制备SiC陶瓷超细粉的工艺影响的研究（Ⅰ）＊

高 杰

（辽宁工业大学化学与环境工程学院 辽宁 锦州 121001）

制备SiC陶瓷超细粉的工艺影响的研究（Ⅰ）＊

高 杰

（辽宁工业大学化学与环境工程学院 辽宁 锦州 121001）

探讨了采用溶胶－凝胶法和碳热还原法相结合制备SiC陶瓷超细粉体工艺中的碳源种类、水的加入量、草酸的加入量、制备温度等因素对胶凝时间、粉体的颗粒度、纯度的影响，确定了最佳工艺参数。结果表明：采用此工艺条件制备的SiC超细粉体粒径小于35nm，纯度大于98%，近似于球形。

SiC陶瓷 超细粉 溶胶－凝胶 碳热还原

前言

高性能的SiC陶瓷材料的获得是以高质量的SiC陶瓷超细粉末为基础，使该产品具备许多优异的性能；同时SiC超细粉体还是制备纳米复合材料的主要增强相，因而有关SiC陶瓷超细粉的制备就显得尤为重要。目前制备粉体的方法主要有：机械粉碎法［1］、碳热还原法［2］、聚合物热分解法［3］、等离子体法［4］、溶胶－凝胶法等［5］。各种方法都各有优缺点，如：机械粉碎法具有制备工艺简单、投资小、成本低、产量大、产品质量稳定、生产易于实现等优点。在制备过程中，用该法制得的粒子因受到多次变形、硬化和断裂的影响，会有大量缺陷（表面缺陷）存在且活性极高［6］。合成法中固相法原料便宜、质量稳定、易实现工业化生产是它的主要优点，但生产出的产品颗粒度较大、纯度低；而液相法合成技术日渐成熟，可制得高纯度的纳米级微粉，粉料的复合化也容易实现，但工艺不易控制；气相法制得粉末纯度高，颗粒尺寸小，颗粒团聚少，组分易于控制，是目前比较先进的制备方法，但成本高、产量低，不易实现大批量生产，较适合于制取实验室材质和用于特殊要求的产品。因此，本实验采用溶胶－凝胶法和碳热还原法相结合制备SiC超细粉。

1 实验

选取硅酸乙酯为硅源、酚醛树脂为碳源，乙醇作为溶剂，草酸为催化剂，采用溶胶－凝胶法制备出先驱体，再进行干燥处理，经过研磨、水洗、醇洗、抽滤、烘干，用高温电炉（氩气气氛下和一定的温度下）进行碳热还原反应1 h，并在600℃进行脱碳处理。探讨碳源种类、草酸的加入量、水的加入量、制备温度等工艺因素对胶凝时间及粉体制备的影响，采用XRD进行β－SiC物相分析；采用TEM对粉体的微观形貌进行观察；按照SN－/TR 256－93（焦磷酸钾法）［7］对SiC的含量进行化学分析。

2 结果与讨论

2.1 碳源种类对碳化硅生成的影响

碳源是碳化硅生成的一个重要影响因素，本实验分别选择了蔗糖、酚醛树脂为碳源，在相同的实验条件下（硅酸乙酯10mL、pH＝2的草酸水溶液2mL、乙醇6 mL预水解时间采用8h、水解温度30℃），在1 600℃进行碳热还原反应1h，结果如下：

2.1.1 对粉体生成的影响

2.1.1.1 对物相及产物纯度的影响

从图1可以看出：以蔗糖为碳源的产物中，β－SiC的纯度较低，含有大量的SiO2，通过化学分析得到SiC的含量只有45.1%，与X射线衍射分析一致，而以酚醛树脂为碳源的产物中，β－SiC的纯度较高，Si与C反应完全，SiC的含量达到95.5%。由此可以看出，以蔗糖为碳源的前驱体的反应活性比以酚醛树脂为碳源所得前驱体的反应活性要差，生成的SiC的含量也较低。

图1 1 600℃不同碳源的碳热还原产物的XRD分析图

2.1.1.2 粉体颗粒度的影响

图2为2种不同碳源合成SiC粉末的TEM照片。由酚醛树脂与硅酸乙酯系统合成的SiC粉末晶粒发育良好，大部分颗粒呈球形，颗粒尺寸较均匀，其粒径平均在45nm左右，而以蔗糖为碳源的产物中颗粒大小不均匀（6～80nm），还存在团聚现象，这对于高性能的粉体来说是较大的缺点。这可能是在前驱体生成阶段水解条件控制不当，造成C原子在水解产物中分布不均匀，导致在成核时形成大小不一的颗粒。

因此，从碳源种类对β－SiC的生成量以及粉体的颗粒度的影响可以看出，以酚醛树脂为碳源，优于蔗糖。

2.2 水用量对其制备过程的影响

在硅酸乙酯的水解过程中，由于水直接参与了反应，因而水的用量对其凝胶的生成有很大的影响，在实验中取硅酸乙醇TEOS10mL，酚醛树脂2.4g预先溶于6 mL的乙醇中，水的加入量分别为0.5mL、1.0mL、1.5 mL、2.0mL、2.5mL、3.0mL、3.5mL进行实验，结果如下：

图2 不同碳源合成SiC粉末的TEM照片

2.2.1 水用量对胶凝时间的影响

图3 水用量对胶凝时间的影响

的增加而缩短；然而随着水用量的继续增加，每个≡Si－O－C2H5周围水分子的数目已经达到饱和，即使再增加水的用量，水解速度也不会提高，而水解的≡Si－OC2H5分子却被水分子包围起来，溶液浓度降低，发生缩聚反应的机会也大大减少，凝胶时间也随着缩聚反应的变慢和加入水量的增加而延长［8］。

2.2.2 水用量对β－SiC生成相的影响

对制得的凝胶粉进行干燥、水洗、醇洗处理，在1 600℃的条件下进行碳热还原反应，并对水用量为2.0mL、2.5mL、3.0mL的粉体分别进行X射线衍射分析，结果如下：

从图3可以看出，随着水用量的增加胶凝时间缩短，当水的加入量为2mL左右时，胶凝时间达到极小值；此后，胶凝时间随用水量的增加而延长。这是因为，凝胶的形成速度受到水解和缩聚两个步骤的控制，在水用量较少的时候，溶液中每个≡Si－O－C2H5周围水分子的量较少，水解速度受到水量的限制；随着水用量的增加，溶液中相对每个≡Si－O－C2H5周围水分子的数目增加，使水解速度加快，所以这段时间内，胶凝时间随着水用量

图4 样品经1 600℃反应后的X射线衍射图谱

The Research of Preparation of SiC Ceramic Micropowder Technology Influence

Gao Jie（College of Chemistry and Environmental Engineering，Liaoning University of Technology，Liaoning，Jinzhou，121001）

Oxalic acid addition amount，the temperature of preparation and other factors in the the preparation of the ultya－fine powder of SiC with sol－gel and carbon heat reduction method to the time of gel，powder particles degrees and purity.Confirm the Optimal processing parameters.The result shows that the ultya－fine powder of SiC which is made by such process conditions，the particle size is less then 35nm，the purity is more than 98%，approximate spherical.

SiC；Ultra－fine powder；Sol－gel；Carbothermal reduction

TQ174.6

A

1002－2872（2012）09－0046－02

高杰（1968－），硕士，高级实验师；主要从事实验室教学工作。

（未完待续）