納米陶瓷粉體的表面改性與應(yīng)用

《納米陶瓷粉體的表面改性與應(yīng)用》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、納米陶瓷粉體的表面改性與應(yīng)用摘要納米陶瓷粉末具有陶瓷材料的高硬度、耐髙溫、耐磨損、耐腐蝕等性能，也具有納米粒子所特有的效應(yīng)。但因其具有極大的比表面積和表面能，因而極易團聚，致使其在應(yīng)用屮無法發(fā)揮納米陶瓷的優(yōu)異性能，但通過對納米陶瓷表面改性可改善這一狀況。納米陶瓷表面改性的方法有：偶聯(lián)劑法、表面活性劑法、物理法等。改性后的納米陶瓷，因其獨特的物理、化學(xué)、光學(xué)等性能在功能材料、橡膠、涂料及生物醫(yī)藥等方面得到了廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞納米陶瓷，團聚，表面改性，應(yīng)用1前言納米材料為顆?；虺叽缭谝痪S尺度上小于lOOnm

2、,并且具有截然不同于塊狀材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)或力學(xué)性能的一類材料體系［1］。其介于團簇與體相之間的特殊狀態(tài)，具有宏觀體相的元胞和鍵合結(jié)構(gòu)［2］,賦予了納米微粒許多優(yōu)異的性能，如小尺寸效應(yīng)、表血與界血效應(yīng)、體積效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等。Si3N4、AIN、TiN、SiC、BN等陶瓷納米粉體是一類高性能的納米材料,除了具備納米級材料所特有的效應(yīng)，還保持了陶瓷材料的高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等性能。目前，科研工作者已研究了其在塑料、橡膠、聚氨酯等材料中的應(yīng)用，制備了一系列性能優(yōu)異的復(fù)合材料。但是由

3、于納米粒子的比表面積大，表面能高，具有很高的活性，處于非熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài),且在使用過程中分散性差，易于團聚［3?4］,所以在應(yīng)用上還存在著技術(shù)瓶頸。因此，在制備和應(yīng)用的過程中需要通過對其進行表面改性處理，以更好地發(fā)揮其特殊的功能效應(yīng)。2陶瓷納米粉體的表面改性與應(yīng)用2.1納米氮化硅(Si3N4)納米S13N4表面呈叔胺結(jié)構(gòu)(Si3N),由于其表面積大，表面硅原子的化學(xué)鍵得不到飽和，存在著許多硅懸鍵(N3SiO)o當它們暴露于空氣中時，該結(jié)構(gòu)具有很高的反應(yīng)活性，能與空氣中的水和氧發(fā)生緩慢的反應(yīng)，而在粉體的顆粒

4、表面生成一系列的表面活性基團。對納米氮化硅粉體的XPS和FTIR分析表明，顆粒表面的吸附雜質(zhì)主要是()2及C02、1120。納米Si3N4的改性方法有化學(xué)方法和物理方法兩種，其屮化學(xué)方法有偶聯(lián)劑法、表面活性劑法、大分子法等。王君等人［5］用硅烷偶聯(lián)劑縮水廿油醯氧丙基三甲氧基硅烷(KH-50)對納米氮化硅進行表面改性，實驗證明該方法有效、可行，并且KH-50的最佳用量為氮化硅用量的1%。田春燕［6］通過實驗發(fā)現(xiàn)加入適量的表面活性劑能改善納米Si3N4的分散效果,陽離子型表面活性劑聚甲基丙烯酸胺的分散效果優(yōu)

5、于非離子型表面活性劑吐溫280；分散體系的pH值也影響納米Si3N4粉的分散效果。張衛(wèi)昌［7］等人用液體竣基丁月青橡膠對納米S13N4粉體表面進行改性研究，處理過的Si3N4粉體粒徑明顯減小，在有機溶劑中的分散性良好；親水性減小，親油性增加，表面自由能明顯降低，處理后的納米Si3N4粉體更容易在聚合物中分散。納米粒子物理改性的手段可分為機械力分散法、超聲波分散法、高能處理法等。F.Brenscheidt［8］等人用高強度脈沖法對Si3N4陶瓷的納米粉體進行表面修飾，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能尤其是抗磨性能得到很大的

6、提高。氮化硅［9］既可作發(fā)動機零部件和刀具材料，乂可做抗腐蝕和電磁方血的材料，但英塑性變形能力差、韌性低、不易形變。由于納米粉末具有巨大的比表面積，使作為粉末性能驅(qū)動力的表面能劇增，擴散速率增大，路徑變短，因而燒結(jié)致密化速度加快，溫度下降，燒結(jié)時間縮短，既可獲得很高的致密化又可獲得納米級尺度的顯微結(jié)構(gòu)，這樣的納米陶瓷具有最佳的力學(xué)性能，還有利于減少能耗，降低成木。納米S13N4的燒結(jié)溫度比微米級的降低了400?500°C。許多研究還發(fā)現(xiàn)，將納米氮化硅粉體加入聚合物中也冇望提高聚合物復(fù)合材料的相關(guān)性能：夏

7、茹等［10］用粒徑為20nm的納米氮化硅(Si3N4)填充丁睛橡膠(NBR)制備納米橡膠復(fù)合材料，用大分子偶聯(lián)劑對納米S13N4進行表面處理，研究了復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱老化性能等。結(jié)果表明，納米Si3N4的加入一定程度上提高了NBR的撕裂強度、拉伸強度、耐磨性等，明顯降低了內(nèi)耗，改善了橡膠的動態(tài)力學(xué)性能和耐熱老化性能。董英鴿等人［11］以微米級氮化硅為起始原料，加入納米氮化硅來增強基體，隨著加入量的增加，顯氣孔率增加，吸水率增加；加入3wt%的納米氮化硅時，試樣的體積密度最大，抗彎強度、洛氏硬度、斷裂

8、韌性最好，具有較理想的顯微結(jié)構(gòu)。對納米Si3N4粒子進行適當?shù)谋砻娓男钥捎行ё钄嘣诟弑砻婺茏饔孟碌膱F聚現(xiàn)象，繼續(xù)保持納米Si3N4粒子的特有性能，從而拓展了納米S13N4的應(yīng)用領(lǐng)域。2.2納米氮化鋁(A1N)紅外光譜測出在氮化鋁粉末表面存在著-OH、-NH-和-NH2等活性基，因此可以認為在氮化鋁表面同樣發(fā)牛了類似于氮化硅表面所發(fā)牛的表面化學(xué)反應(yīng)。此外，氮化鋁粉末由于表面活性較高，易與空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，因此氮化鋁粉末表面還會包覆A1(