中國粉體網訊 碳化硅是一種人工合成的強共價鍵型碳化物，是一種新型的工程陶瓷材料。碳化硅陶瓷因具有高溫強度大、抗氧化性強、耐磨損性好、熱穩定性佳、熱膨脹系數小、熱導率大、硬度高以及抗熱震和耐化學腐蝕等優良特性，在航天航空、電子、化工等領域有著廣泛的應用。另外，碳化硅陶瓷被認為在高溫結構部件等方面有巨大的發展潛力，是先進熱機、熱交換器、高強耐磨器件的潛在候選材料，受到國內外許多學者的高度重視。
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為什么需要表面改性
據中國粉體網編輯了解，由于納米級碳化硅粉體在超細粉碎的過程中，會受到不停地摩擦、沖擊作用，一方面導致微粉的表面積累了大量的正負電荷，而這些帶電粒子極其地不穩定，為了趨于穩定，它們會相互吸引進而團聚在一起。
另一方面，會使微粉從中吸收了大量的機械能和熱能，因而使微粉表面具有相當高的表面能，這些微粉為了趨于穩定狀態，降低其表面能，就會不斷地相互靠攏聚集而達到穩定狀態，進而產生團聚。納米碳化硅粉體的分散、團聚特性正是與上述的表面狀態和其自身的表面性質密切相關的。
也就是說，通過表面改性，可以改善SiC粉體的分散性、流動性、消除團聚、提高碳化硅超細粉體成型性能以及制品最終性能。
表面改性的機理
超細粉體表面改性的機理是超細粉體表面與表面改性劑發生作用，改善粒子表面的可潤濕性，增強粒子在介質中的界面相容性，使粒子容易在有機化合物或水中分散。表面改性劑分子結構必須具有易與粒子的表面產生作用的特征基團，這種特征基團可以通過表面改性劑的分子結構設計而獲得。
超細粉體表面改性機理可以分為包覆改性和偶聯改性。包覆改性法是用無機化合物或者有機化合物(水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)對粒子表面進行覆蓋，對粒子的團聚起到減弱或屏蔽作用，由于包覆物而產生了空間位阻斥力，使粒子再團聚十分困難，從而達到改性的目的。偶聯改性是粒子表面發生化學偶聯反應，兩組分之間除了范德華力、氫鍵或配位鍵相互作用外，還有離子鍵或共價鍵的結合。
表面改性方法
1、包覆改性方法
包覆改性是指通過粉體粒子與改性劑的物理化學作用實現粒子表面包覆，以改變原有粒狀表面基本性質的方法。目前，包覆改性技術廣泛應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、無機物等。
（1）表面吸附包覆
表面吸附包覆是利用物理或化學吸附原理使包覆材料均勻附著在被包覆對象表面，形成連續完整的包覆層。在這一過程中伴隨著簡單的吸附反應，這種方法操作簡單，但效果有限。
（2）無機包覆改性
利用無機物作為改性劑，無機物與納米粒子表面不發生化學反應，僅依靠物理方法或范德華結合。經過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聚，提高在不同介質的分散性和穩定性。
另外，按涂覆工藝分類，表面包覆改性方法還有化學鍍、電鍍、氣相沉積、溶膠—凝膠、輻射和機械涂敷等方法。
2、表面化學改性
表面化學改性是通過表面改性劑與顆粒表面間進行化學反應或化學吸附來完成的。將聚合物長鏈接枝在粉體表面，由于聚合物中含親水基團的長鏈，可以改善超細粉體在介質中的分散穩定性，還可以接枝偶聯劑使粉體之間的聚合度降低，增加分散穩定性。所以，化學改性常用的表面改性劑有偶聯劑、高級脂肪酸及其鹽、不飽和有機酸和有機硅等。
表面改性對粉體性能的影響
1、pH值對粉體性能的影響
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、粉體的表面性質對粉體性能的影響
粉體的表面性質包括物理化學性質，是與粉體應用及表面改性有關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)、表面化學組成、晶體結構、官能團、表面潤濕性、表面電性、孔隙結構和孔徑分布以及表面晶格缺陷、電子態、表面吸附與反應特性等。粉體表面性質的差別導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、硅烷偶聯劑改性對粉體性能的影響
硅烷偶聯劑是近年來發展很快的一種具有特殊結構的有機硅化合物，具有能夠同時與無機材料(如玻璃、水泥、金屬等)和有機材料(如合成樹脂等)相結合的反應性基團。由于硅烷偶聯劑這一獨特的性能，使其應用領域日益擴大。通過對經氨基硅烷偶聯劑表面改性的SiC粉體進行了研究，發現通過氨基硅烷偶聯劑改性，可獲得高固相含量、低粘度的SiC料漿，并且懸浮液的分散穩定性顯著提高。
4、分子結構對粉體性能的影響
在粉體表面改性中，分子結構對表面改性有較大影響。如用丁二酸、乙二醇、對氨基苯磺酸主要是利用靜電穩定效應對SiC微粉進行改性，其中經對氨基苯磺酸改性后，粉體的Zeta電位絕對值最高，料漿的懸浮穩定性較前二者好；而PEG400主要是利用空間位阻穩定效應改性粉體，但其懸浮穩定性最好。
5、分散劑的類型及用量對粉體性能的影響
國內外對于各種類型分散劑的作用機理已做了不少的研究，分散劑用量對漿料的粘度、粉體Zeta電位等都有很好的改善。
目前存在的問題
表面涂覆研究明顯改善超細SiC粉體分散性和穩定性，以及電學、力學等性能，促進了交叉性學科研究的發展。為了進一步改善工藝條件和適應生產需要，SiC粒子表面涂覆的技術問題還有待于進一步完善。
1、深入研究表面改性的原理，提出實驗裝置簡單、操作容易、條件可控制的新的表面改性方法，同時降低成本。
2、用于超細SiC表面涂覆的鍍層配制、循環利用以及穩定性等技術還不成熟，超細SiC表面涂覆質量還不理想。
3、采用先進的表面改性技術對SiC顆粒增強鋁基復合材料進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濕性差，通過表面改性增加SiC顆粒與金屬之間的潤濕性仍然是SiC顆粒表面改性的重點。
4、積極研制應用性能好、成本低或有特殊功能的表面活性劑，優化超細SiC粉體表面處理工藝過程。
5、超細SiC粉體表面改性產品目前還缺乏標準化或規范化的質量檢驗和評價方法。表面改性技術的快速發展，表面改性產品用途的擴大和用量的增加迫切要求建立一套較完整的質量標準和相應的檢驗、評價方法。
總結
由于超細SiC獨特的性能，使得其應用十分廣泛。但是，目前研究很多改性方法還停留在實驗室階段，表面改性工藝還存在很多的問題和挑戰。超細SiC經表面包覆改性后，其表面的物理、化學性質發生了相應的改變，從而可以滿足人們的需要制備出更多性能優異的新型功能材料，這對擴大納米陶瓷微粒的應用范圍具有重要意義。
參考來源：
[1]黃文信.碳化硅粉體表面改性研究進展
[2]王杏.超細碳化硅表面改性技術進展
[3]王瑞雨.SiC粉體表面改性工藝研究
（中國粉體網編輯整理/山川）
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