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碳化硅粉体的制备及改性技术
碳化硅（SiC）是一种具有广泛应用前景的材料，具有高熔点、高硬度、高热导率、化学稳定性好等特点。
碳化硅粉体的制备及改性技术主要包括传统的化学法制备、物理法制备以及碳化硅的表面改性技术。
1.传统的化学法制备碳化硅粉体：
传统化学法包括共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等。
其中，共沉淀法是最常用的一种制备方法之一、该方法包括混合硅源和碳源，通过调节pH值和温度来控制反应过程，得到碳化硅粉体。
共沉淀法制备碳化硅粉体具有操作简便、成本较低等优点，但粒径分布较宽，控制难度较大。
2.物理法制备碳化硅粉体：
物理法包括等离子熔融法、化学气相沉积法等。
其中，等离子熔融法是一种常用的物理法制备碳化硅粉体的方法。
该方法通过在高温等离子体中熔融和冷凝制备碳化硅粉体。
等离子熔融法制备的碳化硅粉体晶粒度均匀，纯度高，但设备复杂，成本较高。
3.碳化硅的表面改性技术：
为了提高碳化硅粉体的分散性、抗聚集性，常采用表面改性技术。
常用的表面改性方法包括表面改性剂包覆、离子注入、化学气相沉积等。
其中，表面改性剂包覆法是较常用的改性技术，通过将表面改性剂包裹在碳化硅粉体颗粒表面，减少颗粒间的吸附力和静电作用力，改善颗粒的分散性。
化学气相沉积是一种在碳化硅颗粒表面沉积一层功能性薄膜来改性的方法，可以改善粉体的分散性和抗聚集性。
以上是碳化硅粉体的制备及改性技术的一些常见方法。
随着科学技术的不断进步，制备技术和改性技术也在不断完善和发展，未来有望实现更高效、可控性更强的制备和改性碳化硅粉体方法。
碳化硅反应烧结
碳化硅反应烧结
一、什么是碳化硅反应烧结？
碳化硅反应烧结（Carbon/Silicon Reaction Sintering）是指利用添加大量碳源或碳化剂的碳化硅反应前处理，将颗粒材料在真空及亚真空环境中高温热处理成块状固体物质的烧结方法。
它是一种全新的烧结过程，可以很好地解决陶瓷材料大尺寸因低烧结温度而产生结晶形式缺陷等问题。
二、碳化硅反应烧结的优点
（1）有效改进碳化硅材料的结晶形式，提高碳化硅材料的结晶度，可以有效提高材料的物理性能；
（2）由于采用的是真空烧结，可以有效降低烧结过程中产生气体的影响，减少因气体的堵塞等原因而引起的内部缺陷；
（3）由于温度可以调节，有效的控制了碳的形成，从而提高了烧结的速度与均质性，大大缩短了制备时间；
（4）可以有效降低烧结时引起的裂纹的产生，从而提高碳化硅材料的内部结构的性能。
三、碳化硅反应烧结的缺点
（1）由于需要化学反应，烧结过程中会出现冒黑烟，产生大量有毒有害的气体，破坏环境；
（2）由于热处理温度和时间的限制，由此产生的碳化硅材料对荷重的延伸能力有所限制，减少了部分碳化硅材料的性能；
（3）由于需要额外的化学反应，材料的成本会增加，影响经济效益。
硅酸盐学报· 409 ·2011年硅烷偶联剂对碳化硅粉体的表面改性铁生年，李星(青海大学非金属材料研究所，西宁 810016)摘要：采用KH-550硅烷偶联剂对SiC粉体表面进行改性，得到了改性最佳工艺参数，分析了表面改性对SiC浆料分散稳定性的影响。
结果表明：SiC微粉经硅烷偶联剂处理后没有改变原始SiC微粉的物相结构，只改变了其在水中的胶体性质；减少了微粉团聚现象。
与原始SiC微粉相比，改性SiC微粉表面特性发生了明显变化，Zeta电位绝对值提高，浆料的分散稳定性得到了明显改善。
关键词：碳化硅；表面改性；硅烷偶联剂；分散性中图分类号：TQ174 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)03–0409–05Surface Modification of SiC Powder with Silane Coupling AgentTIE Shengnian，LI Xing(Non-Metallic Materials Institute of Qinghai University, Xining 810016, China)Abstract: The surface characteristics of SiC powder were modified by a KH-550 silane coupling agent. The process parameters of the modification were optimized, and the effect of surface modification on the dispersion stability of SiC slurry was analyzed. The results show that the SiC powder modified by silane coupling agent can not change the original phase structure of SiC micro-powders but reduce the aggregation of SiC particles in the powders. Compared to the original SiC powder, the surface characteristics of the modi-fied SiC powder change significantly. Zeta potential of SiC increases, and the dispersion stability of SiC slurry is improved.Key words: silicon carbide; surface modification; silane coupling agent; dispersibility在半导体制造和煤气化工程领域，许多工程都在使用SiC陶瓷[1–2]。
