碳化硅是一種人工合成的強(qiáng)共價(jià)鍵型碳化物，是一種新型的工程陶瓷材料。碳化硅陶瓷因具有高溫強(qiáng)度大、抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性好、熱穩(wěn)定性佳、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高以及抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性，在航天航空、電子、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。另外，碳化硅陶瓷被認(rèn)為在高溫結(jié)構(gòu)部件等方面有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ窍冗M(jìn)熱機(jī)、熱交換器、高強(qiáng)耐磨器件的潛在候選材料，受到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的高度重視。
為什么需要表面改性
據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯了解，由于納米級(jí)碳化硅粉體在超細(xì)粉碎的過(guò)程中，會(huì)受到不停地摩擦、沖擊作用，一方面導(dǎo)致微粉的表面積累了大量的正負(fù)電荷，而這些帶電粒子極其地不穩(wěn)定，為了趨于穩(wěn)定，它們會(huì)相互吸引進(jìn)而團(tuán)聚在一起。
另一方面，會(huì)使微粉從中吸收了大量的機(jī)械能和熱能，因而使微粉表面具有相當(dāng)高的表面能，這些微粉為了趨于穩(wěn)定狀態(tài)，降低其表面能，就會(huì)不斷地相互靠攏聚集而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生團(tuán)聚。納米碳化硅粉體的分散、團(tuán)聚特性正是與上述的表面狀態(tài)和其自身的表面性質(zhì)密切相關(guān)的。
也就是說(shuō)，通過(guò)表面改性，可以改善SiC粉體的分散性、流動(dòng)性、消除團(tuán)聚、提高碳化硅超細(xì)粉體成型性能以及制品最終性能。
表面改性的機(jī)理
超細(xì)粉體表面改性的機(jī)理是超細(xì)粉體表面與表面改性劑發(fā)生作用，改善粒子表面的可潤(rùn)濕性，增強(qiáng)粒子在介質(zhì)中的界面相容性，使粒子容易在有機(jī)化合物或水中分散。表面改性劑分子結(jié)構(gòu)必須具有易與粒子的表面產(chǎn)生作用的特征基團(tuán)，這種特征基團(tuán)可以通過(guò)表面改性劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而獲得。
超細(xì)粉體表面改性機(jī)理可以分為包覆改性和偶聯(lián)改性。包覆改性法是用無(wú)機(jī)化合物或者有機(jī)化合物(水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)對(duì)粒子表面進(jìn)行覆蓋，對(duì)粒子的團(tuán)聚起到減弱或屏蔽作用，由于包覆物而產(chǎn)生了空間位阻斥力，使粒子再團(tuán)聚十分困難，從而達(dá)到改性的目的。偶聯(lián)改性是粒子表面發(fā)生化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)，兩組分之間除了范德華力、氫鍵或配位鍵相互作用外，還有離子鍵或共價(jià)鍵的結(jié)合。
表面改性方法
1、包覆改性方法
包覆改性是指通過(guò)粉體粒子與改性劑的物理化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)粒子表面包覆，以改變?cè)辛畋砻婊拘再|(zhì)的方法。目前，包覆改性技術(shù)廣泛應(yīng)用于功能陶瓷制造中，用于包覆改性的改性劑主要指表面活性劑、超分散劑、無(wú)機(jī)物等。
（1）表面吸附包覆
表面吸附包覆是利用物理或化學(xué)吸附原理使包覆材料均勻附著在被包覆對(duì)象表面，形成連續(xù)完整的包覆層。在這一過(guò)程中伴隨著簡(jiǎn)單的吸附反應(yīng)，這種方法操作簡(jiǎn)單，但效果有限。
（2）無(wú)機(jī)包覆改性
利用無(wú)機(jī)物作為改性劑，無(wú)機(jī)物與納米粒子表面不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅依靠物理方法或范德華結(jié)合。經(jīng)過(guò)處理使包覆物固定在顆粒表面，降低粒子表面自由能阻止團(tuán)聚，提高在不同介質(zhì)的分散性和穩(wěn)定性。
另外，按涂覆工藝分類，表面包覆改性方法還有化學(xué)鍍、電鍍、氣相沉積、溶膠—凝膠、輻射和機(jī)械涂敷等方法。
2、表面化學(xué)改性
表面化學(xué)改性是通過(guò)表面改性劑與顆粒表面間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)吸附來(lái)完成的。將聚合物長(zhǎng)鏈接枝在粉體表面，由于聚合物中含親水基團(tuán)的長(zhǎng)鏈，可以改善超細(xì)粉體在介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性，還可以接枝偶聯(lián)劑使粉體之間的聚合度降低，增加分散穩(wěn)定性。所以，化學(xué)改性常用的表面改性劑有偶聯(lián)劑、高級(jí)脂肪酸及其鹽、不飽和有機(jī)酸和有機(jī)硅等。
