現的改性。與包覆改性相比，干法改性工藝簡單，生產成本低，是目前國內硅微粉表面改性的主要方式，適合于微米級別硅微粉[8]。
4.3 濕法改性
濕法改性是指在液相條件下對硅微粉表面進行潤濕，降低表面的結合能，然后加入一定量的表面改性劑和助劑，在一定溫度下攪拌分散，實現硅微粉的表面改性。濕法改性工藝能使硅微粉與改性劑更容易分散并更加充分的結合，改性更均勻，但濕法改性需要去除掉粉體中的水分，需要對其進行過濾和干燥，工藝流程復雜且成本較高，更適合粒徑小于5μm的超細硅微粉改性[8-9]。
4.4 復合改性
復合改性工藝是指粉體在細磨粉碎過程中加入改性劑，可以完成粉體的粉碎與改性一體化的工藝。復合改性的工藝流程較為簡單，操作簡便，而且改性劑的存在可以提升研磨介質的粉碎能力，因此可以提高粉碎及改性效率。但是在粉體不斷被超細粉碎的過程中，粉體的比表面積會逐漸增大，新表面的出現會使改性劑難以包覆均勻，且粉碎設備在粉碎過程中產生的熱量會使不耐高溫改性劑分解揮發，從而影響改性效果[9]。
5 硅微粉的應用
硅微粉因自身的絕緣性能良好，主要可用在塑料、橡膠、涂料、覆銅板、環氧塑封料、電工絕緣材料等領域中。
5.1 覆銅板
硅微粉是一種功能性填料，它添加在覆銅板中能提升板材的絕緣性、熱傳導性、熱穩定性、耐酸堿性（HF除外）、耐磨性、阻燃性，提高板材的彎曲強度、尺寸穩定性，降低板材的熱膨脹率，改善覆銅板的介電常數。同時，由于硅微粉原料豐富，價格低廉，能夠降低覆銅板的成本，因此在覆銅板行業的應用日趨廣泛[1]。
5.2 環氧塑封料
隨著電子信息產業的快速發展，電子元器件的作用越來越重要，呈現出更輕、更小、更快的發展趨勢。在這種發展趨勢下，先進的封裝技術扮演著越來越重要的角色，因此對電子封裝用環氧塑封料的流動性也提出了更高的要求。硅微粉是環氧塑封料的重要組成成分，質量分數在70%以上[10]，其作為填充料能夠顯著降低環氧塑封料的線性膨脹系數，可以大幅提升電子產品的可靠性。
5.3 橡膠
橡膠是具有可逆形變的高彈性聚合物材料，可廣泛應用于電子、汽車、土木建筑、國防軍工、醫療衛生以及生活用品等多個領域。在橡膠制備過程中，加入一定量的無機填料，不僅可以降低橡膠的生產成本，而且可以顯著提高橡膠復合材料的綜合物理性能與動態力學性能。硅微粉具有粒度小、比表面積大、耐熱與耐磨性能好等優點，其作為填料可提高橡膠復合材料的耐磨性、拉伸強度與模量、高撕裂等性能[9]。
5.4 塑料
硅微粉作為填料在制作塑料的過程中可用于聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯醚等材料中，廣泛應用于建筑、汽車、電子通信、絕緣材料、農業、日常生活用品、國防軍工等多個領域[9]。
5.5 涂料
在涂料行業中，硅微粉的粒度、白度、硬度、懸浮性、分散性、吸油率低、電阻率高等特性均能提高涂料的抗腐蝕性、耐磨性、絕緣性、耐高溫性能。硅微粉由于具有良好的穩定性一直在涂料填料中扮演重要的角色[11]。
5.6 電工絕緣材料
電工絕緣材料是使電器元件之間以及元件和地面之間絕緣的一種復合材料，廣泛應用于電力輸送、軌道交通、航空航天、風能、核能以及其它電機領域。不同行業在使用絕緣材料的過程中，對其耐熱性、絕緣性以及抗腐蝕性等特性都有一定的要求，硅微粉作為填料制備絕緣材料可使其機械性能和電學性能得到有效改善[9]。
6 結論
近年來，我國硅微粉行業發展勢頭強勁，硅微粉在各個行業的應用日趨廣泛，其產量及市場規模保持快速增長態勢。同時，行業應用的增長也對硅微粉的性能提出了更高的要求，我國在硅微粉高端產品開發領域仍面臨諸多挑戰。因此，面對未來巨大的市場需求，我國必須提高硅微粉生產技術水平，提升硅微粉產品質量，推動高端硅微粉產品國產化進程。
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