超细碳化硅表面改性技术进展

收稿日期:2007-11-21
通讯联系人:王杏,女,E-mail:wx4331@126.com
文章编号:1006-2874(2008)02-0010-03
超细碳化硅表面改性技术进展
王杏
关荣锋
田大垒
(河南理工大学材料科学与工程学院,焦作:454003)
摘要超细碳化硅(SiC)颗粒优异的物理化学性能和广泛的应用领域成为陶瓷颗粒表面改性研究的一个热点。
介绍了超细SiC颗粒改性的目的和机理,从物理改性、化学改性两个方面对改性方法及研究进展情况进行了总结,并在此基础上指出了超细SiC颗粒的表面改性面临的主要问题。
关键词碳化硅,表面改性,包覆,接枝改性中图分类号:TQ174.75+8.12
文献标识码:A国籍法
1前言
近年来,随着人们对纳米陶瓷颗粒增强复合材料研究的深入,纳米陶瓷颗粒表面改性已成为材料科学和界面与表面科学领域的热门研究课题[1]。在众多陶瓷颗粒中,SiC是一种性能优良的非氧化物材料,具有高硬度、
高弹性模量、耐热、耐磨、耐腐蚀等优点,在航天航空、电子、化工等领域有广泛的应用[2],国内外许多学者都在积极致力于SiC的应用研究[3]。但是由于超细粉体,尤其是纳米级粉体的粒径很小,表面能高,很容易发生团聚,形成二次粒子,这样就无法表现出表面积效应、体积效应及量子尺寸效应等,从而很难实现纳米尺度范围内不同相颗粒之间的均匀分散以及烧结成形过程中与基体的相容性,进而影响复合材料性能的提高[4]。
因此,在纳米尺度上对SiC进行表面改性,以获得高性能且满足实际应用的复合材料是研究的重点。本文从超细SiC的表面改性的目的出发,综述了不同改性方法的研究现状,进而提出当前超细SiC表面改性面临的挑战。
2改性的目的和机理
表面改性,是指用物理、化学等方法对粉体表面进行处理,从而改善粒子表面的化学和物理特性的处理过程,又称表面修饰。可通过粉体表面改性增加粉体颗粒间的斥力,降低粉体颗粒间的引力,使其易于分散;还可以提高颗粒的表面活性,改善粉体粒子与其他物质之间的相容性,使微粒表面产生新的物理、化学、力学性能及新的功能[5]。
超细粉体表面改性的机理[6]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。粒子表面经偶联剂处理后可以与有机物产生很好的相容性。
3改性方法及研究现状
经过表面改性,可改善超细粒子的分散性、稳定性与高聚物相容性等性能,提高其表面活性,使其能够符合不同应用领域的要求。随着研究的深入,表面改性方法也越来越多,按照涂敷原理,改性方法主要分为物理方法和化学方法。
3.1超细SiC表面改性方法[7]
3.1.1表面包覆改性
表面包覆改性是包覆物与粒子间没有发生化学反应,依靠物理方法或范德华力连接的改性方法。根据工艺的差别,表面包覆改性SiC的方法主要有化学镀、电镀、气相沉积、溶胶-凝胶、辐射和机械涂敷等方法(见表1)。用于包覆改性的改性剂主要有表面活性剂、超分散剂、无机物等[8]。
3.1.2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
CHINACERAMICINDUSTRY
Apr.2008Vol.15,No.2
中国陶瓷工业
2008年4月第15卷第2期
中国陶瓷工业
2008年第2期
表1表面包覆改性方法及特点[3,9]
Tab.1Methodsandcharacteristicsofsurface
modificationbycoating
改性方法特点
三氯氢硅
化学镀操作控制容易,工艺简单,适合规模化生产,但均一性差
电镀涂层附着性好,但易引起裂纹,成本较高
气相沉积涂层均匀致密,但工艺复杂,沉积速率偏低
溶胶-凝胶涂层均匀、纯度高,但结合不牢、易剥落,而且原料成本较高
高能束流辐照工艺性较好,涂覆层厚度可调,但孔隙率较高,成本高机械涂覆效率高,涂层附着性好,改性效果明显
的分散稳定性[6],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[5]。表面改性剂的选择范围较大,在具体选用时要综合考虑无机粉体的表面性质、改性后的产品质量要求和用途、表面改性工艺以及表面改性剂的成本等因素。
表面化学包覆改性SiC粉体的效果受诸多因素的影响,主要有SiC粉体的表面性质,表面改性剂的配方,表面改性工艺以及表面改性设备。
