亚微米氮化硅粉体的分散性能研究论文.doc

北方民族大学学士学位论文 论文题目:亚微米氮化硅粉体的分散性能研究 院(部)名 称: 材料科学与工程学院 学 生 姓 名: 专 业: 材料科学与工程 学 号: 指导教师姓名: 论文提交时间: 2010年5月24日 论文答辩时间: 2010年5月29日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制北方民族大学学士学位论文摘 要利用研磨机将氮化硅(Si3N4)粉体研磨至亚微米级，并分析研磨条件对Si3N4颗粒粒度的影响。为了解决亚微米Si3N4粉体的团聚问题，加入适量的六偏磷酸钠(SHMP)、聚乙二醇（PEG：分子量为200）、四甲基氢氧化铵(TMAH)和聚甲基丙稀酸脂铵盐水溶液(Darvan-c)为分散剂，通过沉降实验研究它们对亚微米Si3N4粉体分散性能的影响。同时也通过沉降实验，研究不同Si3N4粉体的加入量和pH值溶液对Si3N4浆料分散性能的影响。实验结果表明，当磨介:加水量: Si3N4原始粉末=35：12：10，研磨时间设置为8h时，获得的Si3N4粉体最细。从TMAH、SHMP、Darvan-c、PEG（分子量200）四种分散剂对亚微米Si3N4分散性能的曲线图可以看出，分子量为200的PEG对Si3N4的分散起不到良好的效果， 而TMAH、SHMP和Darvan-c都有很强的抑制沉淀的作用，对亚微米Si3N4的分散效果较好。SHMP的加入量在1%时出现最佳值，随着加入量的逐渐增加，亚微米Si3N4的分散效果也逐渐变差。而对于Darvan-c这种分散剂在分散亚微米Si3N4时，在168 h内0.4%的加入量分散效果最佳，而超过168 h后0.8%的分散效果明显提高。比较三种分散剂，0.4%的Darvan-c对亚微米Si3N4的分散效果最好，1%的SHMP和0.8%的TMAH次之。 固相体积比对亚微米Si3N4粉体分散性能的影响具有一定的规律性，即随Si3N4粉体加入量的增加，相对沉降高度(RSH：是指沉降层高度与浑浊液总高度之比)越来越大，亚微米Si3N4的分散效果逐渐变差。在pH值对亚微米Si3N4粉体分散性能影响的实验中，在酸碱分界线处，Si3N4粉体的分散性能表现十分明显，在酸性条件下分散性能非常差；在碱性条件下分散性能却非常好，而且差距也不是很大。在碱性条件下，从RSH值可见，分散性能在pH值为11时出现最佳效果。Darvan-c分散过的亚微米Si3N4粉体的流动时间最短，流动性最好。pH为11的溶液（利用Hcl和NH3配比成）对亚微米Si3N4进行分散后，粉体的流动时间较Darvan-c分散过的Si3N4粉体流动时间还要短，因此在没有特殊规定下，也可用pH值为11的溶液分散亚微米Si3N4粉体。从扫描电镜图可见，0.4%的Darvan-c、0.8%的TMAH、1%的SHMP和pH值为11的溶液都能够很好的分散Si3N4粉体，使其粒度变小，达到分散的良好效果，尤其是pH值为11的溶液和0.4%的Darvan-c对亚微米Si3N4的分散效果更佳。关键词：亚微米，氮化硅，分散性ABSTRACT Silicon nitride powder were grinded to submicron level by ball mill, the grinding conditions on the particle size of silicon nitride are analysist. Adding an appropriate amount of sodium hexametaphosphate, polyethylene glycol (molecular weight 200), poly methyl methacrylate ammonium, tetramethyl ammonium hydroxide and Darvan-c for the scattered agent to solve the sub-micron silicon nitride powder reunion, and using sedimentation experiment to study the dispersion. At the same time, the quantity of silicon nitride powders and different pH values of their dispersion properties were studyed.The experimental results show that when the grinding media ratio of 1:3.5, the amount of water