碳化硅（SiC）是一種用途十分廣泛且具有很好發(fā)展前景的無機非金屬材料，制成陶瓷后是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，具有高的彈性模量和比剛度，不易變形，并且具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和低的熱膨脹系數(shù)，目前已經(jīng)成為高溫?zé)釞C材料的主要考慮材料之一，可應(yīng)用在高溫噴嘴、渦輪機葉片、渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子等方面。

碳化硅陶瓷

因此，業(yè)界對SiC陶瓷在幾何形狀的精確性、強度、韌性和可靠性方面提出了更高的要求，成型工藝則是至關(guān)重要的一環(huán)。不同的成型工藝對陶瓷制品的性能影響比較大，例如脫模困難、難以制備形狀復(fù)雜制品、陶瓷的致密性不足等困難等，這些缺陷的存在會制約其在高端領(lǐng)域中的應(yīng)用，因此，要制備性能優(yōu)異、高可靠性的陶瓷制品，就需要探究影響成型工序成效都有哪些因素。

一、碳化硅陶瓷的成型工藝及難點

陶瓷的成型工藝主要分為干法成型與濕法成型（即膠態(tài)成型）兩大類。干法成型分為干壓成型和等靜壓成型，干法成型操作簡單，易用于大規(guī)模生產(chǎn)，且不需要后續(xù)的干燥處理，但制成的陶瓷材料均一性差、密度分布不均、可靠性不足，影響材料的力學(xué)性能和電學(xué)等物理學(xué)性能，很大程度上限制了產(chǎn)品的用途，故對材料性能要求極高的精密器部件的成型工藝多采用濕法成型。

在實際成型過程中，對SiC漿料的要求是：高固相含量（>50 vol%）、低粘度（<1Pa.s）和穩(wěn)定分散。主要是由于高固相含量和低粘度是膠態(tài)成型的前提，而且將直接影響SiC制品的性能，而低粘度的漿料更容易消泡、脫氣和充分填充模具，能夠有效地降低坯體缺陷，使所制得的素坯的密度更高。

但是，低粘度和高固相含量本身卻存在一定的矛盾性。因為當(dāng)粉體的粒徑達到亞微米級時，在提高固相含量時，通常情況下漿料粘度都會增大。漿料的粘度受固相含量、分散劑的種類和添加量、pH值等因素的影響。所以為了得到高性能的陶瓷制品，就需要理清這些影響因素的機理和他們之間的相互影響。

用于制備SiC陶瓷的原料粉體粒徑常為亞微米級

二、SiC粉體性質(zhì)與影響后續(xù)成型的因素

SiC粉體性質(zhì)與其制備構(gòu)成密切相關(guān)，一般SiC是由SiO₂和C在電爐中合成的：SiO₂+3C→SiC+2CO；當(dāng)溫度為1400℃時生成β-SiC，當(dāng)溫度為2100℃時β-SiC就會轉(zhuǎn)化成α-SiC，當(dāng)溫度為2400℃時全部生成α-SiC。工業(yè)用SiC一般含有少量的雜質(zhì)如游離C、游離Si、Fe₂O₃和SiO₂等。

主要注意的是，碳化硅表面的二氧化硅層會影響粉體在水相中的分散，二氧化硅在水相中會形成硅羥基“Si-OH”，硅羥基在水相中顯酸性，所以使碳化硅的等電點是酸性的，二氧化硅越多，碳化硅的等電點越靠近酸性一端，當(dāng)pH值小于粉體等電點時硅烷醇會吸引氫離子，是顆粒表面帶正電從而Zeta電位變?yōu)檎怠Ｔ趬A性條件下硅烷醇則會與溶液中濃度高的OH^-發(fā)生反應(yīng)，在粉體的表面形成[Si-O]^-，使顆粒表面帶負電荷，從而Zeta電位也為負值。

粉體在水相中的分散與Zeta電位絕對值的大小息息相關(guān)，所以粉體表面形成的二氧化硅層對粉體的分散起到很大的作用。當(dāng)碳化硅粉體分散在水中時，其粉體表面的硅羥基會與水分子形成兩種氫鍵，如下圖所示。由于氫鍵的作用使粉體束縛了一部分水分子，形成結(jié)合水，對漿料的流動會產(chǎn)生影響，從而影響漿料的流變性能。

