22831-39-6 / 硅化鎂的主要應(yīng)用

背景及概述^[1-2]

多晶硅產(chǎn)業(yè)作為太陽(yáng)能開發(fā)和利用的重點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)呈高速發(fā)展和擴(kuò)張之勢(shì)，有效地推動(dòng)了我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)為核心的光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展。目前影響太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展的主要原因仍在于制備太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的主要材料———多晶硅的生產(chǎn)成本較高，約占太陽(yáng)能發(fā)電總成本的50％。探索低成本、高質(zhì)量的多晶硅生產(chǎn)方法是促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的有效途徑之一。由于高純多晶硅市場(chǎng)呈現(xiàn)嚴(yán)重供不應(yīng)求的緊張態(tài)勢(shì)，光伏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)許多下游企業(yè)飽嘗多晶硅短缺之苦。在生產(chǎn)高純多晶硅的技術(shù)方面，目前多種生產(chǎn)工藝路線并存。國(guó)際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有改良西門子法、硅烷熱分解法，其中硅烷熱分解法是近年來(lái)發(fā)展較快的一種低能耗、高產(chǎn)率的方法。硅烷作為生產(chǎn)多晶硅和節(jié)能玻璃必不可少的特種氣體，在電子產(chǎn)品、高效太陽(yáng)能電池、航空航天和軍事工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前國(guó)際上生產(chǎn)硅烷的方法主要有日本小松電子法（硅化鎂法）、氫化鋰還原三氯氫硅法、美國(guó)MEMC公司專有的氫化鋁鈉還原四氟化硅法和UCC法（氯硅烷經(jīng)氫化和二次歧化反應(yīng)）。硅化鎂法具有投資低、工藝成熟、能耗低等優(yōu)勢(shì)，作為硅化鎂法生產(chǎn)硅烷的重要原料，現(xiàn)有的研究主要側(cè)重于硅化鎂制備設(shè)備的研究，而對(duì)硅化鎂制備工藝的研究較少?；瘜W(xué)式Mg₂Si。分子量76.71。藍(lán)色立方系晶體。熔點(diǎn)1102℃，相對(duì)密度1.94。不溶于冷水，在熱水中分解。在真空中或在氫氣流下加熱至1200℃時(shí)可完全分解成單質(zhì)。對(duì)堿液穩(wěn)定。在酸中分解并產(chǎn)生硅烷和氫。

應(yīng)用^[3-4]

硅化鎂主要用于合成其他硅化物，其應(yīng)用舉例如下：

1）合成MgSiN2粉體。屬于非氧化物陶瓷粉體的制備領(lǐng)域。以硅化鎂或硅化鎂與α-Si3N4混合物為起始原料，在1~10MPa的氮?dú)饣蛘叩獨(dú)馀c氫氣(95~98%∶5~2%)的混合氣中反應(yīng)制備的。在生產(chǎn)過(guò)程中，不需預(yù)先壓塊，反應(yīng)是在碳?xì)种频闹绷h(huán)狀筒或盤狀容器中進(jìn)行。本發(fā)明采用燃燒合成工藝，與文獻(xiàn)報(bào)道相比，不僅具有無(wú)環(huán)境污染、能耗低、適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，而且合成產(chǎn)物的純度高，氧含量可控制為<0.5%，適用于制備高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱氮化硅和氮化鋁陶瓷基板材料和微電子封裝材料的添加劑等。

2）硅化鎂法制備硅烷的副產(chǎn)物用途。由于該副產(chǎn)物具有很高的氨存儲(chǔ)密度；由于氨的氫含量高達(dá)17.6wt%及結(jié)合低溫催化氨分解制氫，使得具有高氨含量的固態(tài)金屬氨絡(luò)合物成為一種新型儲(chǔ)氫材料，用在燃料電池領(lǐng)域。與目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用的堿土金屬鹵化物與氨氣反應(yīng)制備金屬氨絡(luò)合物的方法比較，采用硅化鎂法制備Mg(NH3)6Cl2工藝簡(jiǎn)單且已實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)于硅化鎂法合成硅烷工藝過(guò)程中固體廢棄物的綜合利用、環(huán)境保護(hù)和能源的節(jié)約等方面都具有重要意義。

制備^[5-6]

方法1：將粒徑為180目的硅粉、鎂粉按一定摩爾比共100g，混合均勻裝入鐵舟中，放入管式反應(yīng)器，抽真空并用氫氣置換反應(yīng)系統(tǒng)3次后，抽真空至133Pa，

密閉反應(yīng)器，緩慢升溫至一定溫度，保溫反應(yīng)一段時(shí)間后，以一定速率降溫至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，研磨后取樣進(jìn)行XRD分析。通過(guò)對(duì)硅化鎂制備工藝的研究，得到優(yōu)化的工藝條件為：反應(yīng)溫度600℃、反應(yīng)時(shí)間4h、Mg∶Si的摩爾比2.02∶1、降溫速率10℃/min，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，硅化鎂含量大于98%。

方法2：一種制備硅化鎂粉體的方法，按以下工藝步驟：

(1)、將質(zhì)量比為1.6～2的鎂粉和硅粉充分?jǐn)嚢?，鎂粉的粒度為50～200目，硅粉的粒度為50～200目，然后裝入球磨罐，在濃度為99.99％氬氣的保護(hù)下進(jìn)行球磨，球磨的時(shí)間為0.5～2小時(shí)；

(2)、將球磨后的粉末裝入石英坩鍋中，在濃度為99.99％氬氣的保護(hù)下在管式爐中進(jìn)行熱處理，熱處理的時(shí)間為0.5～2小時(shí)，管式爐中的反應(yīng)溫度為450～600oC，反應(yīng)結(jié)束待冷卻到80oC以下取出產(chǎn)物；

(3)、將得到的產(chǎn)物裝入到球磨罐中，在濃度為99.99％氬氣的保護(hù)下繼續(xù)進(jìn)行球磨，球磨的時(shí)間為0.1～5小時(shí)，使粉體粒度為1～5微米，得到最后產(chǎn)物。

主要參考資料

[1] 化合物詞典

[2] 硅化鎂的電子結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)性質(zhì)

[3] CN200410016325.5由硅化鎂燃燒合成氮化硅鎂粉體的制備方法硅化鎂燃燒

[4] CN200710068248.1硅化鎂法制備硅烷的副產(chǎn)物用途

[5] 硅化鎂制備工藝的研究

[6] CN201110192435.7一種制備硅化鎂粉體的方法