用有机硅偶联剂处理SiC粉体,在适合的条件下,经聚合反应再将有机的单体接枝于SiC颗粒表面上,在SiC颗粒表面上形成聚电解质包及层,以改善SiC粒子在水介质中的分散性质。同时研究了改性SiC粉体在水介质中的稳定条件,荷电性及在高固体含量下,用改性SiC粉体所制备的陶瓷料浆的流变性。研究结果[10]表明:改性后的碳化硅粉在水中的分散稳定性能大大优于未改性碳化硅粉,所制备料浆体系的固体含量、分散稳定性能、粘度等参数能满足注浆成型工艺的要求。
3.2超细SiC表面改性研究进展
SiC作为先进功能材料和结构材料的原料直接使用时,还存在着一些问题需要解决,所以在科学研究中,一直都在努力通过表面改性使超细SiC粉体满足实际需要。
用聚甲基丙烯酸甲醋(PMMA)处理过的SiC粉制备的料浆,Zeta电位增大,流动性能变好,在保证成型需要的流动性的条件下,大大提高料浆的固相含量(体积分数可从原来的45%提高到50%),为胶态成型提供了基础[11]。
K.Prabhakaran等人[12]研究了氢氧化铝包覆SiC粉体的表面改性。在铝的覆盖率为0.1mg/m2时,SiC粉体表现出类似氧化铝的分散特性,zeta电位明显改善;当覆盖层铝增大到一定值时,悬浮液的流变性能降低。聚乙烯亚胺(PEI)表面改性可以提高SiC粉体的流动性能,改性后的颗粒尺寸均匀,形状多为块状。调节pH值,改变聚乙烯亚胺和SiC颗粒表面的结合方式,聚乙烯亚胺吸附到SiC颗粒表面,增加了颗粒之间的静电排斥能,有助于提高SiC颗粒表面的分散性和流动性[13]。
通过对SiC粉体表面进行有机包覆改性,制备了表面含有酰胺类基团的改性粉体[14],改性SiC粉体与原始粉体相比,其表面特性发生了很大变化,等电点向碱性方向发生了明显的移动。改性SiC粉体在酸性或碱性条件下均可获得相对较大的zeta电位值,且zeta电位随pH值的变
化关系与陶瓷粉体吸附阴离子型聚电解质时表现的特征相似。
采用聚乙二醇作为分散剂对工业用SiC粉体进行表面改性处理[15],通过TG、IR、电镜等测试技术研究了改性前后SiC粉体的流动特性、吸附、热重以及形貌等物性,分析了聚乙二醇加入量及液体介质对各种物性的影响。试验结果表明:聚乙二醇添加量为5%(质量分数),介质为乙醇时,改性SiC粉体流动特性较好;改性后颗粒之间分散较好,尺寸分布均匀,形状多为块状分布,而且粉体改性后碳化硅陶瓷制品的烧结性能也得到了改善。
李超,王少卿等[4]根据置换反应的原理将Cu2+还原为Cu原子在纳米SiC颗粒表面形核实现了Cu包覆纳米SiC颗粒。分析表明,复合粉体包覆完全、分散均匀、无明显团聚,而且大部分呈球形。纳米SiC颗粒表面改性后可以改善在Cu基合金中的分散性和相容性,满足了表面改性的要求。马丁麦克多纳
试验证明酒石酸的用量对碳化硅粉体表面活性的影响有很大程度的差别[16]。一般情况下,酒石酸在用量为0.05%时,对碳化硅表面改性作用最好。酒石酸处理后的碳化硅粉体料浆的流动性很好,几乎没有沉降性,其稳定性接近于作为基准的进口料料浆的稳定性。可用于制备粘度小、固相含量高的料浆。
采用简单的化学镀技术[17],改进氧化、亲水、敏化和活化的前处理工艺,对SiC颗粒进行表
面化学改性。确定了最佳的试验工艺,获得了镀层连续、无光滑SiC颗粒裸露的较高质量的碳化硅复合粉体。分析表明改性后的SiC颗粒导电性能有所提高,形貌、组成发生了改变。
对于不同粒径的超细SiC粉体,S.Novak[18]研究发现:涂敷一层很薄的氧化层后,由于粒径不同,改性的SiC粉体在悬浮液中的动力电学行为有所差异。经氢氧化铝包覆的粉体悬浮液的动力电学行为也发生改变。
4存在的问题及挑战
《关于分类推进事业单位改革的指导意见》11
中国陶瓷工业2008年第2期
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。陈白露
(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[19]。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。
5结论
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,这不仅对扩大
纳米陶瓷微粒的应用范围具有重要意义,而且提供了开发新材料的重要技术。相信随着人们对超细粉体特殊性能及应用领域的不断研究,超细SiC粉体必将显示出越来越广泛的发展前景。
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常州技术师范学院12