was 1:1.2, grinding time was set to 8 hours, the silicon nitride powder ,the smallest silicon nitride powder. From tetramethyl ammonium hydroxide, sodium hexametaphosphate, Darvan-c, polyethylene glycol (molecular weight 200) of four dispersants on dispersion properties of sub-micron silicon nitride curve can be seen that the polyethylene molecular weight of 200 diols on the dispersion of silicon nitride will not achieve good results, and tetramethyl ammonium hydroxide, sodium hexametaphosphate and Darvan-c has a strong inhibitory effect precipitation. Hexametaphosphate addition amount of 1% when the best value, and with the addition of sodium hexametaphosphate increased gradually, the dispersion effect of sub-micron silicon nitride has gradually deteriorated, dispersion decreases gradually. For Darvan-c of this dispersant dispersed sub-micron silicon nitride at 168 hours when the added amount of 0.4% dispersion of the best and more than 168 hours of 0.8% after the dispersion has improved significantly. However, the three of dispersing agents, 0.4% of the Darvan-c on the dispersion properties of sub-micron silicon nitride best, 1% sodium hexametaphosphate and 0.8% tetramethyl ammonium hydroxide (TMAM) second. Solid phase volume ratio on the sub-micron silicon nitride powders dispersion properties has a certain regularity, with the silicon nitride powder was added into ,the RSH values（Settlement Settlement was relatively high turbidity layer height and the ratio of the total height of liquid）smaller and smaller and the curve slope increasing. It means that was sub-micron silicon nitrides dispersion decreased . The pH value have an effect on the dispersion of sub-micron silicon nitride,the two boundaries in the pH, the silicon nitride powder dispersion performance was obviously different .In acidic conditions, dispersion was very poor, but in alkaline conditions, the dispersion was very good, whose gap was not large, but in alkaline conditions, the dispersion properties was best between