中国粉体网讯 【摘要】硅微粉作为重要的无机非金属功能性填料，具有高耐热、高绝缘、低线性膨胀系数和导热性好等优异性能，可应用在覆铜板、环氧塑封料、塑料、橡胶、涂料、电工绝缘材料等领域，具有较为广阔的发展前景。本文介绍了硅微粉的种类、主要性能、生产工艺及其应用领域。
【关键词】硅微粉；生产工艺；改性方法；应用
引言
硅微粉无毒、无味、无污染，具有高耐热、高绝缘、低线性膨胀系数和导热性好等优良性能，是一种性能优异的无机非金属材料，可广泛应用于电子电路用覆铜板、芯片封装用环氧塑封料以及电工绝缘材料、胶粘剂、陶瓷、涂料等领域，终端应用于消费电子、汽车工业、航空航天、风力发电、国防军工等行业。
1 硅微粉的定义及性能
硅微粉是由天然石英（SiO2）或熔融石英（天然石英经高温熔融、冷却后的非晶态SiO2）经破碎、球磨（或振动、气流磨）、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等工序加工处理而得到的二氧化硅粉体材料[1]。
硅微粉除了具备热膨胀系数低、介电性能优异、导热性能高、悬浮性能好等优良性能以外，同时还具备以下性能[2-4]：
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。
能降低环氧树脂固化反应的防热峰值温度，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。
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。
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。
2 硅微粉的分类
硅微粉产品系列比较复杂，应用十分广泛。根据国标SJ/T10675-2002，硅微粉可作以下分类[2]：
从粉体颗粒形貌上分，可分为角形硅微粉和球形硅微粉。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。与角形硅微粉相比，球形硅微粉在填充性、热膨胀性、磨损性等方面均具有较大的优势[5]。
用于集成电路覆铜板的硅微粉主要分为熔融型硅微粉、结晶型硅微粉、活性硅微粉、球形硅微粉和复合硅微粉五种[6]。
2.1 熔融型硅微粉
熔融硅微粉是选用天然石英，经高温熔炼，冷却后的非晶态二氧化硅作为主要原料，再经独特工艺加工而成的微粉。其分子结构排列由有序排列转为无序排列[1]。其颜色白、纯度也较高。与此同时还具备以下特性：具有极低的线性膨胀系数；具有良好的电磁辐射性能以及耐化学腐蚀和稳定的化学特性；具有合理有序且可控的粒度分布[4]。
2.2 结晶型硅微粉
结晶硅微粉是由精选优质石英矿经过清洗、破碎、磁选、超细碎、分级等工艺加工而成[4]。结晶硅微粉颜色白、质纯，具有稳定的物理、化学特性以及合理、可控的粒度分布。结晶硅微粉又可以划分为高纯度的结晶硅微粉、电子级的结晶硅微粉和一般填料级的结晶硅微粉[6]。
2.3 活性硅微粉
活性硅微粉是向硅微粉添加适量偶联剂，在适当的温度下改性而成的硅微粉，一种无毒、无味、无污染的憎水性（亲油性）高纯白色微粉[6]。由于其具备憎水性能且能提高混合料以及填充系统的机械和化学性能，因此被广泛应用到国防科技和电子等领域[4]。
2.4 球形硅微粉
球形硅微粉是以精选的不规则角形硅微粉作为原料，通过高温近熔融和近球形的方法加工，得到的一种颗粒均匀、无锐角、比表面积小、流动性好、应力低、堆比重小的球形硅微粉材料[1]。
2.5 复合硅微粉
复合硅微粉又称低硬度硅微粉，简称复合粉[6]，是以天然石英和其他无机非金属矿物（如氧化钙、氧化硼、氧化镁等）为原料，经过复配、熔融、冷却、破碎、研磨、分级等工序加工而成的玻璃相二氧化硅粉体材料[1]。
3 硅微粉的生产工艺
3.1 原料的选矿提纯
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[3-4]。
3.2 角形硅微粉的生产工艺
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，细的则是产品。干法研磨要严格控制入磨物料水分。
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[3-4]。
3.3 球形硅微粉的生产工艺
目前，球形硅微粉的生产方法主要包括物理法、化学法及物理化学法。其中，物理法主要包括火焰成球法、高温熔融喷射法、等离子体法、高温煅烧球形化等；化学法主要包括气相法、水热合成法、自蔓延低温燃烧法、溶胶-凝胶法、沉淀法和微乳液法等。物理法制备球形硅微粉所需的原材料石英来源广泛、成本较低，但对石英原材料的质量和生产设备等要求较高。化学法尽管可制备出高纯度且粒径均匀的球形硅微粉，但其制备过程需消耗大量的表面活性剂，导致其存在生产成本过高、有机杂质难以消除及粉体易团聚等问题。因此，物理法比化学法制备球形硅微粉更易于实现工业化、规模化生产[7]。
