[發明專利]一種碳酸鈣/二氧化硅核殼型納米復合磨料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010722551.4
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111925731A
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 劉衛麗;馮道歡;宋志棠
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所;上海新安納電子科技有限公司;浙江新創納電子科技有限公司
• 主分類號: C09G1/02
• 分類號: C09G1/02
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 魏峯;黃志達

本發明涉及一種碳酸鈣/二氧化硅核殼型納米復合磨料及其制備方法和應用，所述復合磨料以碳酸鈣納米顆粒為核，二氧化硅顆粒為殼。本發明具有獨特的結構和性能，相比純硅溶膠而言，對硅片、氧化硅片、二氧化硅層、氮化硅層等介質層材料的拋光速率更快；相比氧化鋁磨料而言，對介質層材料的拋光后的表面質量更好，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于拋光液領域，特別涉及一種碳酸鈣/二氧化硅核殼型納米復合磨料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著納米科技的快速發展，納米材料的應用受到各個領域的廣泛關注。納米碳酸鈣在國外已有五十年的應用歷史，作為一種優質填料和白色顏料，具有成本低、性能優、無毒無味等特點，廣泛應用于橡膠、塑料、造紙、油墨、涂料、密封膠與膠粘劑、醫藥、牙膏和食品等領域。在其應用過程中，納米碳酸鈣功能的好壞，主要取決于碳酸鈣產品的化學組成、形貌特征、平均粒徑及分散性等參數，其中最重要的是粒子的晶形和粒度分布，不同晶形的納米碳酸鈣粒子，其應用領域和功能不同。然而，納米碳酸鈣也存在著不足，其具有粒度小、表面能高、極易團聚、表面親水疏油和強極性的特點，與基料結合力較弱，容易造成表面和界面缺陷。因此降低碳酸鈣表面的高勢能、調節疏水性，改善材料性能成為相關研究人員研究的主題和方向。

硅溶膠是一種常見的無機精細化工產品，實質上為無定形SiO2粒子在水中的膠體大小的穩定分散體系。硅溶膠中的二氧化硅，其最大的特征是具有巨大的表面自由能，粒子間有相互聚集而降低其表面自由能的趨勢，因此它是一個熱力學不穩定系統，然而在一定條件下制備的硅溶膠可穩定相當長時間，這主要是因為硅溶膠膠團形成的雙電層結構，膠團在水溶液中可以從其周圍有選擇的吸附某種離子，而反離子則以擴散層形式分布在水中，其中一部分反離子密集聚集在緊密層，另一部分則在擴散層。膠粒表面由于具有相同的電荷，相互排斥從而具有足夠穩定性。

工業生產中需要大粒徑硅溶膠，尤其是半導體工業中硅晶片拋光液的生產。大粒徑硅溶膠的生產往往耗時長，能耗也比較高。早期專利報道，在高溫高壓處理堿性的小粒徑硅溶膠，以期達到大粒徑硅溶膠。Albrecht利用非常稀的硅溶膠，常壓下一步法間歇式生產大粒徑硅溶膠，由于反應時間過長和能耗大，不適用于工業化生產。Brekau等人發明了連續法常壓制備大粒徑硅溶膠的方法，但是這種方法的生產較為繁瑣，并且顆粒的粒徑均一性不夠好，同時生產過程耗時較長。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種碳酸鈣/二氧化硅核殼型納米復合磨料及其制備方法和應用，該復合磨料具有獨特的結構和性能，相比純硅溶膠而言，對硅片、氧化硅片、二氧化硅層、氮化硅層等介質層材料的拋光速率更快；相比氧化鋁磨料而言，對介質層材料的拋光后的表面質量更好，具有良好的應用前景。

本發明提供了一種碳酸鈣/二氧化硅核殼型納米復合磨料，所述復合磨料以碳酸鈣納米顆粒為核，二氧化硅顆粒為殼。

本發明還提供了一種碳酸鈣/二氧化硅核殼型納米復合磨料的制備方法，包括：

(1)制備碳酸鈣納米顆粒并進行表面處理，得到納米碳酸鈣溶液；

(2)將納米碳酸鈣溶液加熱至80℃-200℃，并調節pH值至9-11，添加硅酸溶液，即得碳酸鈣/二氧化硅核殼型納米復合磨料。

所述步驟(1)中的碳酸鈣納米顆粒的制備方法為碳化法、乳液法、凝膠法或復分解法。優選的，采用碳化法。通過碳化法生產的碳酸鈣納米顆粒，其形貌規整、粒徑分布比較窄，對于后續復合磨料的生產具有重要作用。

所述步驟(1)中的表面處理采用陰離子表面活性劑進行處理。

所述陰離子表面活性劑選自聚丙烯酸鈉、六偏磷酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、聚氧乙烯硫酸鈉、聚氧乙烯醚磷酸酯中的一種或幾種。

所述步驟(2)加熱過程中采用機械攪拌，攪拌速度為300r/min～2000r/min，更優選的攪拌速度為500r/min～1200r/min。