碳化硅,为什么要把“表面工作”做好?
发布时间:2021-03-01 来源:欧宝app官网     分享到:

    碳化硅是一种人工合成的强共价键型碳化物,是一种新型的工程陶瓷材料。碳化硅陶瓷因具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性,在航天航空、电子、化工等领域有着广泛的应用。另外,碳化硅陶瓷被认为在高温结构部件等方面有巨大的发展潜力,是先进热机、热交换器、高强耐磨器件的潜在候选材料,受到国内外许多学者的高度重视。

为什么需要表面改性


据中国粉体网编辑了解,由于纳米级碳化硅粉体在超细粉碎的过程中,会受到不停地摩擦、冲击作用,一方面导致微粉的表面积累了大量的正负电荷,而这些带电粒子极其地不稳定,为了趋于稳定,它们会相互吸引进而团聚在一起。


另一方面,会使微粉从中吸收了大量的机械能和热能,因而使微粉表面具有相当高的表面能,这些微粉为了趋于稳定状态,降低其表面能,就会不断地相互靠拢聚集而达到稳定状态,进而产生团聚。纳米碳化硅粉体的分散、团聚特性正是与上述的表面状态和其自身的表面性质密切相关的。


也就是说,通过表面改性,可以改善SiC粉体的分散性、流动性、消除团聚、提高碳化硅超细粉体成型性能以及制品最终性能。


表面改性的机理


超细粉体表面改性的机理是超细粉体表面与表面改性剂发生作用,改善粒子表面的可润湿性,增强粒子在介质中的界面相容性,使粒子容易在有机化合物或水中分散。表面改性剂分子结构必须具有易与粒子的表面产生作用的特征基团,这种特征基团可以通过表面改性剂的分子结构设计而获得。


超细粉体表面改性机理可以分为包覆改性和偶联改性。包覆改性法是用无机化合物或者有机化合物(水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)对粒子表面进行覆盖,对粒子的团聚起到减弱或屏蔽作用,由于包覆物而产生了空间位阻斥力,使粒子再团聚十分困难,从而达到改性的目的。偶联改性是粒子表面发生化学偶联反应,两组分之间除了范德华力、氢键或配位键相互作用外,还有离子键或共价键的结合。


表面改性方法


1、包覆改性方法


包覆改性是指通过粉体粒子与改性剂的物理化学作用实现粒子表面包覆,以改变原有粒状表面基本性质的方法。目前,包覆改性技术广泛应用于功能陶瓷制造中,用于包覆改性的改性剂主要指表面活性剂、超分散剂、无机物等。


(1)表面吸附包覆


表面吸附包覆是利用物理或化学吸附原理使包覆材料均匀附着在被包覆对象表面,形成连续完整的包覆层。在这一过程中伴随着简单的吸附反应,这种方法操作简单,但效果有限。


(2)无机包覆改性


利用无机物作为改性剂,无机物与纳米粒子表面不发生化学反应,仅依靠物理方法或范德华结合。经过处理使包覆物固定在颗粒表面,降低粒子表面自由能阻止团聚,提高在不同介质的分散性和稳定性。


另外,按涂覆工艺分类,表面包覆改性方法还有化学镀、电镀、气相沉积、溶胶—凝胶、辐射和机械涂敷等方法。

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2、表面化学改性


表面化学改性是通过表面改性剂与颗粒表面间进行化学反应或化学吸附来完成的。将聚合物长链接枝在粉体表面,由于聚合物中含亲水基团的长链,可以改善超细粉体在介质中的分散稳定性,还可以接枝偶联剂使粉体之间的聚合度降低,增加分散稳定性。所以,化学改性常用的表面改性剂有偶联剂、高级脂肪酸及其盐、不饱和有机酸和有机硅等。


表面改性对粉体性能的影响


1、pH值对粉体性能的影响


表面改性可以在一定的pH值下反映粉体的分散性。高固相含量、分散均匀的陶瓷料浆的制备对陶瓷素坯密度的提高极其重要。目前,高固相含量悬浮液的制备主要以加入分散剂(如聚丙烯酸盐等)为主。


2、粉体的表面性质对粉体性能的影响


粉体的表面性质包括物理化学性质,是与粉体应用及表面改性有关的粉体表面及界面特性,主要有比表面积、表面能(或表面张力)、表面化学组成、晶体结构、官能团、表面润湿性、表面电性、孔隙结构和孔径分布以及表面晶格缺陷、电子态、表面吸附与反应特性等。粉体表面性质的差别导致粉体形成浆料的粘度和流变性的不一样,最终影响固相含量的提高。


3、硅烷偶联剂改性对粉体性能的影响


硅烷偶联剂是近年来发展很快的一种具有特殊结构的有机硅化合物,具有能够同时与无机材料(如玻璃、水泥、金属等)和有机材料(如合成树脂等)相结合的反应性基团。由于硅烷偶联剂这一独特的性能,使其应用领域日益扩大。通过对经氨基硅烷偶联剂表面改性的SiC粉体进行了研究,发现通过氨基硅烷偶联剂改性,可获得高固相含量、低粘度的SiC料浆,并且悬浮液的分散稳定性显著提高。


4、分子结构对粉体性能的影响


在粉体表面改性中,分子结构对表面改性有较大影响。如用丁二酸、乙二醇、对氨基苯磺酸主要是利用静电稳定效应对SiC微粉进行改性,其中经对氨基苯磺酸改性后,粉体的Zeta电位绝对值最高,料浆的悬浮稳定性较前二者好;而PEG400主要是利用空间位阻稳定效应改性粉体,但其悬浮稳定性最好。


5、分散剂的类型及用量对粉体性能的影响


国内外对于各种类型分散剂的作用机理已做了不少的研究,分散剂用量对浆料的粘度、粉体Zeta电位等都有很好的改善。


目前存在的问题


表面涂覆研究明显改善超细SiC粉体分散性和稳定性,以及电学、力学等性能,促进了交叉性学科研究的发展。为了进一步改善工艺条件和适应生产需要,SiC粒子表面涂覆的技术问题还有待于进一步完善。


1、深入研究表面改性的原理,提出实验装置简单、操作容易、条件可控制的新的表面改性方法,同时降低成本。


2、用于超细SiC表面涂覆的镀层配制、循环利用以及稳定性等技术还不成熟,超细SiC表面涂覆质量还不理想。


3、采用先进的表面改性技术对SiC颗粒增强铝基复合材料进行表面处理是提高其抗腐蚀能力的有效手段。但是SiC颗粒与金属之间的润湿性差,通过表面改性增加SiC颗粒与金属之间的润湿性仍然是SiC颗粒表面改性的重点。


4、积极研制应用性能好、成本低或有特殊功能的表面活性剂,优化超细SiC粉体表面处理工艺过程。


5、超细SiC粉体表面改性产品目前还缺乏标准化或规范化的质量检验和评价方法。表面改性技术的快速发展,表面改性产品用途的扩大和用量的增加迫切要求建立一套较完整的质量标准和相应的检验、评价方法。


总结


由于超细SiC独特的性能,使得其应用十分广泛。但是,目前研究很多改性方法还停留在实验室阶段,表面改性工艺还存在很多的问题和挑战。超细SiC经表面包覆改性后,其表面的物理、化学性质发生了相应的改变,从而可以满足人们的需要制备出更多性能优异的新型功能材料,这对扩大纳米陶瓷微粒的应用范围具有重要意义。


参考来源:

[1]黄文信.碳化硅粉体表面改性研究进展

[2]王杏.超细碳化硅表面改性技术进展

[3]王瑞雨.SiC粉体表面改性工艺研究



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