碳化硅粉体的表面改性

粘度与偶联剂
结论：反应温度 90 ℃； 反应时间 4 h； SiC 含量均为 50 g。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1.5 g 时，SiC 浆料的黏度最小， 其流动性最好。
分析：原因在于硅烷偶联剂的用量越大，包覆层越厚。试验结果表明：改性剂包覆层的厚
SiC粉体的表面改性
制作者：贾子康、冯推清、王峣
CONTENTS
背景介绍
改性方法
合成过程
表征方法
背景介绍
碳化硅分子式为 SiC，是用石英砂、石油焦、木屑等 原料通过电阻炉高温冶炼而成。硬度介于刚玉和金刚 石之间；晶体结构分为六方晶系的α -SiC和立方晶系 的β-SiC，β-SiC于2100℃以上时转变为α -SiC。
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
实验过程
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，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 350 mL 甲苯、50 g SiC 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 6 h。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 30 min)、离心洗涤(介质：水、丙酮；时间： 25 min)后，于 105 ℃烘箱中干燥 12 h，冷却后待用。
遇到问题：粉体形状不规则，粒径小，表面能高，容易发生团聚，形成二次粒子，无法
表现出表面积效应和体积效应难以实现超细尺度范围内不同相颗粒之间的均匀分散以及烧
结过程中与基体的相容性，进而影响陶瓷材料性能的提高。
改性方法分类
固相法
液相法
气相法
聚 合 物
热 分 解 法
溶 胶 凝 胶 法
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利用含Si和含C的有机高分子物质,通过适当溶胶凝 胶化工艺制取含有混合均匀的Si和C的凝胶,然后进 行热解以及高温碳热还原而获得碳化硅的方法。
材料准备：选用自行加工的 SiC 粉体， D50 = 0.897 µm，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%)。
表征方法

粘度
SEM
XRD
粒径分析
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。
SEM
结果分析：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
粘度与时间
结论：反应时间小于4h时，SiC 浆料的黏度较高；在 4～6 h 之间，SiC 浆料黏度较低且随反应时间
的延长变化不大；超过 6 h 后，浆料黏度随时间的延长急剧增大。
分析：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。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 4～6 h 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 6 h 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。
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。
XRD
结果分析：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。
粒径分析
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 30 min 后，用激 光粒度分析仪测定改性前后 SiC 粉体的粒径：
粘度的影响
A
B
C
粘度与温度
结论：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；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。