the pH value of 11.Darvan-c distributed over the silicon nitride powder shortest flow, flow the best. solution of pH 11 were distributed on the sub-micron silicon nitride, the powder flow time than Darvan-c distributed over the silicon nitride powder flow time even shorter, so no special provisions, we can also be used for the pH 11 silicon nitride powder dispersed in solution. From the scanning electron microscope shows that 0.4% of Darvan-c, 0.8% of tetramethyl ammonium hydroxide, 1% sodium hexametaphosphate solution and the pH value of 11 are able to disperse the softening of Silicon, so that smaller particle size, to spread the good effects, especially in pH 11 solution and 0.4% of the Darvan-c of the sub-micron silicon nitride of the dispersion effect better.KWY WORDS: Sub-micron，Silicon nitride，dispersibility目 录摘要 ABSTRACT 第1章 前言 11.1 氮化硅的基本性质 11.2 氮化硅的研究及应用现状 11.3 氮化硅粉体的制备 41.4 实验的目的及意义 4第2章 实验 52.1 原材料 52.2 实验设备及试剂 52.3 实验过程 62.3.1 沉降实验 72.3.2 亚微米氮化硅粉体的松装密度及流动性的测定 7第3章 结果与讨论 93.1 研磨过程中加水量对亚微米氮化硅粉体粒径的影响 93.2 研磨过程中球料比对亚微米氮化硅粉体粒径的影响 93.3 研磨过程中时间对亚微米氮化硅粉体粒径的影响 103.4 分散剂对亚微米氮化硅粉体分散性能的影响113.5 固相体积比对亚微米氮化硅粉体分散性能的影响 143.6 pH值对亚微米氮化硅粉体分散性能的影响153.7 分散剂对亚微米氮化硅粉体流动性的影响 163.8 扫描电子显微镜结果分析 17第4章 结论 20致谢 21参考文献 22附录 外文文献及翻译 23 34第1章 前言1.1 氮化硅的基本性质Si3N4粉末呈灰白色，由于具有金刚石型三维晶格结构，所以具有高温热稳定性、抗热震性、化学稳定性和良好的电绝缘性。氮化硅熔点1900，相对密度3.2。在空气中加热到14501550仍稳定，易溶于氢氟酸，不溶于冷、热水及稀酸，对于浓硫酸和浓氢氧化钠溶液作用也极缓慢。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。Si3N4粉末作为工程陶瓷的原料，在工业上也具有广泛用途，所制备的Si3N4陶瓷制品主要用于超高温燃气透平，飞机引擎，透平叶片，热交换器，电炉等。也可作耐热涂层，用于火箭和原子能反应堆1。1.2 氮化硅的研究及应用现状在过去的40年中，Si3N4 陶瓷从新材料发展为商业材料并有越来越多的应用，刀具是最重要的市场。目前，国内市场上陶瓷刀具主要有两大类：氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具。氧化铝基陶瓷刀具发展比较早，经过几十年的性能改进和提高，硬度、强度、抗弯性能等都得到了加强；氮化硅基陶瓷刀具则是新一代的陶瓷刀具，具有更强的耐磨性、红硬性、断裂韧性和抗热冲击性，但由于其加工钢件时易扩散或产生化学磨损，现在一般只用于铸铁件的粗加工。截至目前，中国从事陶瓷刀具的科研和生产企业已有30多家，能够生产20多个品种的氧化铝基陶瓷，10多个品种的氮化硅基陶瓷，带孔和不带孔刀片的生产能力也很强2。另外还有发动机部件，滚珠轴承，金属成型和制备装置，以及燃气涡轮机部件。关于不同领域的应用及市场份额的大体概念可以从粉末消费来获得。Si3N4粉末总产品的三分之一被用于刀具，25%用于发动机部件，25%用于金属制备和磨损零件，2%用于滚珠轴承，剩下的 10%用于研究。