表面改性對(duì)粉體性能的影響
1、pH值對(duì)粉體性能的影響
表面改性可以在一定的pH值下反映粉體的分散性。高固相含量、分散均勻的陶瓷料漿的制備對(duì)陶瓷素坯密度的提高極其重要。目前，高固相含量懸浮液的制備主要以加入分散劑(如聚丙烯酸鹽等)為主。
2、粉體的表面性質(zhì)對(duì)粉體性能的影響
粉體的表面性質(zhì)包括物理化學(xué)性質(zhì)，是與粉體應(yīng)用及表面改性有關(guān)的粉體表面及界面特性，主要有比表面積、表面能(或表面張力)、表面化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)、表面潤(rùn)濕性、表面電性、孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布以及表面晶格缺陷、電子態(tài)、表面吸附與反應(yīng)特性等。粉體表面性質(zhì)的差別導(dǎo)致粉體形成漿料的粘度和流變性的不一樣，最終影響固相含量的提高。
3、硅烷偶聯(lián)劑改性對(duì)粉體性能的影響
硅烷偶聯(lián)劑是近年來(lái)發(fā)展很快的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅化合物，具有能夠同時(shí)與無(wú)機(jī)材料(如玻璃、水泥、金屬等)和有機(jī)材料(如合成樹(shù)脂等)相結(jié)合的反應(yīng)性基團(tuán)。由于硅烷偶聯(lián)劑這一獨(dú)特的性能，使其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。通過(guò)對(duì)經(jīng)氨基硅烷偶聯(lián)劑表面改性的SiC粉體進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)氨基硅烷偶聯(lián)劑改性，可獲得高固相含量、低粘度的SiC料漿，并且懸浮液的分散穩(wěn)定性顯著提高。
4、分子結(jié)構(gòu)對(duì)粉體性能的影響
在粉體表面改性中，分子結(jié)構(gòu)對(duì)表面改性有較大影響。如用丁二酸、乙二醇、對(duì)氨基苯磺酸主要是利用靜電穩(wěn)定效應(yīng)對(duì)SiC微粉進(jìn)行改性，其中經(jīng)對(duì)氨基苯磺酸改性后，粉體的Zeta電位絕對(duì)值最高，料漿的懸浮穩(wěn)定性較前二者好；而PEG400主要是利用空間位阻穩(wěn)定效應(yīng)改性粉體，但其懸浮穩(wěn)定性最好。
5、分散劑的類型及用量對(duì)粉體性能的影響
國(guó)內(nèi)外對(duì)于各種類型分散劑的作用機(jī)理已做了不少的研究，分散劑用量對(duì)漿料的粘度、粉體Zeta電位等都有很好的改善。
目前存在的問(wèn)題
表面涂覆研究明顯改善超細(xì)SiC粉體分散性和穩(wěn)定性，以及電學(xué)、力學(xué)等性能，促進(jìn)了交叉性學(xué)科研究的發(fā)展。為了進(jìn)一步改善工藝條件和適應(yīng)生產(chǎn)需要，SiC粒子表面涂覆的技術(shù)問(wèn)題還有待于進(jìn)一步完善。
1、深入研究表面改性的原理，提出實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作容易、條件可控制的新的表面改性方法，同時(shí)降低成本。
2、用于超細(xì)SiC表面涂覆的鍍層配制、循環(huán)利用以及穩(wěn)定性等技術(shù)還不成熟，超細(xì)SiC表面涂覆質(zhì)量還不理想。
3、采用先進(jìn)的表面改性技術(shù)對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行表面處理是提高其抗腐蝕能力的有效手段。但是SiC顆粒與金屬之間的潤(rùn)濕性差，通過(guò)表面改性增加SiC顆粒與金屬之間的潤(rùn)濕性仍然是SiC顆粒表面改性的重點(diǎn)。
4、積極研制應(yīng)用性能好、成本低或有特殊功能的表面活性劑，優(yōu)化超細(xì)SiC粉體表面處理工藝過(guò)程。
5、超細(xì)SiC粉體表面改性產(chǎn)品目前還缺乏標(biāo)準(zhǔn)化或規(guī)范化的質(zhì)量檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法。表面改性技術(shù)的快速發(fā)展，表面改性產(chǎn)品用途的擴(kuò)大和用量的增加迫切要求建立一套較完整的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)方法。
總結(jié)
由于超細(xì)SiC獨(dú)特的性能，使得其應(yīng)用十分廣泛。但是，目前研究很多改性方法還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，表面改性工藝還存在很多的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。超細(xì)SiC經(jīng)表面包覆改性后，其表面的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了相應(yīng)的改變，從而可以滿足人們的需要制備出更多性能優(yōu)異的新型功能材料，這對(duì)擴(kuò)大納米陶瓷微粒的應(yīng)用范圍具有重要意義。
參考來(lái)源：
[1]黃文信.碳化硅粉體表面改性研究進(jìn)展
[2]王杏.超細(xì)碳化硅表面改性技術(shù)進(jìn)展
[3]王瑞雨.SiC粉體表面改性工藝研究