碳化硅（SiC）是一种用途十分广泛且具有很好发展前景的无机非金属材料，制成陶瓷后是一种优良的结构材料，具有高的弹性模量和比刚度，不易变形，并且具有较高的导热系数和低的热膨胀系数，目前已经成为高温热机材料的主要考虑材料之一，可应用在高温喷嘴、涡轮机叶片、涡轮增压器的转子等方面。

碳化硅陶瓷

因此，业界对SiC陶瓷在几何形状的精确性、强度、韧性和可靠性方面提出了更高的要求，成型工艺则是至关重要的一环。不同的成型工艺对陶瓷制品的性能影响比较大，例如脱模困难、难以制备形状复杂制品、陶瓷的致密性不足等困难等，这些缺陷的存在会制约其在高端领域中的应用，因此，要制备性能优异、高可靠性的陶瓷制品，就需要探究影响成型工序成效都有哪些因素。

一、碳化硅陶瓷的成型工艺及难点

陶瓷的成型工艺主要分为干法成型与湿法成型（即胶态成型）两大类。干法成型分为干压成型和等静压成型，干法成型操作简单，易用于大规模生产，且不需要后续的干燥处理，但制成的陶瓷材料均一性差、密度分布不均、可靠性不足，影响材料的力学性能和电学等物理学性能，很大程度上限制了产品的用途，故对材料性能要求极高的精密器部件的成型工艺多采用湿法成型。

在实际成型过程中，对SiC浆料的要求是：高固相含量（>50 vol%）、低粘度（<1Pa.s）和稳定分散。主要是由于高固相含量和低粘度是胶态成型的前提，而且将直接影响SiC制品的性能，而低粘度的浆料更容易消泡、脱气和充分填充模具，能够有效地降低坯体缺陷，使所制得的素坯的密度更高。

但是，低粘度和高固相含量本身却存在一定的矛盾性。因为当粉体的粒径达到亚微米级时，在提高固相含量时，通常情况下浆料粘度都会增大。浆料的粘度受固相含量、分散剂的种类和添加量、pH值等因素的影响。所以为了得到高性能的陶瓷制品，就需要理清这些影响因素的机理和他们之间的相互影响。

用于制备SiC陶瓷的原料粉体粒径常为亚微米级

二、SiC粉体性质与影响后续成型的因素

SiC粉体性质与其制备构成密切相关，一般SiC是由SiO₂和C在电炉中合成的：SiO₂+3C→SiC+2CO；当温度为1400℃时生成β-SiC，当温度为2100℃时β-SiC就会转化成α-SiC，当温度为2400℃时全部生成α-SiC。工业用SiC一般含有少量的杂质如游离C、游离Si、Fe₂O₃和SiO₂等。

主要注意的是，碳化硅表面的二氧化硅层会影响粉体在水相中的分散，二氧化硅在水相中会形成硅羟基“Si-OH”，硅羟基在水相中显酸性，所以使碳化硅的等电点是酸性的，二氧化硅越多，碳化硅的等电点越靠近酸性一端，当pH值小于粉体等电点时硅烷醇会吸引氢离子，是颗粒表面带正电从而Zeta电位变为正值。在碱性条件下硅烷醇则会与溶液中浓度高的OH^-发生反应，在粉体的表面形成[Si-O]^-，使颗粒表面带负电荷，从而Zeta电位也为负值。

粉体在水相中的分散与Zeta电位绝对值的大小息息相关，所以粉体表面形成的二氧化硅层对粉体的分散起到很大的作用。当碳化硅粉体分散在水中时，其粉体表面的硅羟基会与水分子形成两种氢键，如下图所示。由于氢键的作用使粉体束缚了一部分水分子，形成结合水，对浆料的流动会产生影响，从而影响浆料的流变性能。

