光伏硅废料低成本合成β-Si3 N4 粉体及其在导热复合材料中的应用研究

针对电子器件热管理需求及高纯度β-Si3 N4 制备成本高的难题，研究人员利用光伏硅切割废料，通过环境友好的燃烧合成法（combustion synthesis）成功制备低氧含量（0.95 wt%）β-Si3 N4 粉体，并验证其在硅橡胶复合材料中1.4 Wm?1 K?1 的高导热性能，为资源循环利用与高性能材料开发提供新策略。

　　

随着集成电路功率密度攀升，电子器件热管理成为制约性能的关键瓶颈。导热复合材料中，氮化硅（Si₃
N₄
）因其优异化学稳定性和高导热性（β相轴向导热达450 Wm^?1
K^?1
）成为理想填料，但传统制备工艺依赖高纯硅原料，成本居高不下。与此同时，光伏产业每年产生50万吨硅切割废料（含35-40%高纯硅），现有回收技术需复杂酸洗或高温冶金处理，环境负担沉重。如何将硅废料转化为高价值Si₃
N₄
，同时解决材料成本与资源循环问题，成为研究焦点。

中国研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表论文，提出以光伏硅废料为原料，通过低压（2 MPa）燃烧合成结合新型添加剂三聚氰胺（C₃
H₆
N₆
），成功制备低氧含量（0.95 wt%）纯β相Si₃
N₄
粉体。该材料作为填料应用于聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料时，80 wt%填充量下导热率达1.4 Wm^?1
K^?1
，媲美商用高纯硅源产品，为电子散热领域提供低成本解决方案。

关键技术方法包括：1）利用光伏硅切割废料（D₅₀
=1.10 μm，氧含量5.0%）作为硅源；2）优化燃烧合成反应压力与添加剂配比；3）采用环境友好型添加剂C₃
H₆
N₆
替代传统NH₄
Cl，避免有害气体排放；4）通过XRD、SEM等表征相组成与形貌。

实验结果

1. 反应压力调控：低压（2 MPa）条件促进硅废料表面SiO₂
   还原，抑制Si₂
   N₂
   O杂质生成，氧含量较常压降低60%。
2. 添加剂作用机制：C₃
   H₆
   N₆
   热解产生NH₃
   与活性碳，前者增强氮化效率，后者通过SiO₂
   +C→Si+CO₂
   反应实现原位脱氧。
3. 材料性能：所得β-Si₃
   N₄
   呈棒状晶须结构（长径比>5），其PDMS复合材料在80 wt%填充量下击穿场强保持12 kV/mm，拉伸强度达2.5 MPa，综合性能优于传统AlN填料体系。

结论与意义
该研究首次实现光伏硅废料向高性能β-Si₃
N₄
的绿色转化，突破传统工艺对高纯硅源的依赖。环境友好型添加剂与低压反应的协同设计，为工业化生产低氧含量氮化物提供新思路。所开发导热复合材料兼具高导热与良好机械性能，有望应用于5G基站、新能源汽车功率模块等高温场景。研究同时为光伏产业链废料高值化利用开辟新途径，符合双碳战略目标。