SiC粉体表面改性与其在水中分散性能的研究

摘要

SiC是一种用途十分广泛的无机非金属材料，直接凝固注模成型是制备高性能SiC材料的最简捷有效的方法。该方法克服了以往热压成型工艺过程中耗能高、后期机加工复杂、成本昂贵等缺点，但直接凝固注模对SiC粉体浆料提出了苛刻的要求，要求SiC粉体浆料粘度低于1pa.s时，固相体积分数达到50vol％以上。目前国内工业产品高质量SiC水基浆料也远无法达到该性能指标。本文对SiC粉体通过酸碱溶液洗涤、加碱热处理、表面羟基接枝进行表面改性，通过测量改性后的SiC粉体表面Si?OH含量、表面元素变化及表面形貌变化，测量水基浆料粘度与固含量，以期制备高固含量低粘度的SiC水基浆料并探究其机理。
　　1、首次使用卡尔?费休法测量SiC粉体表面的Si?OH含量。对比以往表面Si?OH测量方法，该方法RSD值仅为3.8%，其他方法一般超过5%。该方法具有精密度高，易克服外界干扰因素等优点，是测量粉体表面Si?OH的一种有效的方法。
　　对平均粒径约为0.5μm的国产SiC粉体利用不同酸碱溶液进行表面清洗后，测量酸溶液处理导致SiC粉体表面硅羟基浓度增大，在2mol/L HCl处理后，羟基含量升至最高值0.18%，较原料含量上升28%。碱溶液处理导致SiC粉体表面羟基浓度降低，降低至0.11%，较原料含量下降约21%。
　　表面元素分析显示，表面酸碱洗涤均会降低SiC粉体表面碳硅比。结果显示2mol/L HCl处理后变化最为明显，表面C元素含量下降29%，表面Si元素含量升高44.1%。表面碳硅比由原料的80.4/19.6变为57.34/42.66。
　　固定固含量为10.7%，酸碱处理过SiC粉体浆料粘度均低于原料SiC粉体浆料粘度。在pH值约为8的环境中，NaOH处理过的SiC粉体浆料粘度最低为1.41mpa.s，远小于原料粉体浆料的粘度。
　　结果显示酸碱处理均会改善SiC粉体水基浆料分散性。酸处理有效改善SiC粉体表面元素含量，利于SiC粉体浆料分散。碱处理有效减少SiC粉体表面羟基含量，从而提高SiC粉体浆料分散性。测量相同质量分数下的SiC浆料粘度来评价酸碱处理对SiC粉体浆料的影响，得出碱溶液处理最能导致SiC粉体分散性变优的结论。
　　2、探究加碱加热处理SiC粉体表面改性效果的研究，固定SiC与NaOH质量比，结果显示改变加热温度会引起表面形貌变化，照片显示200-250℃会最显著引起SiC粉体颗粒棱角钝化。250℃下pH值约为13的溶液中分散性最好，质量分数为50%,粘度值仅为35.6mpa.s，而原料SiC粉体浆料粘度为905mpa.s。加热温度改变还会引起SiC粉体表面元素比变化，有效去除表面多余的C元素。
　　改变加碱热处理表面改性碱浓度会引起SiC粉体表面O元素含量降低，SiC与NaOH质量比为1/0.5时，表面氧元素含量降至最低，约为1.08%，约降至原料水平的42%。SiC与NaOH质量比变化会引起表面羟基浓度变化，SiC与NaOH质量比为1/0.5时，SiC粉体表面硅羟基浓度降至0.05%，较原料下降约45%。
　　加碱加热表面改性会显著影响SiC粉体表面羟基浓度，表面氧元素含量，表面碳硅比，最终通过加碱热处理改性，可有效改善SiC粉体浆料分散性。
　　3、无水条件下对SiC粉体表面羟基与二元羧酸的反应进行表面接枝改性，通过原料SiC粉体和加碱加热改性后SiC粉体分别与乙二酸接枝，分别制备得到粘度1pa.s下，固含量分别为46vol%、41vol%的浆料。结果显示直接用原料接枝可以制备效果更好的浆料。
　　对SiC粉体与乙二酸接枝制备得到粘度1pa.s，固含量达到46vol%的浆料。通过SiC粉体与丙二酸接枝制备得到粘度为1pa.s，固含量达到52vol%的浆料。通过对SiC粉体与丁二酸接枝制备得到粘度1pa.s，固含量达到45vol%的浆料。通过对SiC粉体与己二酸接枝制备得到粘度1pa.s，固含量达到46.2vol%的浆料。通过对SiC粉体与庚二酸接枝制备得到粘度1pa.s，固含量达到42vol%的浆料。
　　通过对电位滴定法测量得到乙二酸、丙二酸、丁二酸、己二酸、庚二酸接枝率分别为9.11%，15.18%，5.49%，23.7%，14.58%，结合探究水基浆料在不同pH值水基分散介质中的pH值，评价得到改性后SiC粉体浆料流动性最佳者为接枝丙二酸，改性后粉体在TMAH调节pH=13分散介质中固相体积分数可达52vol%，已经初步可以达到注模成型的基本要求。本文通过电位滴定定量分析接枝率，接枝率数据的得出有力证明接枝反应的发生，同时从侧面验证了表面Si-OH的存在和表面Si-OH的反应活性。

目录

1 绪论

1.1 SiC简介

1.2 SiC粉体的制备及粉体性质

1.3陶瓷浆料胶态成型制备的研究现状

1.4SiC胶体分散稳定机制

1.5 SiC粉体的表面改性方法

1.6本论文选题意义及研究内容

2 SiC粉体酸碱溶液处理及表面羟基浓度测定

2.1 引言

2.2实验部分

2.3实验结果与讨论

2.4本章小结

3 温度对SiC粉体加碱表面改性影响研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3实验结果与讨论

3.4本章小结

4 SiC粉体表面接枝实验研究

4.1引言

4.2实验药品与仪器

4.3 实验结果与讨论

4.4实验小结

5 结论

参考文献

展望

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间发表论文目录