納米碳化硅粉體的制備及其分散性的研究

文章來源：http://www.dyqzzz.cn 發布時間：2020-06-18 瀏覽次數：163

碳化硅納米粉體，是指粒徑在1-100nm之間的碳化硅超微粒子，性能更為優異的碳化硅納米材料可以克服碳化硅傳統材料的缺陷而且應用也更加廣泛。SiC納米粉體具有優良的力學性能、良好的電性能和熱導率、耐高溫強度、耐磨性、高絕緣性等特性，由其制造的結構材料廣泛應用于航空、航天 、汽車、機械、石化、電子、核工業等領域。

碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時偶然發現的一種碳化物。1893年艾奇遜研究出來了工業冶煉碳化硅的方法，即用焦炭在高溫下還原二氧化硅制備碳化硅粉體。這也就是大家常說的艾奇遜法，并一直沿用至今。但是此法制備的粉末粒徑較大，不能制備納米碳化硅粉體，為了制取粒徑細小的納米粉末，人們研究出了碳熱還原法、激光誘導法、溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法、等離子體法、高能球磨法等新方法。

碳熱還原法即首先制備出硅和碳在分子水平上均勻分布的C/SiO₂混合物，然后在1200-1600℃內進行還原反應制取碳化硅的方法。常用的制備C/SiO₂混合物的方法有sol-gel法和化學氣相滲透法。

激光誘導法^[1]是近幾年興起的制備納米微粉的一種技術，具有粒子大小可控、粒徑分布均勻等特點，并容易制備出幾納米到幾十納米的非晶態或晶態納米微粒。其基本原理是利用大功率激光器的激光束照射于反應氣體，反應氣體通過對激光光子的強吸收，氣體分子或原子在瞬間得到加熱、活化，在極短時間內反應氣體分子或原子獲得化學反應所需要的溫度，迅速完成反應、成核與凝聚、生長等過程，從而制得相應物質的納米微粒。利用激光誘導法制備的碳化硅納米粉體具有表面清潔、粒子大小可控、粒度分布均勻、無嚴重團聚等特點，但要求儀器精密度高，對技術的要求也較高。

溶膠-凝膠法^[2]作為低溫或溫和條件下合成無機化合物或無機材料的重要方法，廣泛應用于制備納米粒子。溶膠-凝膠法的化學過程首先是將原料分散在溶劑中，然后經過水解反應生成活性單體，活性單體進行聚合，開始成為溶膠，進而生成具有一定空間結構的凝膠，經過干燥和熱處理制備出納米粒子和所需要的材料。溶膠-凝膠法制備碳化硅納米粉體的核心是通過溶膠-凝膠過程，形成硅和碳的混合物，最后在1400~1700℃左右發生碳熱還原反應，合成碳化硅納米粉體。

化學氣相沉積（CVD）法也是熱化學氣相反應法。CVD法^[3]制備納米粉體的過程是形核生長的過程。在遠高于熱力學計算臨界反應溫度條件下, 反應產物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓, 使得反應產物自動凝聚形成大量的核, 這些核在加熱區不斷長大聚集成顆粒, 在合適的溫度條件下會晶化成為微晶。隨著載氣氣流的輸運和真空泵的抽送, 反應產物迅速離開加熱區進入低溫區, 顆粒生長、聚集、晶化過程停止, 最后進入收集室收集起來, 就可獲得所需的納米碳化硅粉體。隨著研究的深入，獲得最佳工藝條件，使制備的納米粉體形貌、晶相、尺寸等可控，現已成為制備納米粉體和薄膜的主要技術。

等離子體法^[4]是一種將輝光放電的物理過程和化學氣相沉積相結合的技術，也是利用低氣壓氣體放電等離子體增強化學氣相沉積的反應過程。近年來關于微波等離子體化學反應的研究在國際上明顯呈上升趨勢，與電弧等離子體技術相比，微波等離子體為無機放電，可獲得純凈且密度較高的粉體；與直流電弧或高頻等離子體技術相比，它溫度較低，在熱解過程中不致引起致密化或晶粒過大。

高能球磨法是以低品位碳化硅粗粉為原料，通過球磨工藝制備高性能超細碳化硅粉體。隨著球磨時間的延長，碳化硅粉體形貌由多角形變為近似球形顆粒狀，粉體平均粒徑逐漸減小，流動性逐漸變差，振實密度減小。

