碳化硅粉体表面极性调控与浆料性能研究

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碳化硅(SiC)是一种新型无机陶瓷材料,具有强度高、耐磨、耐热震、抗腐蚀、抗氧化和成本低廉等优异的综合性能,因而在机械和化工等领域得到了广泛应用。制备高密度、孔径分布均匀的坯体是陶瓷生产过程中至关重要的环节,研究者曾进行大量的实验室研究和工艺探索。其中,胶态成型工艺是获得均匀致密、形状复杂陶瓷器件的代表性制备方法之一,此工艺的难点在于制备出高分散性、低粘度、高固相含量的SiC陶瓷浆料。碳化硅粉体表面能高,易在水相中团聚,分散性差,影响到后续烧结和坯体的性能。为解决这一难题,本文利用小分子有机物乙酸和乙醇对SiC粉体进行表面改性,通过表面极性的改变和空间位阻抑制颗粒间团聚;从粉体表面微观状态和化学性质入手,系统探究了杂质离子和SiO2表面氧化层对SiC浆料分散稳定性和流变性能的影响;探究了SiO2氧化层的调控与浆料流变性之间的关系。主要研究内容如下:1、乙醇、乙酸溶剂热处理对SiC浆料性能的影响:为改善大分子物质改性SiC粉体易自聚的缺点,实验采用小分子有机物乙醇、乙酸在120℃溶剂热条件下改性SiC粉体,探究小分子有机物改性对SiC浆料性能的影响。结果表明:乙酸在120℃溶剂热条件下改性SiC粉体可以有效提高SiC颗粒在水相中的分散性、稳定性和流变性能。乙酸相对牢固的吸附在SiC粉体表面,利用空间位阻和静电稳定效应的双重作用,提高了粉体表面的Zeta电位,增大双电层斥力,减少粉体间的团聚,提高了浆料的分散性和稳定性;乙酸改性后SiC粉体表面的硅羟基含量减少,由氢键束缚的结合水含量降低,浆料的流变性能得到了提高。2、SiC表面SiO2氧化层对浆料性能的影响:通过HCl酸洗去除杂质离子、HF刻蚀SiC表面的SiO2氧化层,以及煅烧生成新的氧化层等方法,利用ICP-AES、EDS、Zeta电位、粘度测定等表征手段,系统研究了表面氧化层和金属杂质离子对浆料性能的影响。实验结果表明,导致浆料分散稳定性和流变性能变差的主要原因并非SiC粉体表面的SiO2氧化层,而是存在于SiC表面或水相中的杂质离子。SiC表面氧化层在适量、且经过活化(煅烧)的情况下,对粉体表面性质和微观状态具有一定的调控作用,扩散双电层斥力增大,浆料分散性和流变性提高。适量的氧化层存在有利于改善浆料的性能,这为寻求新的氧化层活化方法提供了一定的理论依据。3、碱液处理对SiC表面氧化层的调控:利用碱与酸性SiO2氧化物反应的特点,探究活化SiC表面SiO2氧化层的新方法。实验采用不同强度的碱性溶液KOH、NaOH和Na2CO3处理SiC粉体,探究了碱液改性后SiC表面SiO2氧化层的微观变化对浆料性能的影响。实验结果表明,SiC表面适量SiO2氧化层(硅羟基)的存在有利于粉体的分散,碱性溶液可以调控SiC表面氧化层的含量,提高粉体浆料分散性、稳定性和流变性能。其中,Na2CO3水溶液的改性效果最好,性质温和的强碱弱酸盐Na2CO3可以轻微刻蚀SiC表面氧化层,微量调控SiO2氧化层的含量,从微观上活化SiC表面、改善粉体的表面性质,进而调控SiC水基悬浮液的静电稳定机制,最大程度地提高粉体浆料分散稳定性和流变性能,对制备高质量、结构致密且均匀的陶瓷制品具有重要意义。4、Na2CO3改性实验条件对SiC浆料性能的影响:从温度、时间、浓度等实验条件出发,采用控制变量法,探究Na2CO3改性SiC的最佳实验条件。实验结果表明,选用室温条件下0.1 mol/L的Na2CO3溶液改性SiC粉体30 min,可以达到最佳改性效果,极大地提高SiC浆料的分散稳定性和流变性能。利用低浓度的Na2CO3溶液实现了对SiC粉体表面SiO2氧化层的调控,节省了改性剂用量,减少能量消耗,对工业制备高性能的SiC浆料具有重要意义。
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