SiC粉體的表面改性.doc

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1、......SiC粉體的表面改性一、背景1.簡(jiǎn)介：碳化硅分子式為SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉，可作為磨料和其他某些工業(yè)材料使用。碳化硅晶體結(jié)構(gòu)分為六方晶系的α-SiC和立方晶系的β-SIC，β-SiC于2100℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiC。α-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。2.問題：經(jīng)機(jī)械粉碎后的SiC粉體形狀不規(guī)則，且由于粒徑小，表面能高，很容易發(fā)生團(tuán)聚，形成二次粒子，無法表現(xiàn)出

2、表面積效應(yīng)和體積效應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)超細(xì)尺度范圍內(nèi)不同相顆粒之間的均勻分散以及燒結(jié)過程中與基體的相容性，進(jìn)而影響陶瓷材料性能的提高。加入表面改性劑，改善SiC粉體的分散性、流動(dòng)性，消除團(tuán)聚，是提高超細(xì)粉體成型性能以及制品最終性能的有效方法之一。二、過程1.改性方法分類：碳化硅粉體的制備技術(shù)就其原始原料狀態(tài)主要可以分為三大類：固相法、液相法和氣相法。（1）固相法?固相法主要有碳熱還原法和硅碳直接反應(yīng)法。碳熱還原法又包括阿奇遜(Acheson)法、豎式爐法和高溫轉(zhuǎn)爐法。SiC粉體制備最初是采用Acheson法，用焦炭在高溫下(2400?℃左右)還原SiO2制備的。.專業(yè)資料..

3、.....20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的ESK法對(duì)古典Acheson法進(jìn)行了改進(jìn)，80年代出現(xiàn)了豎式爐、高溫轉(zhuǎn)爐等合成β-SiC粉的新設(shè)備。LN.Satapathy等以Si+2C為起始反應(yīng)物,采用2.45GHz的微波在1200-1300℃時(shí)保溫5分鐘即可實(shí)現(xiàn)完全反應(yīng),再通過650℃除碳即可獲得純的β-SiC,其平均粒徑約0.4μm。硅碳直接反應(yīng)法又包括自蔓延高溫合成法(SHS)和機(jī)械合金化法。SHS還原合成法利用SiO2與Mg之間的放熱反應(yīng)來彌補(bǔ)熱量的不足，該方法得到的SiC粉末純度高，粒度小，但需要酸洗等后續(xù)工序除去產(chǎn)物中的Mg。楊曉云等[4]將Si?粉與C?粉按照?n

4、(Si)：n(C)?=?1：1制成混合粉末，并封裝在充滿氬氣的磨罐中，在WL-1?行星式球磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械球磨，球磨25?h?后得到平均晶粒尺寸約為6?nm?的SiC?粉體。（2）液相法?液相法主要有溶膠-凝膠(Sol-gel)法和聚合物熱分解法。溶膠凝膠法為利用含Si和含C的有機(jī)高分子物質(zhì),通過適當(dāng)溶膠凝膠化工藝制取含有混合均勻的Si和C的凝膠,然后進(jìn)行熱解以及高溫碳熱還原而獲得碳化硅的方法。Limin?Shi等以粒徑9.415μm的SiO2為起始原料,利用溶膠凝膠法在其表面包覆一層酚醛樹脂,通過熱解然后1500?℃于Ar氣氛下進(jìn)行還原反應(yīng),獲得了粒徑在200?nm左

5、右的SiC顆粒。有機(jī)聚合物的高溫分解是制備碳化硅的有效技術(shù)。一類是加熱凝膠聚硅氧烷，發(fā)生分解反應(yīng)放出小單體，最終形成SiO2和C，再由碳還原反應(yīng)制得SiC粉;另一類是加熱聚硅烷或聚碳硅烷放出小單體后生成骨架，最終形成SiC粉末。?（3）氣相法?.專業(yè)資料.......氣相合成碳化硅陶瓷超細(xì)粉末目前主要是運(yùn)用氣相反應(yīng)沉積法（CVD）、等離子體法(Plasma?Induced?CVD)、激光誘導(dǎo)氣相法(Laser?Induced?CVD)等技術(shù)高溫分解有機(jī)物，所得粉末純度高,顆粒尺寸小,顆粒團(tuán)聚少,組分易于控制,是目前比較先進(jìn)的方法,但成本高、產(chǎn)量低,不易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn),

6、較適合于制取實(shí)驗(yàn)室材質(zhì)和用于特殊要求的產(chǎn)品。我們主要講的是用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)SiC進(jìn)行改性，也就是液相法。2.實(shí)驗(yàn)過程：（1）原料：選用自行加工的SiC粉體，D50=0.897μm，SiC含量為98.98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；硅烷偶聯(lián)劑(KH–550,NH2CH2CH2CH2Si(OC2H5)3)；丙三醇(分析純)；甲苯(分析純)；丙酮(分析純)；氮?dú)?99.99%)。（2）工藝過程：硅烷偶聯(lián)劑的烷氧基是與SiC粉體表面的—Si—OH反應(yīng)的主要基團(tuán)，它極易水解生成醇類[8]，故表面改性反應(yīng)必須選擇在非水和非醇類介質(zhì)中進(jìn)行。在四口燒瓶中加入350mL甲苯、50gSiC微粉和

7、相應(yīng)比例的硅烷偶聯(lián)劑，通入N2，在N2氣流下升溫至85℃并攪拌反應(yīng)6h。反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物趁熱真空抽濾，經(jīng)多次超聲分散(超聲介質(zhì)為水、丙酮；時(shí)間為30min)、離心洗滌(介質(zhì)：水、丙酮；時(shí)間：25min)后，于105℃烘箱中干燥12h，冷卻后待用。三、表征1.粘度改性SiC漿料的粘度與反應(yīng)溫度的關(guān)系(圖1)在70～90℃范圍內(nèi)，漿料黏度隨溫度的升高而降低；當(dāng)溫度超過90℃.專業(yè)資料.......，黏度隨溫度的升高而增大，這表明疏水預(yù)處理過程受溫度的影響較大。根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，通常提高溫度會(huì)加快反應(yīng)速率，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，使硅烷偶聯(lián)劑快速包覆在碳化硅粉