硅羥基與水分子之間的氫鍵形式

三、SiC的表面改性

顆粒在漿料里的穩(wěn)定性由顆粒間的全部作用力間的相互作用決定的，主要包括范德華力、氫鍵、空間位阻效應(yīng)、顆粒表面雙電子層的斥力等。懸浮液的均勻分散穩(wěn)定機制可分為：靜電穩(wěn)定機制；空間位阻穩(wěn)定及靜電空間位阻穩(wěn)定。實際過程中，懸浮液中通常存在多重機制共存的現(xiàn)象，與單一機制相比，這種效果會更好一些。

從上至下：靜電穩(wěn)定機制、空間位阻穩(wěn)定、靜電空間位阻穩(wěn)定

實際操作中，為了獲得高固相含量低粘度的漿料，可利用不同的粉體分散機制來提高粉體顆粒在也想介質(zhì)中的分散程度——即通過表面改性，改變粉體顆粒表面的性質(zhì)，增加粒子之間的斥力，改善粉體的濕潤性、分散性，提高粉體的 Zeta 電位絕對值。

可行措施有很多，由改性工藝的不同，分為濕法、半濕法、干法；由改性原理的不同，分為物理吸附、化學(xué)包覆、機械力化學(xué)法；由于作用效果的不同，分為表面吸附包覆、高能表面改性和表面接枝包覆等；由改性目的不同，分為親油改性、親水改性和增加耐候性等；由改性劑種類不同，分為無機物改性、聚合物改性、表面活性劑改性和復(fù)合改性等。

（1）物理吸附法

物理吸附法指的是不同改性劑如高聚物涂覆或高能改性等方法對粉體進行改性。

高聚物涂覆是指高聚物或樹脂通過粘附力包覆在粉體表面，這樣可以提高改性后粉體的粘結(jié)性。這種方法包括兩種工藝，分別有冷法覆膜、熱法覆膜。該方法較簡單、操作方便、成本低并且能夠大量生產(chǎn)，但缺點是效果有限。

采用紅外線、紫外線、電子束和等離子體輻射等方法處理改變粉體表面性質(zhì)的方法叫做高能表面改性。該方法的優(yōu)點是表面生成的有機膜較薄、致密、均勻并且粘附性能強，同時粉體表面的雜質(zhì)變少，但缺點是技術(shù)復(fù)雜、成本很高并且目前還很難在工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)。

（2）表面包覆

化學(xué)改性法是指在表面包覆過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。這是粉體改性中最常見的方法。表面包覆分無機包覆和有機包覆兩種。主要是在無機粉體表面沉積一層氧化物、氫氧化物或有機物。當(dāng)包覆物為氧化物或氫氧化物時，叫做無機包覆。當(dāng)包覆物為有機物時叫做有機包覆。

無機包覆的方法主要有醇鹽水解法、均勻沉淀法、非均勻成核法、溶膠．凝膠法等。其中，最好的方法是非均勻成核法。有機包覆改性提高了無機粉體的靜電、空問位阻作用，從而使其分散性變好。有機包覆的方法主要有有機物表面接枝、表面吸附包覆和膠囊化改性等。其主要應(yīng)用在無機復(fù)合材料或者填料的分散，以此來提高無機粉體和有機基體的潤濕性和相容性。另外也用于改善無機粉體在水中的分散性。

（3）洗滌

該方法主要指通過使用酸、堿等物質(zhì)洗滌或采用離子交換樹脂來除去粉體表面吸附的高價離子，從而使粉體表面的zeta電位提高，使其在介質(zhì)中穩(wěn)定分散.

（4）分散劑處理

制備高固含量的陶瓷懸浮液的一種常見方法是分散劑處理，這是由于用分散劑處理后，粉體之間會產(chǎn)生了一定的空間位阻或靜電效應(yīng)。一般情況下所使用的分散劑是表面活性劑或各種聚電解質(zhì)，他們共同的特點是既有親水基又有疏水基。

四、總結(jié)

本文從碳化硅粉體性質(zhì)入手，探究了要獲得高品質(zhì)陶瓷制品，為何需要通過對粉體原料改性來改善成型工序效果。總之，高分散性的微米級SiC粉體是獲得具有高精確性、強度、韌性和可靠性陶瓷制品的必要條件，因此探究相關(guān)技術(shù)對制備可應(yīng)用于高端領(lǐng)域的碳化硅陶瓷具有重要意義。

資料來源：

馮瑩. SiC粉體表面的化學(xué)改性及成型后對坯體的影響[D]. 北京:北京化工大學(xué),2019.

黃俊曉. SiC粉體表面處理與其漿料流變性之間的關(guān)系研究[D]. 山東:煙臺大學(xué),2019.

粉體圈 整理

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