纳米碳化硅粉体的制备及其分散性的研究

文章来源：https://www.hayond.cn 发布时间：2020-06-18 浏览次数：64

碳化硅纳米粉体，是指粒径在1-100nm之间的碳化硅超微粒子，性能更为优异的碳化硅纳米材料可以克服碳化硅传统材料的缺陷而且应用也更加广泛。SiC纳米粉体具有优良的力学性能、良好的电性能和热导率、耐高温强度、耐磨性、高绝缘性等特性，由其制造的结构材料广泛应用于航空、航天 、汽车、机械、石化、电子、核工业等领域。

碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时偶然发现的一种碳化物。1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，即用焦炭在高温下还原二氧化硅制备碳化硅粉体。这也就是大家常说的艾奇逊法，并一直沿用至今。但是此法制备的粉末粒径较大，不能制备纳米碳化硅粉体，为了制取粒径细小的纳米粉末，人们研究出了碳热还原法、激光诱导法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、等离子体法、高能球磨法等新方法。

碳热还原法即首先制备出硅和碳在分子水平上均匀分布的C/SiO₂混合物，然后在1200-1600℃内进行还原反应制取碳化硅的方法。常用的制备C/SiO₂混合物的方法有sol-gel法和化学气相渗透法。

激光诱导法^[1]是近几年兴起的制备纳米微粉的一种技术，具有粒子大小可控、粒径分布均匀等特点，并容易制备出几纳米到几十纳米的非晶态或晶态纳米微粒。其基本原理是利用大功率激光器的激光束照射于反应气体，反应气体通过对激光光子的强吸收，气体分子或原子在瞬间得到加热、活化，在极短时间内反应气体分子或原子获得化学反应所需要的温度，迅速完成反应、成核与凝聚、生长等过程，从而制得相应物质的纳米微粒。利用激光诱导法制备的碳化硅纳米粉体具有表面清洁、粒子大小可控、粒度分布均匀、无严重团聚等特点，但要求仪器精密度高，对技术的要求也较高。

溶胶-凝胶法^[2]作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法，广泛应用于制备纳米粒子。溶胶-凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要的材料。溶胶-凝胶法制备碳化硅纳米粉体的核心是通过溶胶-凝胶过程，形成硅和碳的混合物，最后在1400~1700℃左右发生碳热还原反应，合成碳化硅纳米粉体。

化学气相沉积（CVD）法也是热化学气相反应法。CVD法^[3]制备纳米粉体的过程是形核生长的过程。在远高于热力学计算临界反应温度条件下, 反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压, 使得反应产物自动凝聚形成大量的核, 这些核在加热区不断长大聚集成颗粒, 在合适的温度条件下会晶化成为微晶。随着载气气流的输运和真空泵的抽送, 反应产物迅速离开加热区进入低温区, 颗粒生长、聚集、晶化过程停止, 最后进入收集室收集起来, 就可获得所需的纳米碳化硅粉体。随着研究的深入，获得最佳工艺条件，使制备的纳米粉体形貌、晶相、尺寸等可控，现已成为制备纳米粉体和薄膜的主要技术。

等离子体法^[4]是一种将辉光放电的物理过程和化学气相沉积相结合的技术，也是利用低气压气体放电等离子体增强化学气相沉积的反应过程。近年来关于微波等离子体化学反应的研究在国际上明显呈上升趋势，与电弧等离子体技术相比，微波等离子体为无机放电，可获得纯净且密度较高的粉体；与直流电弧或高频等离子体技术相比，它温度较低，在热解过程中不致引起致密化或晶粒过大。

高能球磨法是以低品位碳化硅粗粉为原料，通过球磨工艺制备高性能超细碳化硅粉体。随着球磨时间的延长，碳化硅粉体形貌由多角形变为近似球形颗粒状，粉体平均粒径逐渐减小，流动性逐渐变差，振实密度减小。