硅羟基与水分子之间的氢键形式

三、SiC的表面改性

颗粒在浆料里的稳定性由颗粒间的全部作用力间的相互作用决定的，主要包括范德华力、氢键、空间位阻效应、颗粒表面双电子层的斥力等。悬浮液的均匀分散稳定机制可分为：静电稳定机制；空间位阻稳定及静电空间位阻稳定。实际过程中，悬浮液中通常存在多重机制共存的现象，与单一机制相比，这种效果会更好一些。

从上至下：静电稳定机制、空间位阻稳定、静电空间位阻稳定

实际操作中，为了获得高固相含量低粘度的浆料，可利用不同的粉体分散机制来提高粉体颗粒在也想介质中的分散程度——即通过表面改性，改变粉体颗粒表面的性质，增加粒子之间的斥力，改善粉体的湿润性、分散性，提高粉体的 Zeta 电位绝对值。

可行措施有很多，由改性工艺的不同，分为湿法、半湿法、干法；由改性原理的不同，分为物理吸附、化学包覆、机械力化学法；由于作用效果的不同，分为表面吸附包覆、高能表面改性和表面接枝包覆等；由改性目的不同，分为亲油改性、亲水改性和增加耐候性等；由改性剂种类不同，分为无机物改性、聚合物改性、表面活性剂改性和复合改性等。

（1）物理吸附法

物理吸附法指的是不同改性剂如高聚物涂覆或高能改性等方法对粉体进行改性。

高聚物涂覆是指高聚物或树脂通过粘附力包覆在粉体表面，这样可以提高改性后粉体的粘结性。这种方法包括两种工艺，分别有冷法覆膜、热法覆膜。该方法较简单、操作方便、成本低并且能够大量生产，但缺点是效果有限。

采用红外线、紫外线、电子束和等离子体辐射等方法处理改变粉体表面性质的方法叫做高能表面改性。该方法的优点是表面生成的有机膜较薄、致密、均匀并且粘附性能强，同时粉体表面的杂质变少，但缺点是技术复杂、成本很高并且目前还很难在工业上大规模生产。

（2）表面包覆

化学改性法是指在表面包覆过程中发生了化学反应。这是粉体改性中最常见的方法。表面包覆分无机包覆和有机包覆两种。主要是在无机粉体表面沉积一层氧化物、氢氧化物或有机物。当包覆物为氧化物或氢氧化物时，叫做无机包覆。当包覆物为有机物时叫做有机包覆。

无机包覆的方法主要有醇盐水解法、均匀沉淀法、非均匀成核法、溶胶．凝胶法等。其中，最好的方法是非均匀成核法。有机包覆改性提高了无机粉体的静电、空问位阻作用，从而使其分散性变好。有机包覆的方法主要有有机物表面接枝、表面吸附包覆和胶囊化改性等。其主要应用在无机复合材料或者填料的分散，以此来提高无机粉体和有机基体的润湿性和相容性。另外也用于改善无机粉体在水中的分散性。

（3）洗涤

该方法主要指通过使用酸、碱等物质洗涤或采用离子交换树脂来除去粉体表面吸附的高价离子，从而使粉体表面的zeta电位提高，使其在介质中稳定分散.

（4）分散剂处理

制备高固含量的陶瓷悬浮液的一种常见方法是分散剂处理，这是由于用分散剂处理后，粉体之间会产生了一定的空间位阻或静电效应。一般情况下所使用的分散剂是表面活性剂或各种聚电解质，他们共同的特点是既有亲水基又有疏水基。

四、总结

本文从碳化硅粉体性质入手，探究了要获得高品质陶瓷制品，为何需要通过对粉体原料改性来改善成型工序效果。总之，高分散性的微米级SiC粉体是获得具有高精确性、强度、韧性和可靠性陶瓷制品的必要条件，因此探究相关技术对制备可应用于高端领域的碳化硅陶瓷具有重要意义。

资料来源：

冯莹. SiC粉体表面的化学改性及成型后对坯体的影响[D]. 北京:北京化工大学,2019.

黄俊晓. SiC粉体表面处理与其浆料流变性之间的关系研究[D]. 山东:烟台大学,2019.

粉体圈 整理

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