SiC水基流延成型制備技術研究

周靜怡，郝孟猛

（1華中科技大學附屬中學 湖北 武漢 430074）

（2華中科技大學光學與電子信息學院 湖北 武漢 430074）

1 引言

SiC陶瓷具有耐高溫、硬度高、耐腐蝕等優點，受到了廣泛的關注。近些年來，SiC作為高溫隔熱材料廣泛用于航空、航天、耐火材料等領域[1-2]。與此同時，SiC也存在韌性、脆性、抗破壞能力差的缺點。研究人員發現在基體中增加第二增韌相的層狀結構可以增加SiC的斷裂韌性。利用高韌層和SiC交替的層狀結構是一種提高材料韌性的有效手段[3]。

流延成膜是一種獲得低成本、高質量平整薄膜的手段，也是制備復合SiC陶瓷材料的一種重要研究手段。一般，可以通過水基以及非水基流延制備SiC流延膜。近幾年來，人們已經研究了有機流延SiC膜[4-5]。有機溶劑的SiC漿料具有很好的流變性能和塑性[6-7]。但是，有機溶劑大多有毒，且成本昂貴。相比較而言，水基流延無毒，成本低。研究水基流延SiC膜具有更廣闊的應用前景[8-9]。

本文研究了SiC的水基流延工藝。首先對SiC粉體的表面Zeta電位、粒徑進行表征。然后研究了固含量、粘結劑、增塑劑對漿料的非牛頓流體特性的影響，優化漿料試劑配比，得到具有較高的強度和韌性SiC流延膜素坯。

2 實驗過程

2.1 原材料

SiC粉體。選擇離子水作溶劑。分散劑的作用分為雙電層的靜電排斥作用和空間位阻效應。選擇四甲基氫氧化銨（TMAH，25%水溶液）作分散劑，它在漿料中，一方面可以改變漿料的離子種類和數量；另外，TMAH可以被SiC吸附形成聚合物層，使得粉體能夠有效的分散。聚乙烯醇PVA（15%水溶液）作粘劑劑，甘油作增塑劑，正丁醇作除泡劑，Surfynol SE-F作表面活性劑。

2.2 材料制備

將SiC粉料與TMAH、正丁醇在pH10水溶液中混合球磨5小時，使粉體充分分散，并使分散劑完全吸附在顆粒的表面。磨球的直徑為10mm。然后添加PVA、甘油、SE-F球磨3小時。混合的漿料在北京東方泰陽科技有限公司型號LYJ-150的流延機上進行流延。刀片的高度設置400μm，流延速度設置為40cm/min。

2.3 表征測試

采用英國馬爾文公司生產的Zeta電位分析儀（型號ZS90）對SiC的粒徑和Zeta電位表征。利用上海地學儀器研究所生產的SNB-2數字旋轉黏度計對漿料的黏度進行測試。

3 實驗結果及分析

利用粒度分析儀，分析了SiC顆粒的直徑。SiC顆粒大部分都分布在180～450nm之間，平均粒徑約300nm。通常SiC表面會有一層0.3～0.7nmSiO2[4]。在水溶液中，SiC表面的酸性基團Si-OH決定了SiC的表面電勢。圖1給出了在不同pH值的水溶液中SiC的表面Zeta電位。pH在7到11之間，Zeta電位值在-60到-70mV之間。為了獲得較大的粉體分散特性，流延過程中，調節去離子水的pH值為10。在此基礎上，添加分散劑TMAH，增加SiC顆粒的表面電勢，同時利用位阻效應，提高SiC顆粒分散性。

圖1 SiC表面Zeta電位隨pH值的變化

為了研究SiC的分散效果，研究了不同濃度分散劑下，SiC的沉降速度。沉降實驗采用固含量為33%的SiC水溶液，圖2給出了在不同濃度分散劑，SiC粉體懸著液高度隨時間的變化。可以看出，在前一小時，懸著液的高度都保持在原來高度的95%以內。但是經過5天之后，懸著液的高度都下降到原來的一半以下。說明通過添加TMAH可以增大SiC顆粒表面的靜電斥力，更好的分散SiC顆粒。當TMAH高于0.5%時，SiC漿料仍然能保持較好的剪切變稀特性，但隨著TMAH濃度的增加，漿料黏度也相應增加。因此后續試驗將采用TMAH的濃度為0.5%。

圖2 不同TMAH濃度下，33% SiC懸著液高度隨時間的變化

流延漿料的理想情況是具有最大的固含量。但是同時，為了得到質量較好的流延膜，要求漿料具有較好的流動性。因此，需要研究SiC的固含量對流延漿料流動性的影響。圖3給出了分散劑為0.5%時，SiC固含量對漿料的流變特性的影響。可以看出固含量在低于42%時，漿料均為假塑性流體，可用于流延。而且隨著固含量的增加，漿料的剪切應力也相應增加。為了提高素坯的致密度，后續試驗將采用固含量為42%的漿料流延。

圖3 不同 SiC的固含量對應漿料的流變特性

粘結劑在流延漿料中主要起到黏接陶瓷粉料顆粒，提高生坯強度。隨著粘結劑的量增加，生坯片的抗張強度也增加，應變損壞程度也會減小。本實驗采用質量分數為15%的PVA水溶液做粘結劑。圖4給出了對應不同PVA:SiC比例，SiC漿料的流變特性。可以看出在PVA:SiC低于0.08時，漿料表現出較好的剪切特性。但是PVA:SiC為0.08時，SiC漿料的黏度最大為5000mPa?s，不適合流延。因此PVA:SiC為0.07時。既能保證漿料具有較好的流動性，有可以最大限度提高SiC素坯的拉伸強度。

圖4 不同PVA:SiC比例對應SiC漿料的流變特性

為了確保粘結劑在室溫時具有好的流動性和成膜性，需要添加增塑劑降低粘結劑的最低成膜溫度[6-7]。不同增塑劑的比例，可能會對漿料的性能產生影響。本文還研究了增塑劑的比例對漿料黏度的影響。Plasticizer：Binder的值在1.3到1.6之間時，漿料的黏度值變化不大，在不同轉速下，粘度均在500～2500mPa?s范圍內變化。考慮素坯應具有一定強度，Plasticizer：Binder最佳比例選擇為1.5。

根據上述實驗選擇最佳配方，如表1所示。流延刮刀控制為400μm。流延速度為5cm/s。得到表面平整，具有一定強度的流延膜，如圖5所示。

表1 SiC流延漿料的最佳比例

圖5 流延漿料經過流延得到的流延膜

4 結語

本文SiC懸著液水溶液pH值為10， TMAH含量為0.5%時，SiC顆粒表面靜電斥力增強，漿料分散效果較好。SiC的固含量最大為42%時，流延漿料仍然具有較好的流動性。粘結劑PVA的濃度對漿料的黏度有較大影響，PVA：SiC比為7%時，可以保證流動性和素坯的強度。通過工藝優化，將42%SiC和0.5%TMAH、2.91%PVA、1%正丁醇、4.41%甘油、3%SE-F混合球磨得到了分散均勻的SiC漿料，流延速度為5cm/s，經過干燥得到的素坯表面平整韌性好，具有較高的抗拉強度。

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