团聚现象是纳米颗粒的应用和研究过程中的一个世界性难题。碳化硅纳米颗粒由于粒度小、表面原子比例大、比表面积大，表面缺少临近配位原子、表面能大，处于能量不稳定状态，因此在准备及输运的过程中极易发生凝并、团聚，形成二次粒子,进而影响到纳米粉体的优异性能。为了获得性能更好的碳化硅纳米粉体，需要对其进行分散。

根据分散方法的不同可分为物理分散和化学分散。物理分散方法有机械搅拌分散、超声波分散、干燥分散和高能处理分散等。化学方法有偶联剂法、表面接枝聚合改性法、分散剂分散等。

3.2.1纳米碳化硅粉体的物理分散

机械搅拌分散

机械搅拌分散^[5]通常是借助外在的剪切力或撞击力等机械能使纳米粉体在介质中充分分散，其具体形式有研磨分散、胶体磨分散、球磨分散、高速搅拌等，是目前应用最为广泛的分散方法。同时，机械搅拌分散也是一种强制性分散方法，排出分散器后有可能重新粘结团聚。为了改善机械搅拌分散的缺点，一般采用与化学分散相结合的手段进行分散。

超声波分散

超声波分散^[6]是降低纳米颗粒团聚的有效办法，超声波分散是将需处理的颗粒悬浮液直接置于超声场中，用大功率的超声波加以“照射”处理，利用超声空化产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等，可较大幅度地弱化纳米颗粒间的纳米作用能，有效的防止纳米颗粒团聚并使其充分分散，是一种强度很高，效果最好的分散手段。但是超声震荡的时间不宜过长。

干燥分散

在潮湿的空气中，微纳米粉体间形成的液桥是超微粉体团聚的主要原因，通过加温干燥以坡缓液桥，可减少颗粒间的作用力，使颗粒分散均匀。随着新技术、新设备的不断出现和运用以及防团技术的不断更新和补充，现有的干燥技术有闪蒸、喷雾干燥、真空干燥、溶剂干燥法、冷冻干燥法、超临界干燥法及微波干燥法等。干燥分散的方法很多，主要用在表面处理过程中，目前深入研究很少。

高能处理分散

高能处理分散是通过高能粒子作用，在纳米颗粒表面产生活性点，增加表面活性，使其易与其他物质发生化学反应或附着，对纳米颗粒表面改性而达到易分散的目的^[7]。高能粒子包括电晕、紫外光、微波、等离子体射线等。

3.2.2纳米碳化硅粉体的化学分散

尽管物理方法能较好地实现粉体的分散，但是一旦机械里的作用停止，颗粒又会相互团聚，而采用化学方法改性纳米碳化硅粉体则能大大提高碳化硅的分散性。

偶联剂法

通常采用各种硅烷偶联剂，使碳化硅粉体与粉体表面的羟基产生化学键合，改变粉体原有的表面性质，防止粉体在液相中团聚^[8]。偶联剂具有两性结构，其分子中的一部分基团可与颗粒表面的各种官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分基团可与有机高聚物发生某些化学反应或物理缠绕。经偶联剂处理后的颗粒，既抑制了颗粒本身的团聚，又增强纳米颗粒在有机介质中可溶性，使其能较好地分散在有机基体中，增大了颗粒填充量，从而改善制品的综合性能。

表面接枝聚合改性法

采用表面引发接枝聚合改性的较多，一般选用不同的偶联剂做基础层，在引发剂的作用下接枝聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等有机物，使纳米碳化硅粉体得表面特性发生改变，不易团聚，降低了颗粒表面和水分子的亲和能力^[9]，并在一定程度上使固体颗粒之间的斥力增强，起到稳定的作用。

分散剂法

超细粉体再也相中的良好分散所需要的物理化学条件主要是通过添加适当的分散剂来实现的，它的添加强化了颗粒间的相互排斥作用。其机理主要有静电稳定机制、空间位阻稳定和电空间稳定机制^[10]。分散剂主要有四甲基氢氧化铵、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸铵、聚乙二醇、磷酸钠等。