漿體特性對(duì)二硼化鋯粉體分散穩(wěn)定性的影響研究

宋杰光馬永紅 陳林燕

（1.九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江西九江332005；2.九江學(xué)院九江市綠色再制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西九江332005）

1 前言

高溫或超高溫陶瓷是目前國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，其中二硼化鋯（ZrB2）由于具有極高的熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度和導(dǎo)電率等許多優(yōu)異性能，因此，它在此領(lǐng)域被作為重點(diǎn)研究材料之一[1]。ZrB2熔點(diǎn)高導(dǎo)致其難以燒結(jié)成高致密材料，純ZrB2的燒結(jié)致密需要2300℃以上的高溫。如何提高ZrB2陶瓷的致密度以及其高溫抗氧化性能一直是國(guó)際上研究重點(diǎn)之一。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)二硼化鋯復(fù)合材料的燒結(jié)致密化工藝和如何提高該種材料的高溫抗氧化性能進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了許多不錯(cuò)的成果[2]。

通過(guò)放電等離子燒結(jié)法使共沉淀法獲得的包覆式A12O3-Y2O3/ZrB2復(fù)合粉體致密化來(lái)得到高致密度的ZrB2-YAG-Al2O3復(fù)相陶瓷[3]，為了得到很好的包覆效果，即包覆層均勻和包覆率高。因此，在包覆過(guò)程中，必須使得ZrB2粉體顆粒具有較好的分散穩(wěn)定性。本文主要研究分散劑對(duì)二硼化鋯粉體在水溶液中的分散穩(wěn)定性影響，為改善合成更好包覆效果的包覆式復(fù)合粉體奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

將一定質(zhì)量ZrB2粉體倒入裝有去離子水的量筒中，通過(guò)一定方式進(jìn)行分散，得到一定體積的ZrB2漿體，調(diào)整漿體特性，然后再一定時(shí)間分散，用激光粒度分析儀（型號(hào)：英國(guó)Mastersizer-2000E）分析漿體ZrB2顆粒的平均粒度D50；ZrB2漿體的Zeta電位用Zeta電位儀（型號(hào)：英國(guó) ZS90）進(jìn)行測(cè)試；用顯微鏡（型號(hào)：美國(guó)VDP-1750）對(duì)顆粒的分散情況進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果與討論

圖1漿體濃度下對(duì)ZrB2粉體顆粒D50的影響Fig.1 Effectof concentration on D50 of ZrB2 particles

3.1 漿體濃度對(duì)二硼化鋯分散穩(wěn)定性的影響

ZrB2漿體在攪拌5分鐘后，濃度對(duì)ZrB2顆粒的D50的影響如圖1。從圖中可以看出，ZrB2顆粒的分散穩(wěn)定性隨著ZrB2漿體濃度增大而降低，ZrB2漿體濃度與ZrB2顆粒的分散穩(wěn)定性之間基本趨于線性變化。這主要是由于布朗運(yùn)動(dòng)和靜電吸附作用的結(jié)果，在濃度較小時(shí)，顆粒之間在這兩種作用下相互接觸而發(fā)生吸附幾率小[4]，使得很少顆粒團(tuán)聚，這也使得顆粒不容易發(fā)生沉降而保持較好的分散穩(wěn)定性；相反，ZrB2顆粒的分散穩(wěn)定性變差。在不同ZrB2顆粒懸浮液濃度下，電子顯微鏡觀測(cè)（圖2），結(jié)果也與上述討論相符。