Si3N4陶瓷仅占先进陶瓷材料总市场的1%，但约占结构陶瓷的5%。它们在结构陶瓷中具有最快的成长速度。发动机中Si3N4陶瓷部件的使用限制看来比过去更加现实。绝热全陶瓷发动机还没有像预期的一样被实现，但是仍有不懈的努力来改进发动机的设计。同样，在日本从20世纪90年代初每年生产至少30万台涡轮增压器，但并没有带来在客车中的大量应用。开发不同发动机部件的工作还在进行中。喷油器连杆，测量球，制动块和燃料泵滚轴被用于卡车的柴油发动机并且多年来已经有每个月几千件的生产。同样在最新开发的高压普通线路喷射泵系统中，也采用Si3N4陶瓷制成的阀门来减少磨损。生产成本是Si3N4陶瓷应用中一个主要问题。小批量生产与规模生产的材料相比要更昂贵。这一方面关系到原料的高成本，另一方面关系到生产技术。在最近几年，生产技术已经取得充分的改进，并且显示出大规模生产可以充分的降低成本的优势。性能和生产技术的改进带来了Si3N4陶瓷部件在发动机中越来越多的应用。它们具有更高的可靠性，这在阀门的广泛测试中被证明：戴姆勒克莱斯勒对几千辆1600 C200ML汽车进行了超过几百万英里（1英里=1.61公里）的测试。陶瓷阀具有比钢阀更高的生产成本，是迄今为止没有得到广泛应用的原因。Si3N4陶瓷的高可靠性被航天飞机主发动机泵中的混合轴承以及分级辅助供电单元中的不同部件所证明。使Si3N4陶瓷应用于燃气涡轮部件还正在开发中。那些部件最早的成功测试已经在1350的涡轮入口温度被进行。涡轮效率的进一步改进要求更高的涡轮入口温度，为了这一点，附加涂层是必需的。Si3N4 薄膜和涂层在电子学中得到越来越多的应用。通过等离子增加化学气相沉积制备的Si3N4涂层被越来越多地用于硅光电池中作为保护抗反射层。低成本Si3N4粉末和先进制备技术促进了具有800MPa弯曲强度的材料，生产以用于整体加热的烹饪平板。这些平板式是烹饪系统的主要部件，并能够使得烹饪过程的自动化。Si3N4陶瓷的一个重要应用是作为发泡剂来生产热绝缘玻璃泡沫，可用于微电子设备和防火无纤维绝缘建筑材料。低品级Si3N4粉末被用于钢铁工业增加金属氮含量。在重量上最大数量的Si3N4被应用氮化硅结和碳化硅耐火材料，每年的生产量为2万吨。氮化硅陶瓷刀片主要应用在加工铸铁、淬硬钢和高温合金，对应的应用领域分别是汽车和飞机制造。据统计，21世纪民航和汽车发展最快在亚洲，亚洲发展首推中国，19962015年我国民航客运周转量年均增长率估计要达11.5%，到2015年中国民航机队规模将达2057架飞机。而家用小汽车的发展更加迅猛。除向国外部分购置外，主要依赖国产。因此，仅陶瓷刀片一项产品在国内就有巨大的潜在市场。另外，氮化硅粉末的其他市场还在逐年递增，以其作为制造发动机、陶瓷轴承、陶瓷柱塞、陶瓷喷嘴、陶瓷球阀、高温密封阀、陶瓷磨球、陶瓷钻削工具的材料是当今研究的热点。由此带来节能、体积小、适应性能强等诸多益处。据统计，现在每年有30万个氮化硅涡轮转子被生产并用于汽车发动机，而且随氮化硅粉末价格的越来越低，其市场需求递增的速度越来越快。可以预见，本领域研究目标的实现将使氮化硅粉末的价格降低至少10倍。同时，伴随无压烧结制备技术的发展，氮化硅基材料成本将大幅度降低。这意味着氮化硅潜在的市场将很快地转化为现实的、充满勃勃生机的市场，从而创造出巨大的经济效益4。目前Si3N4基陶瓷只作为新材料的应用还处于开发阶段，市场潜力很大，国内很多的院所像山东工业陶瓷研究设计院、清华大学等都在进行这方面的开发。其良好的性能使其可以作为焊接制品，陶瓷叶片，发动机用陶瓷气门，坩埚，输送液态金属的管道，泵，阀门，滑动水口，拉拔摸具以及高温陶瓷轴承等。亚微米Si3N4粉体的主要用途为：1)制造结构器件：如冶金、化工、机械、航空、航天及能源等行业中使用的滚动轴承的滚珠和滚子、滑动轴承、套、阀以及有耐磨、耐高温、耐腐蚀要求的结构器件。2)金属及其它材料表面处理：如模具、切削刀具、汽轮机叶片、涡轮转子以及汽缸内壁涂层等。3)复合材料：如金属、陶瓷及石墨基复合材料，橡胶、塑胶、涂料、胶粘剂及其它高分子基复合材料。进入新世纪的信息技术、生物技术、新材料技术的发展带动了亚微米粉体技术研究内容的深入和研究水平的提高。Si3N4作为一种新型高温陶瓷材料，其本身具有一定的脆性。在制备收集的过程中如果分散性能不好，直接与基体粉料混合，就会使制备的材料不具备高性能。因此，如何保证将亚微米Si3N4均匀的分散与基体材料中，提高粒子分散能力是材料制备过程要解决的重要问题3。1.3 氮化硅粉体的制备Si3N4超细粉的制备，主要有下列几种方法：硅粉氮化法、碳热还原法、气相合成法、液相界面法和自蔓延合成法等45。本实验采用燃烧合成法制备的超细Si3N4（宁夏鑫鸿祥有限公司， D50=2.51m）。