精密成形工程第15卷第12期表面改性技术研究现状甘国强1，韩震2，鲍建华1，WOLFGANG Pantleon3（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009；2.中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波 315000；3.丹麦技术大学，哥本哈根 2800）摘要：SiC颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度、比刚度、耐磨性及较好的高温稳定性而被广泛应用于航空航天、电子、医疗等领域，但由于SiC颗粒高熔点、高硬度的特点以及SiC颗粒与铝基体间存在界面反应，碳化硅铝基复合材料存在加工性差、界面结合力不足等问题，已无法满足航天等领域对材料性能更高的要求，因此开展如何改善基体与颗粒之间界面情况的研究对进一步提升复合材料综合性能具有重要的科学意义。
结合国内外现有研究成果，总结了SiC颗粒与铝基体界面强化机制、界面反应特点、表面改性技术原理及数值建模的发展现状，结果表明，现有经单一表面改性方法处理后的增强颗粒对铝基复合材料性能的提升程度有限，因此如何采用新的手段使复合材料性能进一步提升将成为后续研究热点，且基于有限元数值模拟方法进行复合材料设计也是必然趋势。
最后针对单一强化性能提升有限的问题，提出了基于表面改性的柔性颗粒多模式强化方法，同时针对现有的技术难点展望了后续的研究方向，以期为颗粒增强复合材料的制备提供理论参考。
关键词：碳化硅颗粒；表面改性；复合材料；模拟；界面DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.12.008中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)012-0058-10Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon CarbideParticle Reinforced Aluminum Matrix CompositesGAN Guo-qiang1, HAN Zhen2, BAO Jian-hua1, WOLFGANG Pantleon3(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science, Zhejiang Ningbo 315000, China;3. Technical University of Denmark, Copenhagen 2800, Denmark)ABSTRACT: SiC particle reinforced aluminum matrix composites are widely used in aerospace, electronics, medical and other fields due to their excellent properties such as high specific strength, high specific stiffness, high wear resistance, and high tem-perature stability. However, due to the high melting point and high hardness of SiC particles, as well as the interface reaction between silicon carbide reinforced particles and aluminum matrix, SiC aluminum matrix composites have problems such as poor收稿日期：2023-09-03Received：2023-09-03基金项目：安徽省重点研究与开发计划（JZ2022AKKG0100）Fund：Anhui Provincial Key Research and Development Project (JZ2022AKKG0100)引文格式：甘国强, 韩震, 鲍建华, 等. 碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 58-67.GAN Guo-qiang, HAN Zhen, BAO Jian-hua, et al. Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon第15卷 第12期 甘国强，等：碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状59processability and insufficient interfacial adhesion. It is no longer possible to meet the requirements for material performance in fields such as national defense and aerospace. Therefore, studying the ways to improve the interface between particles and ma-trix is of great scientific significance for improving the comprehensive performance of composite materials. In combination with existing research results at home and abroad, the interface strengthening mechanism, interface reaction characteristics, existing surface modification technology principles and numerical simulation development status of SiC reinforced particles and alumi-num matrix composites were summarized. The results showed that the performance improvement of reinforced particle alumi-num matrix composites after strengthening was limited after being treated with a single surface