團聚現象是納米顆粒的應用和研究過程中的一個世界性難題。碳化硅納米顆粒由于粒度小、表面原子比例大、比表面積大，表面缺少臨近配位原子、表面能大，處于能量不穩定狀態，因此在準備及輸運的過程中極易發生凝并、團聚，形成二次粒子,進而影響到納米粉體的優異性能。為了獲得性能更好的碳化硅納米粉體，需要對其進行分散。

根據分散方法的不同可分為物理分散和化學分散。物理分散方法有機械攪拌分散、超聲波分散、干燥分散和高能處理分散等。化學方法有偶聯劑法、表面接枝聚合改性法、分散劑分散等。

3.2.1納米碳化硅粉體的物理分散

機械攪拌分散

機械攪拌分散^[5]通常是借助外在的剪切力或撞擊力等機械能使納米粉體在介質中充分分散，其具體形式有研磨分散、膠體磨分散、球磨分散、高速攪拌等，是目前應用最為廣泛的分散方法。同時，機械攪拌分散也是一種強制性分散方法，排出分散器后有可能重新粘結團聚。為了改善機械攪拌分散的缺點，一般采用與化學分散相結合的手段進行分散。

超聲波分散

超聲波分散^[6]是降低納米顆粒團聚的有效辦法，超聲波分散是將需處理的顆粒懸浮液直接置于超聲場中，用大功率的超聲波加以“照射”處理，利用超聲空化產生的局部高溫、高壓或強沖擊波和微射流等，可較大幅度地弱化納米顆粒間的納米作用能，有效的防止納米顆粒團聚并使其充分分散，是一種強度很高，效果最好的分散手段。但是超聲震蕩的時間不宜過長。

干燥分散

在潮濕的空氣中，微納米粉體間形成的液橋是超微粉體團聚的主要原因，通過加溫干燥以坡緩液橋，可減少顆粒間的作用力，使顆粒分散均勻。隨著新技術、新設備的不斷出現和運用以及防團技術的不斷更新和補充，現有的干燥技術有閃蒸、噴霧干燥、真空干燥、溶劑干燥法、冷凍干燥法、超臨界干燥法及微波干燥法等。干燥分散的方法很多，主要用在表面處理過程中，目前深入研究很少。

高能處理分散

高能處理分散是通過高能粒子作用，在納米顆粒表面產生活性點，增加表面活性，使其易與其他物質發生化學反應或附著，對納米顆粒表面改性而達到易分散的目的^[7]。高能粒子包括電暈、紫外光、微波、等離子體射線等。

3.2.2納米碳化硅粉體的化學分散

盡管物理方法能較好地實現粉體的分散，但是一旦機械里的作用停止，顆粒又會相互團聚，而采用化學方法改性納米碳化硅粉體則能大大提高碳化硅的分散性。

偶聯劑法

通常采用各種硅烷偶聯劑，使碳化硅粉體與粉體表面的羥基產生化學鍵合，改變粉體原有的表面性質，防止粉體在液相中團聚^[8]。偶聯劑具有兩性結構，其分子中的一部分基團可與顆粒表面的各種官能團反應，形成強有力的化學鍵合，另一部分基團可與有機高聚物發生某些化學反應或物理纏繞。經偶聯劑處理后的顆粒，既抑制了顆粒本身的團聚，又增強納米顆粒在有機介質中可溶性，使其能較好地分散在有機基體中，增大了顆粒填充量，從而改善制品的綜合性能。

表面接枝聚合改性法

采用表面引發接枝聚合改性的較多，一般選用不同的偶聯劑做基礎層，在引發劑的作用下接枝聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等有機物，使納米碳化硅粉體得表面特性發生改變，不易團聚，降低了顆粒表面和水分子的親和能力^[9]，并在一定程度上使固體顆粒之間的斥力增強，起到穩定的作用。

分散劑法

超細粉體再也相中的良好分散所需要的物理化學條件主要是通過添加適當的分散劑來實現的，它的添加強化了顆粒間的相互排斥作用。其機理主要有靜電穩定機制、空間位阻穩定和電空間穩定機制^[10]。分散劑主要有四甲基氫氧化銨、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸銨、聚乙二醇、磷酸鈉等。