燃烧合成技术是指对高放热的化学反应体系通过外界提供一定的能量诱发其局部发生化学放热反应，形成燃烧反应前沿，然后利用反应自身放出的热量使燃烧波在放映体中不断地自发向前扩展，直至反应物全部转变为产物，从而在很短的时间内合成所需要的材料的过程。燃烧合成这一材料制备新技术具有合成温度高、加热速度快、工艺周期短、节约能源等特点，而成为低价制备技术的代表性方法之一4。1.4 实验的目的及意义亚微米Si3N4粉体是制备高性能陶瓷制品的主要原材料，用该粉料制成的陶瓷材料具有韧性好、硬度高、耐磨擦、耐高温、耐腐蚀等优良性能，且价格低廉。目前国内生产微米、亚微米Si3N4粉体厂家大都未能大规模生产，市场供不应求，主要依靠进口。亚微米Si3N4在制备收集的过程中如果分散效果不好, 就会导致用其制备的陶瓷材料性能较差，因此，如何保证亚微米Si3N4均匀的分散，是材料制备中要解决的重要问题。本实验分析了不同分散剂，不同的粉体加入量以及不同的pH值溶液下亚微米Si3N4粉体的分散性能，采用沉降的方法，用RSH与时间的变化趋势反映粉体在分散剂中的分散性能的好坏，找出适合亚微米Si3N4粉料的分散剂及分散剂的用量和使用方法，使得亚微米Si3N4粉体材料应用更加广泛。第2章 实验2.1 原材料本实验采用的超细Si3N4粉料（宁夏鑫鸿祥有限公司，D50=2.51m），经过超细研磨后使粒度达到亚微米级（D50=0.856m）。2.2 实验设备及试剂本实验所用设备如表2-1所示。表2-1 实验设备设备名称 型号 生产厂家电子天平 JJ300 超声振荡器 CSF-3A 鼓风干燥箱 FN101-2APHS精密pH剂 具塞比色管 50ml金属粉末流动性测定仪 M173639扫描电子显微镜 SSX550研磨机 3E0950 常熟双杰测试仪器厂 上海超声仪器厂 长沙仪器仪表厂上海精密科学仪器有限公司姜堰市腰庄玻璃仪器制造厂北京中西远大科技有限公司日本岛津 瑞驰拓维科技有限公司本实验所用试剂为TMAH(上海科丰化学试剂有限公司)，SHMP(天津市凤船化学试剂科技有限公司)，Darvan-c（美国R.T.Vanderbitt公司），PEG（分子量200），HCl，NH3H2O。2.3 实验过程本实验将微米级的原始粉料置入研磨罐中，加入适量的蒸馏水和氮化硅陶瓷磨球(D=3mm，d=2.5mm，大小球比例为1:1)用确定的转速，研磨一定的时间得到亚微米级Si3N4超细粉，并用激光粒度分析仪测量所获得的Si3N4粉末的粒度，经检测量合格的亚微米Si3N4粉体用沉降实验来表征该粉体的分散性，具体亚微米超细Si3N4粉体制备工艺流程如图2-1所示5。氮化硅粉末(100g)蒸馏水研磨机中色块状氮化硅研碎过100目筛磨介取出研磨机中的氮化硅浆料过300目筛沉淀烘箱烘干（直到完全干燥）取出烘箱中的灰白色块状氮化硅研碎过100目筛装袋粒度检测图2-1 亚微米氮化硅的制备工艺路线2.3.1 沉降实验分散性主要是指固体粒子的絮凝团或液滴，在水或其他均匀液体介质中，能分散为细小粒子悬浮于分散介质中而不沉淀的性能。大量文献678910 111213表明,亚微米Si3N4粉末在液相中的分散性能主要通过沉降实验来表征。加入50ml的蒸馏水、适量分散剂与比色管中，并在每只比色管中加入质量比为20%(即10g）的亚微米级Si3N4粉体混成泥浆，摇晃均匀，经超声振荡30min，静置。每隔3h、6h、12h、24h以后均隔24h记录一次沉淀层的高度和悬浊液的总高度。不同分散剂的加入量如表2-2所示。表2-2 分散剂的种类及用量分散剂的总类分散剂的用量四甲基氢氧化氨 0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%六偏磷酸钠 0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%Darvan-c 0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%聚乙二醇（分子量200） 0.3%、0.5%、0.7% 固相体积比对亚微米Si3N4粉体的分散性能也存在一定程度的影响，通过沉降实验可以总结其影响规律。在比色管中加入50ml蒸馏水，其中分散剂选择Darvan-c，加入量为0.4%，分别加入质量比为10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%的亚微米Si3N4粉末。通过沉降实验对比不同pH值的溶液下Si3N4粉体的分散性能14。在各比色管中加入20%(即10g)的亚微米Si3N4粉，用稀盐酸和氨水调节pH值分别为2、4、6、8、10、11、12、13、14的溶液50ml，分别加入到比色管中。