modification method. Therefore, how to adopt new methods to improve the performance of composite materials will become a hot research topic in the future, and the design of composite materials based on finite element numerical simulation methods is also an inevitable trend. Finally, in response to the limited improvement of single strengthening performance, the author proposes a flexible particle multimodal strengthening method based on surface modification, and looks forward to future research directions in response to existing technical difficulties, hoping to provide theoretical reference for the preparation of particle reinforced composite materials. KEY WORDS: SiCp; surface modification; composite material; simulation; interface碳化硅颗粒增强铝基复合材料是以碳化硅颗粒（SiCp ）作为增强相，以铝或铝合金作为基体的一种复合材料，因具有密度和价格成本低、高温性能良好、耐腐蚀耐磨及比强度和比弹性模量高等特点，已成为热门的新型结构材料之一，现已广泛应用于航空航天、电子、汽车及体育等多个领域，如汽车刹车盘、发动机缸体活塞等结构件中。
第16卷 第9期2008年9月 光学精密工程 Optics and Precision Engineering Vol.16 No.9 Sep.2008 收稿日期:2007211222;修订日期:2008201203. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60478035)文章编号 10042924X (2008)0921603205反应烧结碳化硅表面改性的初步研究王彤彤1,2,高劲松1,王笑夷1,陈 红1,郑宣鸣1,范镝1,申振峰1,2(1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学技术研究中心,吉林长春130033;2中国科学院研究生院,北京100039)摘要:应用电子束蒸发硅,霍尔离子源电离甲烷,并辅助沉积的方法在反应烧结碳化硅(RB SiC )基底上沉积了碳化硅(SiC ∶H )改性薄膜。
X 射线衍射(XRD )测试表明制备的碳化硅改性薄膜为α相。
通过控制沉积速率,制备了硬度为9.781～13.087GPa ,弹性模量为89.344～123.413GPa 的碳化硅改性薄膜。
比较同样条件下镀制银膜的抛光良好微晶玻璃和经过精细抛光的改性RB SiC ,结果表明两者反射率相近;附着力实验表明,制备的薄膜和基底结合良好;在温度冲击实验下,制备的薄膜无龟裂和脱落。
关 键 词:薄膜制备;碳化硅薄膜;表面改性;离子辅助电离;硬度和弹性模量中图分类号:O484.1;TN304.055 文献标识码:APreliminary study of reaction bonded silicon carbide su rface modificationWAN G Tong 2tong 1,2,GAO Jin 2song 1,WAN G Xiao 2yi 1,CH EN Hong 1,ZH EN G Xuan 2ming 1,FAN Di 1,SH EN Zhen 2feng 1,2(1.O ptical Technolog y and Research Center ,Changchun I nstit ute of O ptics ,Fi ne Mechanicsand Physics ,Chi nese A cadem y of S ciences ,Chan gchun 130033,Chi na;2.Grad uate U ni versit y of Chi nese A cadem y of S ciences ,B ei j i n g 100039,Chi na )Abstract :SiC :H surface 2modified coatings were fabricated on Reaction Bonded Silicon Carbide (RB SiC )subst rates.Silicon was evaporated by E 2beam and met hane was ionized as reactive gas by End 2Hall ion source.X 2ray Diff raction (XRD )result s show t he fabricated film is αp hase ,it s hardness and elastic modulus are in t he range of 9.781～13.087GPa and 89.344～123.413GPa ,respectively.Af 2ter surface 2modification polishing and coating silver ,t he reflectance of modified RB SiC film is close to t hat of fine polished Zerodur glass coating wit h silver.Moreover ,t he fabricated coatings to t he sub 2strate show very good adhesion and no fall 2off and cracks in t hermal impact test f rom liquid nit rogen temperat ure to boiling water temperat ure for 5cycles.K ey w ords :t hin film fabrication ;silicon carbide t hin film ;surface modification ;ion assisted ionizing ;hardness and elastic modulus1 引 言 外太空未知领域和自身居住的地球一直是人类不停探索的对象,科技的迅猛进步使空间应用的望远镜和相机获得了空前的发展。