4 硅微粉的改性
硅微粉的种类、粒度、比表面积、表面官能团等性质直接影响其与表面改性剂的结合作用。不同种类的硅微粉改性效果也是有一定差异的，其中球形硅微粉具有很好的流动性，在改性的过程中易与改性剂结合，能够较好地分散在有机高分子体系中，并且密度、硬度、介电常数等性能都明显优于角形硅微粉[8]。
硅微粉常用的改性工艺主要包括包覆改性、干法改性、湿法改性、复合改性[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结构中官能团的特点在硅微粉的表面进行包覆。在经过包覆改性后，硅微粉表面会形成一层有机高分子材料的薄膜，通过此“薄膜”达到对硅微粉表面改性的目的，包覆改性是一种常用的改变粉体表面物化性质的处理方法[9]。
包覆改性包括冷法改性和热法改性，其中冷法改性的过程中会使用大量的有机溶剂，很难应用在工业上的大规模生产，生产成本高且改性效率低；热法改性的包覆效果较好，适合大量生产，但其工艺较复杂难控制[9]。
4.2 干法改性
干法改性是硅微粉在相对干燥的状态下分散于改性设备中，并配合一定量的表面改性剂在一定温度下实现的改性。与包覆改性相比，干法改性工艺简单，生产成本低，是目前国内硅微粉表面改性的主要方式，适合于微米级别硅微粉[8]。
4.3 湿法改性
湿法改性是指在液相条件下对硅微粉表面进行润湿，降低表面的结合能，然后加入一定量的表面改性剂和助剂，在一定温度下搅拌分散，实现硅微粉的表面改性。湿法改性工艺能使硅微粉与改性剂更容易分散并更加充分的结合，改性更均匀，但湿法改性需要去除掉粉体中的水分，需要对其进行过滤和干燥，工艺流程复杂且成本较高，更适合粒径小于5μm的超细硅微粉改性[8-9]。
4.4 复合改性
复合改性工艺是指粉体在细磨粉碎过程中加入改性剂，可以完成粉体的粉碎与改性一体化的工艺。复合改性的工艺流程较为简单，操作简便，而且改性剂的存在可以提升研磨介质的粉碎能力，因此可以提高粉碎及改性效率。但是在粉体不断被超细粉碎的过程中，粉体的比表面积会逐渐增大，新表面的出现会使改性剂难以包覆均匀，且粉碎设备在粉碎过程中产生的热量会使不耐高温改性剂分解挥发，从而影响改性效果[9]。
5 硅微粉的应用
硅微粉因自身的绝缘性能良好，主要可用在塑料、橡胶、涂料、覆铜板、环氧塑封料、电工绝缘材料等领域中。
5.1 覆铜板
硅微粉是一种功能性填料，它添加在覆铜板中能提升板材的绝缘性、热传导性、热稳定性、耐酸碱性（HF除外）、耐磨性、阻燃性，提高板材的弯曲强度、尺寸稳定性，降低板材的热膨胀率，改善覆铜板的介电常数。同时，由于硅微粉原料丰富，价格低廉，能够降低覆铜板的成本，因此在覆铜板行业的应用日趋广泛[1]。
5.2 环氧塑封料
随着电子信息产业的快速发展，电子元器件的作用越来越重要，呈现出更轻、更小、更快的发展趋势。在这种发展趋势下，先进的封装技术扮演着越来越重要的角色，因此对电子封装用环氧塑封料的流动性也提出了更高的要求。硅微粉是环氧塑封料的重要组成成分，质量分数在70%以上[10]，其作为填充料能够显著降低环氧塑封料的线性膨胀系数，可以大幅提升电子产品的可靠性。
5.3 橡胶
橡胶是具有可逆形变的高弹性聚合物材料，可广泛应用于电子、汽车、土木建筑、国防军工、医疗卫生以及生活用品等多个领域。在橡胶制备过程中，加入一定量的无机填料，不仅可以降低橡胶的生产成本，而且可以显著提高橡胶复合材料的综合物理性能与动态力学性能。硅微粉具有粒度小、比表面积大、耐热与耐磨性能好等优点，其作为填料可提高橡胶复合材料的耐磨性、拉伸强度与模量、高撕裂等性能[9]。
5.4 塑料
硅微粉作为填料在制作塑料的过程中可用于聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯醚等材料中，广泛应用于建筑、汽车、电子通信、绝缘材料、农业、日常生活用品、国防军工等多个领域[9]。
5.5 涂料
在涂料行业中，硅微粉的粒度、白度、硬度、悬浮性、分散性、吸油率低、电阻率高等特性均能提高涂料的抗腐蚀性、耐磨性、绝缘性、耐高温性能。硅微粉由于具有良好的稳定性一直在涂料填料中扮演重要的角色[11]。
5.6 电工绝缘材料
电工绝缘材料是使电器元件之间以及元件和地面之间绝缘的一种复合材料，广泛应用于电力输送、轨道交通、航空航天、风能、核能以及其它电机领域。不同行业在使用绝缘材料的过程中，对其耐热性、绝缘性以及抗腐蚀性等特性都有一定的要求，硅微粉作为填料制备绝缘材料可使其机械性能和电学性能得到有效改善[9]。
6 结论
近年来，我国硅微粉行业发展势头强劲，硅微粉在各个行业的应用日趋广泛，其产量及市场规模保持快速增长态势。同时，行业应用的增长也对硅微粉的性能提出了更高的要求，我国在硅微粉高端产品开发领域仍面临诸多挑战。因此，面对未来巨大的市场需求，我国必须提高硅微粉生产技术水平，提升硅微粉产品质量，推动高端硅微粉产品国产化进程。
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