SiC粉体的表面改性Word格式.docx

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一类是加热凝胶聚硅氧烷，发生分解反应放出小单体，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 

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SiC粉体，D50=0.897µ

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—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350mL甲苯、50gSiC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℃并搅拌反应6h。

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30min）、离心洗涤（介质：

水、丙酮；

时间：

25min）后，于105℃烘箱中干燥12h，冷却后待用。

三、表征

1.粘度

改性SiC浆料的粘度与反应温度的关系（图1）

在70～90℃范围内，浆料黏度随温度的升高而降低；

当温度超过90℃，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℃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。

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4～6h之间，SiC浆料黏度较低且随反应时间的延长变化不大；

超过6h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—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（12.20Pa·

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渐接近硅烷偶联剂的性质，浆料黏度明显下降；

在4～6h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。

SiC浆料黏度与硅烷偶联剂用量的关系（图3）

反应温度90℃；

反应时间4h；

SiC含量均为50g。

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1.5g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

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

改性前后SiC粉体的面间距d值均与JCPDS卡片中α-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

在SiC粉体改性前，在波数500～900cm–1之间存在1个明显的宽峰，即Si—C键的伸缩振动峰；

3455cm–1和1635cm–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500～900cm–1之间存在一极强的Si—C键伸缩振动峰，在1256cm–1处存在Si—C键弯曲振动峰，在波数3430cm–1处是缔合的氨基（N—H）伸缩振动峰，1560cm–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30min后，用激光粒度分析仪测定改性前后SiC粉体的粒径：

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。

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电位基本保持不变，均较低（<

10.0mV）；

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–17.58mV。

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[9]。

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—OH2+，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OH–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移，且在酸性条件下zeta电位均有显著提高，后者提高程度较大，这是因为洗涤后用丙酮脱水避免了SiC粉体在干燥时的二次结块。

当pH=3.78时，2#悬浮液的zeta电位获得最高正电位为41mV，这是因为硅烷偶联剂中的烷氧基（—OC2H5）与粉体表面的Si—OH发生了键合，在酸性条件下，硅烷偶联剂一端的氨基（—NH2）与氢离子（H+）发生反应生成NH3+，使粉体表面正电荷密度增加，等电点向碱性方向偏移，zeta电位提高，浆料的分散性得到了改善。