电子特气之元素化学-硅烷类化合物——（SiH₄）甲硅烷
发布时间：
2025-07-19
一.基本性质
（1）物理性质：甲硅烷是一种无色气体，具有大蒜恶心气味。其密度为 1.44g/L（25°C），相对蒸汽密度 1.2（空气 = 1），熔点 - 185°C，沸点 - 111.9°C，临界温度 - 3.5°C，临界压力 4.864MPa，临界体积 151.5（计算）/136.75（实测）cm³/mol ，几乎不溶于乙醇、乙醚、苯、氯仿、硅氯仿和四氯化硅，微溶于水.
（2）化学性质：甲硅烷的化学性质比烷烃活泼得多，极易被氧化，在与空气接触时可发生自燃，即使在 - 180℃温度下也会与氧发生爆炸反应，其燃烧时火焰呈深黄色。此外，甲硅烷受热会发生分解，生成硅和氢气，它与氟氯烃类灭火剂会发生激烈反应，所以不能用这类灭火剂灭火。
二.生产方法
甲硅烷的工业生产方法主要有以下几种：
（1）改良西门子法副产物制备法：传统的甲硅烷生产工艺是以三氯氢硅为原料经歧化反应制备并副产四氯化硅，而上海交通大学李学刚团队开发了以改良西门子法多晶硅工艺中氢化、还原等工段副产物二氯二氢硅为原料，并基于反应精馏多功能反应器制备甲硅烷的新工艺。该工艺突破了二氯二氢硅原料除杂难题，实现了二氯二氢硅歧化反应过程强化和反应进度有效调控，使中间歧化产物三氯氢硅成为优势副产物，最终歧化副产物四氯化硅的选择性小于 5%，副产的三氯氢硅可返回多晶硅工段生产多晶硅，实现了甲硅烷工艺与改良西门子法多晶硅工艺的紧密结合，相比传统三氯氢硅路线，新技术固定资产投资和单位产品能耗分别降低 15% 和 60% 以上.
（2）硅化镁法：一般以硅化镁和氯化铵为原料，在液氨溶剂内进行反应，反应一般在微正压的条件下进行，温度控制在 - 20℃至 - 30℃的范围内。该工艺主要用来制备高纯甲硅烷，同时副产约 3%-5% 的乙硅烷及微量的丙硅烷。该工艺的优点是工艺流程短、设备简单、易于控制，且所获得的硅烷气体产品纯度高，后期纯化较为容易。不过，此方法也存在一些局限性，如合金化反应的转化率偏低，并且乙硅烷的产率也偏低.
（3）氯甲烷与硅粉反应法：使氯甲烷和硅粉在铜催化剂存在下反应，然后经过高温反应后仔细分馏来制取甲硅烷。
（4）氢化铝钠法：这是目前较为常用的方法之一，具体的工艺过程是将氢化铝钠溶解在二甘醇二甲醚等有机溶剂中形成溶液，然后让四氟化硅气体与氢化铝钠溶液在特定的反应器中进行反应。为了提高硅烷的转化率，通常采用逆向进料方式，即氢化铝钠溶液和四氟化硅气体分别从不同的方向进入反应器。例如，在第一反应器内，使氢化铝钠的量大于四氟化硅的量，让四氟化硅完全反应；在第二反应器内，则使四氟化硅的量大于氢化铝钠的量，确保氢化铝钠完全反应 。
三.高纯气体应用
（1）半导体行业：甲硅烷是半导体微电子工艺中使用的最主要的特种气体之一，用于各种微电子薄膜制备，如通过化学气相沉积技术可在硅片表面沉积生成单晶膜、微晶、多晶、氧化硅、氮化硅、金属硅化物等薄膜，广泛应用于集成电路、化合物半导体器件等的制造。
（2）光伏行业：目前甲硅烷用量最大的行业，其是生产太阳能电池的重要原料，可用于制备多晶硅薄层、氮化硅减少反射膜等，随着光伏产业的快速发展，特别是 TOPCON 等高效太阳能电池技术的推广，对甲硅烷的需求在持续增加.
（3）显示面板行业：在薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）和有机发光二极管显示器（OLED）的生产中，甲硅烷用于在玻璃基板表面沉积形成各种含硅薄膜，对提高显示面板的性能和质量起着重要作用。
（4）其他领域：甲硅烷还可用于制造高性能陶瓷发动机零件，其制备的硅化物微粉可使陶瓷零部件性能大大提高；此外，在钢铁、机械、化工和光学等领域，甲硅烷作为含硅薄膜和涂层的原料，可改善材料的性能，如提高普通钢的高温耐氧化能力、增强内燃机叶片的耐蚀性、改变玻璃的反射和透射性能等。
（5）作为硅碳负极材料的关键前驱体：硅烷气通过化学反应可转化为硅颗粒，这些硅颗粒再与碳材料复合形成硅碳复合材料，进而制备出硅碳负极 。例如，在化学气相沉积（CVD）等技术中，硅烷气在高温等条件下分解，硅原子沉积在基底上形成硅颗粒，然后与碳材料均匀混合，得到性能优良的硅碳负极材料：
（6）硅碳负极材料应用优势，可以提升电池性能
提高比容量：硅碳负极材料的理论比容量远高于传统石墨负极，硅烷的应用有助于充分发挥硅碳负极高比容量的优势，有效增加电池的续航里程，使其在新能源汽车等对高能量密度有严格要求的应用场景中更具竞争力。
改善导电性能：硅烷转化生成的硅颗粒与碳材料复合后，能够改善电极的导电性能，提高电池的充放电效率和倍率性能，从而满足电动工具和消费电子产品等对快速充电的需求。
缓冲体积变化：在充放电过程中，硅材料会发生较大的体积膨胀和收缩，而硅碳复合材料中的碳材料以及硅烷形成的特殊结构等可以作为缓冲层，承受硅的体积变化，减少电极材料的粉化和脱落，提高电池的循环稳定性和寿命。
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