Siliciumcarbide (SiC) is een synthetische covalente verbinding en een nieuw type technische keramische materiaal. Vanwege zijn uitstekende eigenschappen—waaronder sterkte bij hoge temperaturen, sterke oxidatiebestendigheid, uitstekende slijtvastheid, thermische stabiliteit, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, hoge thermische geleidbaarheid, hoge hardheid, thermische schokbestendigheid en chemische corrosiebestendigheid—worden SiC-keramiek veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, elektronica en chemische industrie. Bovendien worden SiC-keramiek als zeer veelbelovend beschouwd voor structurele componenten bij hoge temperaturen, geavanceerde motoren, warmtewisselaars en slijtvaste apparaten met hoge sterkte, wat wereldwijd aanzienlijke aandacht trekt van onderzoekers.

Waarom oppervlaktemodificatie van SiC-poeders noodzakelijk is

Tijdens het ultrafijn malen van nanoschaal SiC-poeders ondervinden de deeltjes continue wrijving en impact. Dit proces veroorzaakt de ophoping van grote hoeveelheden positieve en negatieve ladingen op de oppervlakken van de deeltjes, waardoor ze zeer onstabiel worden en vatbaar voor aggregatie. Tegelijkertijd absorberen de poeders aanzienlijke mechanische en thermische energie, waardoor hun oppervlakte-energie toeneemt. Om een stabielere toestand te bereiken en de oppervlakte-energie te verminderen, hebben de deeltjes van nature de neiging om elkaar aan te trekken en samen te klonteren, waardoor aggregaten ontstaan.

Oppervlaktemodificatie is een effectieve manier om de dispergeerbaarheid en vloeibaarheid van SiC-poederste verbeteren, aggregatie te voorkomen, de vormingseigenschappen van ultrafijne SiC-poeders te verbeteren en de prestaties van de uiteindelijke keramische producten te verbeteren.

Mechanismen van oppervlaktemodificatie

Oppervlaktemodificatie van ultrafijne poeders omvat de interactie tussen het poederoppervlak en het modificatiemiddel. Dit verbetert de bevochtigbaarheid van de deeltjes, verbetert hun compatibiliteit met het omringende medium en vergemakkelijkt de dispersie in water of organische verbindingen. Modificatiemiddelen moeten functionele groepen bevatten die effectief kunnen interageren met het deeltjesoppervlak.

Er zijn twee hoofdmechanismen:

1. Coatingmodificatie: Een laag van anorganische of organische verbindingen (wateroplosbare of olieoplosbare polymeren, vetzuurzepen, enz.) bedekt het deeltjesoppervlak en creëert sterische hinder die re-aggregatie voorkomt.

2. Koppeling (chemische) modificatie: Chemische reacties of koppelingsinteracties vinden plaats tussen het deeltjesoppervlak en het modificatiemiddel. Naast van der Waals-krachten, waterstofbruggen of coördinatie-interacties kunnen ionische of covalente bindingen ontstaan, wat leidt tot sterkere en stabielere oppervlaktemodificatie.

Veelvoorkomende oppervlaktemodificatiemethoden

1. Coatingmodificatie

Coatingmodificatie omvat het fysiek of chemisch aanbrengen van een laag modificatiemiddel op het deeltjesoppervlak om de inherente eigenschappen ervan te veranderen. Veelvoorkomende middelen zijn oppervlakteactieve stoffen, superdispergeermiddelen en anorganische verbindingen.

• Oppervlakteadsorptiecoating: Gebruikt fysieke of chemische adsorptie om een continue coating op het deeltjesoppervlak te vormen. Deze methode is eenvoudig maar heeft een beperkte effectiviteit.

• Anorganische coating: Omvat het gebruik van anorganische materialen die fysiek hechten aan het deeltjesoppervlak, waardoor de vrije oppervlakte-energie wordt verminderd en aggregatie wordt voorkomen. Technieken omvatten chemisch beplating, galvaniseren, dampafzetting, sol-gel coating, straling en mechanische coating.

2. Chemische modificatie

Chemische modificatie omvat een chemische reactie of adsorptie tussen het modificatiemiddel en het deeltjesoppervlak. Langketenpolymeren die op het poederoppervlak zijn geënt, kunnen hydrofiele groepen bevatten om de dispersiestabiliteit in een medium te verbeteren. Veelvoorkomende chemische modifiers zijn koppelingsmiddelen, vetzuren en hun zouten, onverzadigde organische zuren en organosilicium.

Effecten van oppervlaktemodificatie op poedereigenschappen

1. pH-invloed: Oppervlaktemodificatie kan de dispergeerbaarheid optimaliseren bij specifieke pH-niveaus, wat cruciaal is voor het bereiden van keramische slurries met een hoog vastestofgehalte met een uniforme deeltjesverdeling.

2. Oppervlakte-eigenschappen: Poedereigenschappen zoals oppervlakte, oppervlakte-energie, chemische samenstelling, kristalstructuur, functionele groepen, bevochtigbaarheid, oppervlakte lading, porositeit en roosterdefecten beïnvloeden de slurryviscositeit en het maximaal haalbare vaste stofgehalte.

3. Effecten van koppelingsmiddelen: Silaankoppelingsmiddelen, met functionele groepen die reageren met zowel anorganische als organische materialen, verbeteren de dispersie en stabiliteit van SiC-slurries aanzienlijk, wat leidt tot suspensies met een lage viscositeit en een hoog vastestofgehalte.

4. Invloed van moleculaire structuur: Verschillende modifierstructuren beïnvloeden de stabiliteitsmechanismen. Zo kunnen elektrostatische stabilisatie en sterische hinderingsmechanismen de deeltjesdispersie optimaliseren en aggregatie voorkomen.

5. Dispergeermiddeltype en -dosering: De keuze en concentratie van dispergeermiddelen hebben direct invloed op de slurryviscositeit, zeta-potentiaal en dispersiekwaliteit.

Huidige uitdagingen

Hoewel oppervlaktecoating de dispergeerbaarheid, stabiliteit en prestaties van ultrafijne SiC-poeders aanzienlijk verbetert, blijven er verschillende uitdagingen bestaan:

• Het ontwikkelen van nieuwe, kosteneffectieve en gemakkelijk controleerbare modificatiemethoden.

• Het verbeteren van de coatingformulering, hergebruik en stabiliteit voor ultrafijne SiC-poeders.

• Het verbeteren van de bevochtigbaarheid van SiC-deeltjes met metalen in SiC-metaalcomposieten om de corrosiebestendigheid te verbeteren.

• Het ontwerpen van hoogwaardige, goedkope of multifunctionele oppervlakteactieve stoffen om het oppervlaktebehandelingsproces te optimaliseren.

• Het opzetten van gestandaardiseerde test- en kwaliteitsevaluatiemethoden voor oppervlakte-gemodificeerde SiC-poeders.

Conclusie

Ultrafijne SiC-poeders bezitten unieke eigenschappen die brede toepassingen in geavanceerde materialen mogelijk maken. Oppervlaktemodificatie verandert hun fysieke en chemische oppervlakte-eigenschappen, waardoor de dispergeerbaarheid, stabiliteit en prestaties worden verbeterd en de ontwikkeling van hoogwaardige functionele keramiek mogelijk wordt. Verbeteringen in oppervlaktemodificatietechnieken zullen het toepassingsbereik van nanokeramische poeders uitbreiden en innovaties in de materiaalkunde stimuleren.