2.3.2 亚微米氮化硅粉体的松装密度及流动性测定在以0.8%的TMAH、1%的SHMP、0.4%的Darvan-c为分散剂的实验中，三种分散剂对亚微米Si3N4的分散效果都很好， pH值为11的溶液对Si3N4的分散效果更好，因此，再次测量上述三种分散剂和pH值为11的溶液分散下的亚微米Si3N4粉体的流动性，以确定其流动速度15。各取30g用0.8%的TMAH、1%的SHMP、0.4%的Darvan-c和pH值为11的溶液分散好的亚微米氮化硅浆料，将其干燥后过100目筛，进行流动性测定。其中：松装密度=（毛重-杯重）/25 杯重 = 116.63g第3章 结果与讨论3.1 研磨过程中加水量对亚微米氮化硅粉体粒径的影响使用Si3N4原粉100g，磨介300g，时间设置为8h，保持其他参数不变。蒸馏水与原料之比采用质量比，分别为0.5:1、0.7:1、0.8:1、0.9:1、1:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1。加水量对Si3N4粉体粒径的影响见图3-1所示。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91406080100120140160加水量 / mLD50/m 图3-1 加水量对亚微米氮化硅粉体粒径的影响由图3-1可见，加水量与原料之比采用1.2:1时，研磨效果最佳，Si3N4粉体的粒径最小。3.2 研磨过程中球料比对亚微米氮化硅粉体粒径的影响将100g Si3N4原粉，120ml蒸馏水加到研磨罐中，研磨时间均为8h，保持其他条件不变。分别加入质量比为1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5的磨球。球料比对Si3N4粉体粒径的影响见图3-2所示。00.20.40.60.811.2100150200250300350400磨球加入量 / gD50/m图3-2 球料比对氮化硅粉体粒径的影响由图3-2可见， Si3N4原粉与磨球之比采用1:3.5时，研磨效果最佳，Si3N4粉体的粒径最小，但曲线还有下降的趋势。3.3 研磨过程中时间对亚微米氮化硅粉体粒径的影响将Si3N4原始粉末100g，蒸馏水120ml，磨介300g加入到研磨容器中。保持其他参数不变，研磨时间分别设置为0.5 h、1h、2h、3h、4h、8h、10h、12h、14 h，检测Si3N4的粒度变化情况。研磨时间对Si3N4粉体粒径的影响见图3-3所示00.20.40.60.811.21.40246810121416t / hD50/m 图3-3 研磨时间对氮化硅粉体粒径的影响由图3-3可见， 8 h时研磨效果较好，随时间延长到10 h12 h时，Si3N4粒度再次出现增大趋势，后又逐渐减小，所以为了节省时间，在实验过程中，我们设置研磨时间为8 h。3.4 分散剂对亚微米氮化硅粉体分散性能的影响本实验利用不同分散剂的不同加入量，分析其对亚微米Si3N4粉体分散性能的影响，具体结果如图3-4、3-5、3-6、3-7所示图3-4 分散剂TMAH对亚微米Si3N4粉体分散后的沉降曲线 图3-5 分散剂SHMP对亚微米Si3N4粉体分散后的沉降曲线 图3-6 分散剂Darvan-c对亚微米Si3N4粉体分散后的沉降曲线图3-7 PEG（分子量200）对亚微米Si3N4粉体分散后的沉降曲线在图3-4（注：曲线1分散剂加入量为0.2%，曲线2为0.4%，曲线3为0.6%，曲线4为0.8%，曲线5为1%，曲线6为1.5%，曲线7为2%，曲线8为2.5%，曲线9为3%）以TMAH为分散剂的亚微米Si3N4粉体的沉降实验中，曲线1出现清夜的时间在48h左右，曲线2、6、7、8、9出现清夜的时间在96h左右，而曲线3、4出现清夜的时间在144 h左右。曲线1和曲线2在实验过程中变化比较大，曲线1在24 h前急剧下降，后又相对急剧上升，该溶液出现清夜的时间比较早，24 h后曲线坡度以及RSH值都较大，因此可知TMAH的加入量在0.2%时的分散效果较差。曲线2在24 h前急剧上升，后又缓慢上升，结合曲线2中RSH值以及清夜出现的时间说明，TMAH加入量在0.4%时相对与加入量为0.2%时分散性能有明显提高。由曲线39可见，曲线4的RSH值相对最小，而且随着TMAH加入量的增加，RSH值明显增大，因此TMAH对亚微米氮化硅粉体的分散性能在0.8%时出现最佳值，即亚微米Si3N4的分散效果最好。在图3-5（注：曲线1分散剂加入量为0.5%，曲线2为1%，曲线3为1.5%，曲线4为2%，曲线5为2.5%）以SHMP为分散剂的亚微米Si3N4粉体的沉降实验中，曲线1、2、3、4、5出现清夜的时间在168 h左右。由图3-5和清夜出现时间分析可以看出，曲线1和曲线2在实验过程中变化比较舒缓，其中曲线2的RSH值较曲线1还要小，而曲线3、4、5则变化比较明显，并且曲线3、4并不稳定。