SiC粉体的表面改性

1、SiC粉体的表面改性一、背景1.简介：碳化硅分子式为SiC，是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其他某些工业材料使用。碳化硅晶体结构分为六方晶系的a-SiC和立方晶系的B -SIC , 3 -SiC于2100C以上时转变为a -SiC。a -SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。2问题：经机械粉碎后的SiC粉体形状不规则，且由于粒径小，表面能高，很容易发生团聚，形成 二次粒子，无法表现出表面积效应和体积效应，难以

2、实现超细尺度范围内不同相颗粒之间的均匀分散以及烧结过程中与基体的相容性，进而影响陶瓷材料性能的提高。 加入表面改性剂，改善SiC粉体的分散性、流动性，消除团聚，是提高超细粉体成型性能以及制品最终性能 的有效方法之一。二、过程1. 改性方法分类：碳化硅粉体的制备技术就其原始原料状态主要可以分为三大类：固相法、液相法和气相法。(1) 固相法固相法主要有碳热还原法和硅碳直接反应法。碳热还原法又包括阿奇逊 (Acheson)法、竖式炉法和高温转炉法。SiC粉体制备最初是采用 Acheson法，用焦炭在高温下(2400 C左右)还原 SiO2制备的。20世纪70年代发展起来的ESK法对古典Acheson

3、法进行了改进，80年代出 现了竖式炉、高温转炉等合成3 -SiC粉的新设备。L N. Sat apathy 等以Si+2C为起始反应物,采用2.45GHz的微波在 1200-1300C时保温5分钟即可实现完全反应,再通过650E除碳即可获得纯的3 -SiC,其平均粒径约0.4卩m硅碳直接反应法又包括自蔓延高温合成法(SHS)和机械合金化法。SHS还原合成法利用SiO2与Mg之间的放热反应来弥补热量的不足，该方法得到的SiC粉末纯度高，粒度小，但需要酸洗等后续工序除去产物中的Mg杨晓云等4将Si粉与C粉按照 n（Si） : n（C） = 1: 1制成混合粉末，并封 装在充满氩气的磨罐中，在WL-

4、1行星式球磨机上进行机械球磨，球磨25 h后得到平均晶粒尺寸约为6 nm的SiC粉体。（2）液相法液相法主要有溶胶-凝胶（Sol-gel）法和聚合物热分解法。溶胶凝胶法为利用含Si和含C的有机高分子物质，通过适当溶胶凝胶化工艺 制取含有混合均匀的Si和C的凝胶,然后进行热解以及高温碳热还原而获得碳化 硅的方法。Limin Shi等以粒径9.415卩m的SiO2为起始原料,利用溶胶凝胶法 在其表面包覆一层酚醛树脂,通过热解然后1500 C于Ar气氛下进行还原反应, 获得了粒径在200 nm左右的SiC颗粒。有机聚合物的高温分解是制备碳化硅的 有效技术。一类是加热凝胶聚硅氧烷，发生分解反应放出小单

5、体，最终形成SiO2和C,再由碳还原反应制得SiC粉;另一类是加热聚硅烷或聚碳硅烷放出小单体后生成 骨架，最终形成SiC粉末。（3）气相法气相合成碳化硅陶瓷超细粉末目前主要是运用气相反应沉积法 （CVD）等离 子体法（Plasma Induced CVD）激光诱导气相法（Laser Induced CVD）等技 术高温分解有机物，所得粉末纯度高，颗粒尺寸小，颗粒团聚少，组分易于控制， 是目前比较先进的方法，但成本高、产量低，不易实现大批量生产，较适合于制取 实验室材质和用于特殊要求的产品。我们主要讲的是用硅烷偶联剂对 SiC进行改性，也就是液相法2. 实验过程：（1）原料：选用自行加工的 Si

6、C粉体，D50 = 0.897卩m SiC含量为98.98% （质量分数，下同）；硅 烷偶联剂（KH - 550,NH2CH2CH2CH2Si（OC2H5）3）丙三醇（分析纯）;甲苯（分析纯）;丙酮（分 析纯）;氮气（99.99%）。（2）工艺过程：硅烷偶联剂的烷氧基是与 SiC粉体表面的一Si OH反应的主要基团，它极易水解生成醇类8，故表面改性反应必须选择在非水和非醇类介质中进行。在四口烧瓶中加入350 mL甲苯、50 g SiC微粉和相应比例的硅烷偶联剂，通入 N2，在N2气流下升温至85 C并搅拌 反应6 h。反应结束后，产物趁热真空抽滤，经多次超声分散（超声介质为水、 丙酮；时间为3

7、0 min）、离心洗涤（介质：水、丙酮；时间： 25 min）后，于105 C烘箱中干燥12 h， 冷却后待用。二、表征 1.粘度11011J 111一60708090100Reaction temperature/ C改性SiC浆料的粘度与反应温度的关系（图1）在7090 C范围内，浆料黏度随温度的升高而降低；当温度超过90 C,黏度随温度的升高而增大，这表明疏水预处理过程受温度的影响较大。根据反应动力学理论，通常提高温度会加快反应速率， 有利于反应的进行， 使硅烷偶联剂快速包覆在碳化硅粉体表面，浆料黏度降低，但当温度高于 90 C后，反应变得剧烈，包覆层不均匀、不致密，浆料黏度又有所 提高