中国陶瓷工业
2008年第2期PROGRESSINSURFACEMODIFICATIONOFULTRAFINE
SILICONCARBIDE
WangXing
GuanRongfeng
TianDalei
(InstituteofMaterialsScienceandEngineeringofHenanPolytechnicUniversity,454003)
ABSTRACTUltrafinesiliconcarbidehasbecomeanimportantaspectinthesurfacemodificationofceramicparticles
becauseofexcellentphysicalandchemicalperformancesaswellasbroadapplication.Inthispaper,theaim
andmechanismofultrafinesiliconcarbidemodificationwereintroduced.Methodsandresearchprogressweresummarizedintermsofphysicalandchemical
modification.What'smore,majorproblemsinultrafine
siliconcarbidemodificationwerepresented.
KEYWORDSsiliconcarbide,surfacemodification,coating,graftmodification
ReceivedonNov.21,2007
WangXin,female,E-mail:wx4331@126.com
CERAMICMICROSCOPICIMAGEPROCESSINGBASEDON
FASTCURVELETTRANSFORM
LiuGuogao
(DepartmentofMathematicsandPhysics,HohaiUniversity,Changzhou213022)
ABSTRACT
Ceramicconstructioninformationisveryimportanttoceramicqualityanalysisandmanufacturecontrolince-ramicindustry.Itisnecessarytoreducenoisesandenhanceedgesforceramicmicroscopicimagepro-cessingatfirst.Curvelettransformisanewextensiontowavelettransformintwodimensions.Thedirection-alityfeatureofcurvelettransformmakesitagoodchoiceforrepresentationofcurvesandedgesintheim-age.Thefastdiscretecurvelettransformtheorymakesitunderstoodandimplementedmoreeasily.Inthispaper,anenhancementmethodisproposedtoreducethenoisesandenhancetheedgesbyfastcurvelettransform.Thismethodisusedforceramicimagespre-processing,andthenwatershedalgorithmisappliedtothesegmentation.Thegrainsize
distributionscanbeobtainedfromsegmentationimages.Ithasbeen
provedthatthismethodiseffectivefortheceramicgrainimage.
KEYWORDSceramicmicroscopicimage,fastcurvelettransform,imagedenoising,imageenhancement,watershedal-
gorithm
ReceivedonSep.25,2007
LiuGuogao,male,E-mail:lguogao@sohu.com
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