反射镜作为光学系统中的主要部件,在满足轻量化要求的同时,还要求反射镜材料具有可以在恶劣环境下长时间工作的物理特性,从而提出了低密度、高硬度、高弹性模量、高比刚度、低热膨胀系数、均匀线膨胀系数等极高的参数标准[122]。
经过多年的研究和发展,反应烧结碳化硅(Reaction Bonded Sil2 icon Carbide,RB SiC)因为其优异的物理、机械性能,可以直接制作出近净尺寸的反射镜基底和较低的花费等特点,成为近些年来各大公司和科学家们主要应用的空间望远镜和相机的反射镜基底材料。
不过因为RB SiC制备的工艺限制,除了碳化硅以外,还有一定比例的硅掺杂其中,导致了双金属性,因此需要对其进行表面改性来提高光学性能[325]。
通常的改性方法是采用物理汽相沉积硅或者化学汽相沉积β相碳化硅。
由于硅的物理性质要比RB SiC差,而且RB SiC基底中的碳化硅通常为α相,所以和β相碳化硅之间有较大的晶格常数差异,致使改性膜和基底之间的物理性质有较大不同。
因此如果能制备出和基底同为α相并具有相近性质的碳化硅改性膜是很有意义的。
通过离子源电离反应气体并辅助沉积的方法,本文已经成功地制备出Ge1-x C x薄膜[627],因此拟采用这种方法来制备碳化硅改性膜并进行研究。
2 实 验 霍尔离子源可以通过电离惰性气体,输出离子流密度均匀并具有较高能量的等离子体,而且霍尔离子源结构简单、工作稳定、易于维护,很适合用于长时间的连续镀膜工艺。
本实验基底采用国内生产的RB SiC和K9玻璃。
在镀膜之前,基底用去离子水,乙醇和石油醚分别进行10min的超声波清洗,采用拱形夹具固定。
在制备之前,基底通过烘烤加热到250℃并恒温1h。
在镀制薄膜之前,真空度抽至2×10-3Pa。
纯度为99.995%的硅被施加8kV高压的电子枪发射出的高能电子束加热蒸发。
同时在霍尔离子源通入纯度为99.999%的氩气作为工作气体,氩气在霍尔离子源中被电离,霍尔源中喷出的具有一定能量的氩离子和通入真空室中纯度为99.999%的甲烷气体分子发生碰撞。
作为反应气体的甲烷在和离子源输出的氩离子碰撞后,被电离,生成初始的反应物质。
电子枪蒸发的硅和电离的甲烷在烧结碳化硅基底表面上结合,形成碳化硅。
由于霍尔离子源的轰击作用,碳和硅在基底上的表面迁移率大大增加,提高了碳和硅结合的几率,进而提高了薄膜的整体性能。
薄膜的沉积厚度应用Telemark公司生产的MDC2 360C型晶体控制仪控制。
图1是制备改性碳化硅薄膜的工艺示意图。
图1 电子枪蒸发,霍尔离子源辅助制备碳化硅改性薄膜的工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of fabrication of SiC coat2 ing by E2beam evaporation with end2Hall ionsource assistance3 结果和讨论3.1 薄膜的晶体结构为了确定制备的碳化硅改性膜的晶体结构,应用日本Rigaku公司制造的XRD测试仪对同一制备条件不同沉积速率下的碳化硅改性薄膜的晶体结构进行了测试,图2是在沉积速率为0.3 nm/s下测试的结果。
通过XRD测试结果,确定制备的碳化硅改性薄膜为α相。
在图2中可以看出由于制备的碳化硅晶化并不完全,造成了衍射峰不是严格的对称,产生这种情况主要有两个原因。
其一是霍尔离子源输出的离子能量较低,甲烷被电离的程度4061 光学 精密工程 第16卷 图2 XRD 测试结果Fig.2 XRD test result不够完全,导致成膜的过程中含有一定量的H 原子;另一个原因就是烘烤的温度不够。
3.2 碳化硅薄膜的硬度和弹性模量图3是碳化硅改性膜成膜过程的示意图。
离化率的高低决定了作为反应气体的甲烷被电离的程度,这也影响着碳化硅改性膜的组成。
从图3可以看出,由于甲烷是正四面体结构,4个氢原子分布在4个顶点,在初始电离的情况下,每个H 原子的电离几率和第一电离能都是完全相同的。
大多数的甲烷分子在氩离子的碰撞下失去一个氢,影响,剩下的氢原子很难从碳原子上被完全电离。
随着这种难度的增大,含氢原子少的碳化硅组分逐渐减少。
因此制备的薄膜为含有一定量氢的碳化硅(SiC :H )改性膜。
图3 碳化硅改性膜成膜过程示意图Fig.3 Formation process of SiC :H coating formodification使用Nano Indenter XP 纳米压痕硬度仪测量了不同沉积速率下碳化硅改性膜的硬度和弹性模量,测量参数如下:压力为400μN ,行程为6mm ,运行时间为5min ,速度为1.2mm/min 。
图4是在不改变其他实验参数,改变沉积速率下测试的碳化硅改性膜的硬度和弹性模量值。
沉积速率变化在0.1～0.5nm/s 之间。
图4 不同沉积速率下的硬度和弹性模量Fig.4 Hardness and elastic modulus at differentdeposition rates从图4可以看出,随着沉积速率的增加,碳化硅改性膜的硬度和弹性模量都增加,但是当沉积速率达到0.3nm/s 时,硬度和弹性模量和0.4nm/s 的沉积速率相比并无明显变化,而继续提高沉积速率则硬度和弹性模量开始降低。
在以前制备Ge 1-x C x 薄膜时也观察到了类似的结果[8]。
由于碳和硅都属于第四主族,原子序数相差较小,可以形成稳定的化合物。
因此可以说在某一个沉积速率下碳和硅能生成具有固定化学计量比的化合物。
当沉积速率较低时,硅的含量较少,被电离的甲烷在基底表面相互之间成键的几率较高,除了C -Si 键之外,会有一定的C -C 键存在,也有一部分的C -H ,Si -Si 键存在,这种成键方式引入了杂质,降低了制备的薄膜的硬度,同时这种成键方式在薄膜中的不均匀性,也导致了不会获得很高的弹性模量。