8、。i I.O'«1s1«'2345673Reaction lime/h改性SiC浆料的粘度与反应时间的关系（图 2）反应时间小于4h时，SiC浆料的黏度较高；在 46 h之间，SiC浆料黏度较低且随 反应时间的延长变化不大；超过 6 h后，浆料黏度随时间的延长急剧增大。在反应时间较短时，硅烷偶联剂中的烷氧基团不能与SiC粉体表面的一OH基充分发生反应，无法完全包覆在 SiC粉体表面，浆料不能完全呈现硅烷偶联剂的性质，浆料黏度较 原始粉体（12.20 Pa s）有所降低，但并不明显。随时间延长，硅烷偶联剂在粉体表面的包 覆面积逐渐增大，SiC颗粒的表面性质也逐

9、渐接近硅烷偶联剂的性质，浆料黏度明显下降；在46 h内随着时间的延长，浆料黏度变化不大，表明包覆反应已经完成，浆料黏度 没有出现大的变化；但当反应时间超过 6h后，随时间延长，浆料黏度明显提高，这可能是由于包覆过程 中有副反应发生所致。12 J）03L0L21.41.618Mass of silane coup ling agenlgSiC浆料黏度与硅烷偶联剂用量的关系（图 3）反应温度90 C；反应时间4 h ; SiC含量均为50 g 。SiC浆料黏度随硅烷偶联剂 用量的增加呈先降低后上升趋势。当硅烷偶联剂用量为1.5 g时，SiC浆料的黏度最小，其流动性最好。由于硅烷偶联剂的用量越大，包

10、覆层越厚，图3的试验结果表明：改性剂包覆层的厚度对改性效果有较大影响，太厚、太薄都不能获得好的分散效果，包覆层的厚度只有在一个合适的范围内，即在适量的硅烷偶联剂用量条件下，才能够得到较低的浆料黏度。2.SEM观察斡“ Rw 5iC（b）rw（）difkd SiC原始SiC微粉呈片状、块状等不规则形状，且颗粒之间相互堆垛，块状颗粒和细 颗粒形成较大团聚体，表面有晶体反射光泽；而经硅烷偶联剂处理后的的SiC粉体形状规则，分布较均匀，没有明显的团聚现象。3. XRD分析(h) Surl'iice moJilied SiC(a) Raw Si(?改性前后SiC粉体的面间距 d值均与JCPDS卡

11、片中a -SiC的d值完全一致，其相 对强度也非常吻合。说明对SiC微粉表面改性并没有对粉体本身的物相组成和结构产生大的影响。4. FTIR分析4 OQO 3 5003 ()002 5002 OOO I 500 I 000 5OQWiive numbcr/cm 1tn、Rum SiC4 not) 3 5003 DOO 2 5002 0() f) I 5001 000500Wove number/cm"J(li) Surface rnudified SiC在SiC粉体改性前，在波数 500900 cm-1之间存在1个明显的宽峰，即 Si C 键的伸缩振动峰；3 455 cm -1和1

12、635 cm -1处为吸附水所产生的吸收峰；由图 6b可 见：在SiC粉体改性后，在500900 cm-1之间存在一极强的 Si C键伸缩振动峰， 在1 256 cm-1处存在Si C键弯曲振动峰，在波数 3 430 cm-1处是缔合的氨基(N H) 伸缩振动峰，1 560 cm -1处是其面内弯曲振动峰。测试结果表明：偶联剂与粉体表面 的羟基发生了反应，产生了较强的化学键合，它在粉体表面的包覆作用掩盖了粉体原有 的表面特性，使粉体的表面呈现出硅烷偶联剂的性质，说明硅烷偶联剂对碳化硅的改性是成功的。5. 粒径将原始SiC粉和经KH-550改性的SiC粉体分别配制成稀溶液，超声分散30 min

13、后，用激光粒度分析仪测定改性前后SiC粉体的粒径：Pjrticle si/c/prn改性前后SiC粉体的粒径分布原始SiC微粉经过KH-550硅烷偶联剂预处理后，中位粒径D50略有减小，且粒径分布范围变窄，这是由于微粉的团聚程度降低，疏水分散性提高所致。Powder-Particle size/jimDqDrRaw SiC0310.9882.380Surface modified SiC0.2150.8422,080改性前后SiC粉体的粒径6.Zeta 电位分析经硅烷偶联剂处理后，SiC微粉的zeta电位发生了显著变化。原始 SiC悬浮液的等电点在pH = 6.5 附近，在酸性条件下，zeta

14、电位基本保持不变，均较低(<10.0 mV); 在碱性条件下，pH值越大，zeta电位绝对值越高，在pH = 10时，达到最大值-17.58 mV这是由于SiC表面的无定形SiO2薄层会发生水解，在等电点时，形成稳定的不带 电荷的硅醇(Si OH)层，而硅醇具有酸碱两性且偏酸，故SiC的等电点稍偏酸性 。当溶液中的pH<6.5时，硅醇与溶液中的 H+反应，在SiC表面形成阳离子团 Si OH+, 使颗粒表面带正电，悬浮液的 zeta电位为正值；当溶液中 pH>6.5时，硅醇键与溶液 中的0"发生反应，在 SiC表面形成阴离子团 Si O-,使颗粒表面带负电，溶液的 zeta电位为负值。上述结果表明：原始SiC悬浮液只有在碱性条件下才具经硅烷偶联 剂处理后(1# :反应产物只经水洗处理，2#:反应产物先经水洗，再经丙酮洗涤)，二者等电点均向碱性方向稍有偏