由此可见，SHMP的加入量在1%时出现最佳值，随着SHMP的加入量逐渐增加，亚微米Si3N4的分散效果也逐渐变差。 在图3-6（注：曲线1分散剂加入量为0.2%，曲线2为0.4%，曲线3为0.6%，曲线4为0.8%，曲线5为1%，曲线6为1.5%，曲线7为2%，曲线8为2.5%，曲线9为3%）以Darvan-c为分散剂的亚微米Si3N4粉体的沉降实验中，曲线14出现清夜的时间在 168 h左右，而曲线59出现清夜的时间在72 h左右。由图3-6和清夜出现时间分析可以看出，曲线2在实验过程中变化比较大，稳定性不好，并随其趋势发展可见，随时间的延长，曲线2的RSH值还将急剧上升，随着曲线2的上升趋势，RSH值将明显上升，而曲线1、3、4的舒缓程度相差不大，但曲线4的RSH值最小。综上认为在168 h内曲线2的分散效果最佳，而超过168 h后曲线4的分散效果将会明显提高。 在图3-7（注：组1分散剂加入量为0.3%，组2为0.5%，组3为0.7%）以PEG（分子量为200）为分散剂的亚微米Si3N4粉体的沉降实验中，曲线1完全沉淀的时间在24 h左右。曲线2、3出现清夜的时间在24 h左右，并都迅速沉淀，48 h左右就达到完全沉淀。而且在实验开始时比色管中出现泡沫。由图3-7和清夜出现时间分析可以看出，曲线1、2、3在实验过程中变化都比较接近，但其RSH值都比较大，并且出现清夜时间都比较短，所以对于亚微米Si3N4，分子量为200的PEG不是很好的分散剂，故在选择亚微米Si3N4粉体的分散剂时，尽量不要选择分子量为200的PEG。在以TMAH，SHMP，Darvan-c为分散剂的实验中，选择每种分散剂的最佳用量进行对比如下：曲线1 0.8%的TMAH曲线2 1%的SHMP曲线3 0.4%的Darvan-c图3-8 TMAH，SHMP，Darvan-c三种分散剂的最佳用量比较示意图从图3-8可见，0.8%的TMAH，1%的SHMP，0.4%的Darvan-c对亚微米Si3N4分散性能的RSH曲线很接近，但是0.4%的Darvan-c RSH值最小，其次为1%的SHMP和0.8%的TMAH，因此就以上三种分散剂而言，0.4%的Darvan-c 对亚微米Si3N4的分散性能最好，1%的SHMP和0.8%的TMAH次之。但RSH值都比较小，因此总体对亚微米氮化硅的分散效果都比较好。3.5 固相体积比对亚微米氮化硅粉体分散性能的影响不同固相体积比下亚微米Si3N4粉体的沉降曲线如图3-9所示。00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5361224487296120144168t / hRSH/ % 1-10%2-15%3-20%4-25%5-30%6-35%7-40%8-45%9-50%10-55%11-60%12-65%13-70%图3-9 不同固相体积比下亚微米Si3N4粉体的沉降曲线曲线1、2出现清夜的时间在120 h左右，而曲线313的清夜出现时间在168 h左右。对于固相体积比为75%和80%的Si3N4浆液在比色管中始终是模糊状态，看不清具体的沉降高度，可能是由于粉末加入量太多，使得氮化硅浆液过于饱和。由图3-9可见，固相体积比对亚微米Si3N4粉体分散性能的影响具有一定的规律性，随亚微米Si3N4粉体加入量的增加，RSH值越来越大，并且曲线的坡度越来越大，即亚微米氮化硅的分散效果逐渐下降。所以在分散氮化硅粉体时，为了使其充分分散，可尽量减小氮化硅的固相体积比。固相体积大到一定极限时，将严重影响亚微米Si3N4粉体的分散效果。3.6 pH值对亚微米氮化硅粉体分散性能的影响不同的pH值下亚微米Si3N4粉体的沉降曲线如图3-10所示。图3-10 不同pH值下亚微米Si3N4粉体的沉降曲线 pH值为2、4、6、8时，3h左右出现清液层，24 h以后达到完全沉淀，而pH值为10时，120 h左右出现清液层，pH值为11、12、13、14时，144 h左右出现清液层。由图3-10可见，在酸性条件下，亚微米Si3N4浆液的RSH曲线坡度较大，并且RSH值相对较大，完全沉淀的时间也很快。因此，Si3N4粉体在碱性条件下的分散效果比较好，尤其在pH值为11时分散效果出现最佳状态。3.7 分散剂对亚微米氮化硅粉体流动性的影响表3-1 不同分散剂和pH值为11的溶液对亚微米Si3N4粉体的流动性和松装密度影响分散剂种类 流动时间 松装密度TMAH（0.8%） 4:41:36 0.64SHMP（1%） 4:15:12 0.6236Darvan-c（0.4%） 4:09:34 0.5348pH为11的溶液 3:26:41 0.572由表3-1可见，Darvan-c（0.4%）分散过的亚微米Si3N4粉体的流动时间最短，流动性最好。