固体碳源在碳化硅浆料中的分散课件

固体碳源在碳化硅浆料中的分散 北方民族大学 材料科学与工程学院 马建军 2008年12月 1、前言 J 碳化硅(SiC) 陶瓷作为一种重要的先进陶瓷，具有优良的 高温力学性能,抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热 膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀 等优良性能,被广泛应用于精密轴承、密封件、气轮机转子 、喷嘴热交换器部件及原子热反应堆材料等,并日益受到人 们的重视。 1、前言 J 碳化硅由于其强共价键结合特点,很难致密。对于固相烧结，必须添加 硼、碳等烧结助剂，在2100以上的高温下烧结，才能顺利完成致密 化过程。亚微米高纯碳化硅粉是制备高性能碳化硅陶瓷的原材料，其 粉体平均中位径小于0.7微米，比表面积大于15m2/g,碳化硅含量大于 97%。由于小尺寸效应使其具有易烧结的性能。但比表面积大和易团 聚现象使烧结助剂不容易均匀的分散于基体中。如果解决不好助剂在 碳化硅粉体中的分散问题，将导致对其陶瓷微观结构的均匀性产生很 大的影响。固体碳源如石油焦，碳黑等，价格低廉，易于储存和运输 ，相对于液态碳源有特有的优势。但分散的问题如果不能很好的解决 ，则无法使用。 1、前言 J 观察陶瓷粉体的分散程度一般采用沉降法，也有用粒度分析法,浆料流 变特性测试法的报导。在陶瓷料浆悬浮液中, 粉体的稳定分散主要是 通过静电稳定、空间位阻或静电空间位阻效应来实现。用于水性体系 的分散剂可分为三类:无机分散剂、有机小分子分散剂和高分子分散剂 (超分散剂)。本实验研究通过沉降实验对三种固体碳源在三种分散条 件下，分布于SiC微粉料液中的均匀分散程度进行分析，同时观察测 量料浆PH值对分散的影响。根据实验结果提出最适用的碳源和分散剂 。 2、实验 2.1样品制备 z 实验所用SiC微粉采用自制亚微米级SiC粉（D50=0.6m ， D952m ，比表面积 15m2/g，SiC含量97%）。加入 蒸馏水，搅拌均匀，制备成含碳化硅质量分数为15%的浆 体备用。 z 分散剂为美国Vanderbilt公司的陶瓷专用分散剂Darven.C， 成分为聚甲基丙烯酸酯铵盐水溶液，和焦磷酸钠（Napp） （市售化学纯试剂）。 2.1样品制备 z 碳源为石油焦，炭黑，石墨；分散介质为蒸馏水（水）。 石油焦采用炼油厂副产品，晶粒为层片状，经过搅拌磨细 化后平均粒径约为12m。炭黑为市售化工产品，粒径为 几十纳米。石墨亦为市售品，晶粒为粗糙的块状，平均粒 径约为80300m，经研磨后粒径小于1m。三种碳源 材料的显微形貌见图1。 图1 三种碳源粉体的显微形貌 a)石油焦；b)碳黑；c)石墨（原料） 2.2 实验过程 z 将配制好的质量分数为15 的SiC泥浆，装入大烧杯中， 用磁力搅拌器物理搅拌30min后，均匀倒入9支同样的试管 中，使泥浆液面高度一样（使各试管中含碳化硅粉量基本 相同）。按照碳化硅固相烧结所需添加碳的比例，用电子 天平称量三种碳源各3份，分别加入9支试管中。再用电子 天平称量Darven.C（以下简称D.C）和Napp两种分散剂各 三份，质量为试管内碳化硅粉质量的2，分别加入已加 入三种碳源的试管中。分散条件与碳源分布情况见表1. 表1分散实验分组成分表 碳源 分散剂 石油焦碳黑石墨 无分散剂1号管2号管3号管 D.C4号管5号管6号管 Napp7号管8号管9号管 注：9支试管经过略微搅拌后，整体进行超声振荡30min，然后静置沉 降，每12h测量一次泥浆沉降高度和分层液的高度及PH值。观察710 日。 3.沉降结果分析 （1） 对于没有加入分散剂的3个试样（1#，2#，3#）：加 入石油焦和石墨的试样在10个小时左右就已经基本沉降为 致密层，上层液澄清；加入碳黑的试样缓慢沉降，中层液 为灰色，上层液为浅灰色，经过94小时基本沉降为致密层 。结果显示碳黑的分散性 石油焦 石墨，不加分散剂石 油焦和石墨样品沉降速度过快，无法满足实际生产需求。 3.沉降结果分析 （2）加入Darven C的3个试样（4#，5#，6#）：加入石墨 的试样沉降最快，在10小时左右已基本沉降为致密层，而 石油焦和碳黑俩个样缓慢沉降，石油焦的中层液为灰色， 经过82小时基本沉降为致密层。碳黑的沉降最缓慢，经 334小时基本沉降，中层液仍呈黑色；结果显示加入 Darven C的三种碳源分散性碳黑 石油焦 石墨，石墨不 满足要求。 3.沉降结果分析 （3）加入Napp的3个试样（7#，8#，9#）：碳源为石墨 的试样沉降最快，经过10个小时已经基本沉降，而石油焦 和碳黑的两个试样缓慢沉降，石油焦试样在166小时时基 本沉降，中层液呈浅灰色，且管壁有泥浆色斑点附着，碳 黑的试样在250小时时基本沉降，中层液呈浅黑色。结果 显示加入Napp的三种碳源分散性碳黑 石油焦 石墨， 石墨不满足要求。 3.沉降结果分析 （4）选取分散较好的5个试样（2，4，5，7，8号 试样），从沉降致密层高度和浑浊液层高度综合 比较，分散最好依次是5号（碳黑，D.C） 8号 （碳黑，Napp） 7号（石油焦，Napp） 2号( 碳黑，无分散剂) 4号（石油焦，D.C）。各试样 浑浊液层高度随时间的变化见图2. 图2、各试样浑浊液层高度随时间的变化 4、结论 (1)三种碳源中碳黑的分散性最好，石油焦次之， 石墨无论在何种分