3.2 分散時(shí)間及方式對(duì)二硼化鋯分散穩(wěn)定性的影響

在濃度為0.12mol/L條件下，采用超聲分散對(duì)ZrB2粉體進(jìn)行分散處理，分散時(shí)間對(duì)ZrB2顆粒的D50的影響如圖3所示。從該圖可以看到，在分散處理10分鐘以前，隨著分散時(shí)間延長(zhǎng)，ZrB2粉體分散穩(wěn)定性迅速增加，但是分散處理超過(guò)10分鐘后，其分散穩(wěn)定性反而迅速下降；分散處理20分鐘以后，ZrB2粉體的分散穩(wěn)定性基本保持一個(gè)穩(wěn)定趨勢(shì)。因?yàn)樵?0分鐘以前，在外力作用下，使得ZrB2粉體原來(lái)團(tuán)聚的粉體被迅速分離[5]，得到許多能夠在介質(zhì)中分散穩(wěn)定的較小ZrB2粉體顆粒。在分散10分鐘以后，由于細(xì)小ZrB2顆粒過(guò)多為團(tuán)聚制造了條件，從而使ZrB2粉體顆粒的分散穩(wěn)定性迅速下降。在同樣一種分散力度下，ZrB2粉體顆粒的分散在20分鐘達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，通過(guò)分析超聲分散時(shí)間對(duì)ZrB2粉體顆粒D50的影響可以證實(shí)上述分散過(guò)程（圖4）。

3.3 pH值對(duì)二硼化鋯分散穩(wěn)定性的影響

在濃度為0.12mol/L和超聲分散10分鐘條件下，pH值與ZrB2顆粒D50之間的關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)pH=9時(shí)，ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性為最好。因?yàn)樵趬A性條件下，ZrB2顆粒表面帶負(fù)電，其Zeta電位的絕對(duì)值隨著pH值變大而變大，在漿體中，ZrB2顆粒之間產(chǎn)生的靜電斥力隨之增加。當(dāng)pH=9時(shí)，ZrB2顆粒表面的Zeta電位達(dá)到最大值（圖6），即ZrB2顆粒之間產(chǎn)生的靜電斥力也增加到最大值[6-7]，所以，此時(shí)ZrB2漿體的分散性為最好。用電子顯微鏡觀測(cè)（圖7）不同pH值對(duì)ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性的影響。在不同pH值條件下ZrB2顆粒的D50情況如圖1所示，與上述討論結(jié)果相符。

4 結(jié)論

本文采用沉積法研究ZrB2粉體粉體的分散穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明，ZrB2顆粒的分散穩(wěn)定性隨著ZrB2漿體濃度增大而降低，ZrB2漿體濃度與ZrB2顆粒的分散穩(wěn)定性之間基本趨于線性變化。超聲分散時(shí)間為10分鐘ZrB2粉體在水溶液中的分散穩(wěn)定性最好。當(dāng)pH=9時(shí)，ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性為最好，這些數(shù)據(jù)為合成更好包裹結(jié)構(gòu)的包裹型A12O3-Y2O3/ZrB2復(fù)合粉體奠定基礎(chǔ)。

1 Song JG，Du D M，Ju Y Y.Influence of sintering conditions on densification of YAG/ZrB2multi-phase ceram ics with spark plasma sintering.Journal of Reinforced Plastics and Composites，2010，29：710～717

2Monteverde F.Advances inm icrostructureandmechanicalpropertiesof zirconium diboride based ceram ics.Materials Science Engineering A，2003，346：310～319

3 Song JG，Zhang LM，Li JG.Synthesisand characterization of A l（OH）3-Y（OH）3-ZrB2composite particles.Journalof Reinforced Plasticsand Composites，2007，26：139～145

4 Li X L，Peng Q，Yi JX.Nearmonodisperse TiO2nanoparticles and nanorods.Chem istry-A European Journal，2006，12：2383～2391

5 Yao N，Xiong G X，Sheng S S.Ultrasound as a tool to synthesize nano-sized silica-alumina catalysts with controlled mesoporous distribution by a novel sol-gel process.Catalysis Letters，2002，78：37～41

6 David H，Orland A.A new ceram ic form ing process-gelcasting.Physics Today，1998，22：877～880

7Ren J，Song S，Valdivieso A.Dispersion of silica fines inwater-ethanol suspensions.Journal of Colloid and Interface Science，2001，238：279～286