SMHP（1%）和TMAH（0.8%）分散过的亚微米Si3N4粉体的流动时间稍长，流动性次之。pH为11的溶液对亚微米Si3N4进行分散后，粉体的流动时间较Darvan-c（0.4%）分散过的Si3N4粉体流动时间还要短，因此在没有特殊规定下，我们也可用pH为11的溶液分散氮化硅粉体。粉末松装密度是指粉末在规定条件下自由充满标准容器后所测得的堆积密度，即粉末松散填装时单位体积的质量，以gcm3表示，是粉末的一种工艺性能 ，影响粉末松装密度的因素很多，如粉末颗粒形状、尺寸、表面粗糙度及粒度分布等。3.8 扫描电子显微镜结果分析利用扫描电子显微镜观察经0.8%的TMAH、1%的SHMP、0.4%的Darvan-c和pH值为11的溶液分别处理过的亚微米氮化硅粉体1617。其图象如图3-11、3-12、3-13、3-14、3-15所示。 3-11 未经任何处理的亚微米Si3N4的SEM3-12 TMAH (0.8%)分散的的SEM 3-13 SMHP(1%)分散的亚微米Si3N4的SEM3-14 Darvan-c（0.4%）分散的亚微米Si3N4的SEM3-15 pH值为11的溶液分散的亚微米Si3N4的SEM图3-11图3-15的SEM图象均放大5000倍，比例尺寸采用2m。从图中可以看出，经过处理的粉体的粒度都很小，而且都已经达到亚微米级，但是经0.4%的Darvan-c处理的Si3N4粉体比0.8%的TMAH和1%的SMHP处理的Si3N4粉体分散的效果要好些，0.8%的TMAH和1%的SMHP分散的Si3N4粉体还有些颗粒发生了团聚，而pH值为11的溶液处理的Si3N4粉体的分散效果比0.4%的Darvan-c处理后的分散效果还要好。因此我们认为，0.4%的Darvan-c、0.8%的TMAH、1%的SMHP和pH值为11的溶液都能够很好的分散亚微米Si3N4粉体，尤其是pH值为11的溶液和0.4%的Darvan-c对亚微米Si3N4的的分散效果更佳。第4章 结论1. 在研磨实验中，当磨介:加水量: Si3N4原粉=35：12：10，研磨时间设置为8h时，所获得的Si3N4粉体的粒度最小。2. 在分散性能实验中，分子量为200的PEG对氮化硅的分散起不到良好的效果，48小时左右就已达到完全沉淀。TMAH对亚微米Si3N4粉体的分散性能在0.8%时效果最好。SHMP的加入量在1%时出现最佳值，随着SHMP的加入量逐渐增加，亚微米Si3N4的分散效果逐渐变差。Darvan-c分散亚微米Si3N4时在168h内0.4%的加入量分散效果最佳，而超过168h后0.8%加入量的分散效果明显提高。在这四中分散剂中，0.4%的Darvan-c 对亚微米Si3N4的分散效果最好，1%的SHMP和0.8%的TMAH次之，分子量为200的PEG效果最差。 3. 固相体积比对应亚微米Si3N4粉体分散性能的影响是，随亚微米Si3N4粉体加入量的增加分散效果逐渐变差。4. 在不同pH值溶液对应亚微米Si3N4粉体的分散性能实验中，酸性条件下亚微米Si3N4粉体的分散性能非常差，碱性条件下分散性能却非常好。尤其在pH值为11时亚微米Si3N4粉体分散效果出现最佳状态。 5. 通过流动性测试和扫描电镜观察可见，0.8%的TMAH、1%的SHMP能够很好的分散亚微米Si3N4粉体，但pH值为11的溶液和0.4%的Darvan-c对亚微米Si3N4粉体的分散效果更好。 致 谢时光如流水，不知不觉中我已在北方民族大学度过了美好的四年大学时光。期间，在老师和同学们的关怀和帮助下，我丰富了知识、扩大了视野、提高了能力，为今后的学习与发展奠定了基础。这次毕业论文能够得以顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师，尤其感谢吴澜尔吴院长陆有军陆老师和胡老师等的细心指导，还有帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲和鼓励的结果。 我要在这里对他们表示深深的谢意！在此我要特别的感谢我的毕业指导教师韩凤兰韩老师。感谢她给予我毕业设计上的细心教导和无私教诲。感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们四年来的关照与宽容，与你们一起走过的美好时光，将会是我一生最珍贵的回忆。参考文献1陈波.氮化硅基陶瓷制品的生产工艺与应用前景综述J.现代技术陶瓷,2002(2):2830.2陈远志,梁勇.S i 3 /S i C纳米复相陶瓷研究进展J.中国陶瓷,1999,4(2):3436。3吴明明,肖俊建.氮化硅陶瓷在现代制造业中的应用J.机电产品开发与创新,2004,3(2):13