畢業(yè)論文—亞微米氮化硅粉體的分散性能研究

1、<p><b>　　北方民族大學(xué)</b></p><p><b>　　學(xué)士學(xué)位論文</b></p><p>　　論文題目:亞微米氮化硅粉體的分散性能研究 </p><p>　　院(部)名 稱: 材料科學(xué)與工程學(xué)院 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名:

2、 王越 </p><p>　　專 業(yè): 材料科學(xué)與工程 學(xué) 號(hào): 20062765 </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名: 韓鳳蘭 </p><p>　　論文提交時(shí)間: 2010年5月24日

3、 </p><p>　　論文答辯時(shí)間: 2010年5月29日 </p><p>　　學(xué)位授予時(shí)間: </p><p>　　北方民族大學(xué)教務(wù)處制</p><p><b>　　摘 要</b></p>&

4、lt;p>　　利用研磨機(jī)將氮化硅(Si3N4)粉體研磨至亞微米級(jí)，并分析研磨條件對(duì)Si3N4顆粒粒度的影響。為了解決亞微米Si3N4粉體的團(tuán)聚問(wèn)題，加入適量的六偏磷酸鈉(SHMP)、聚乙二醇（PEG：分子量為200）、四甲基氫氧化銨(TMAH)和聚甲基丙稀酸脂銨鹽水溶液(Darvan-c)為分散劑，通過(guò)沉降實(shí)驗(yàn)研究它們對(duì)亞微米Si3N4粉體分散性能的影響。同時(shí)也通過(guò)沉降實(shí)驗(yàn)，研究不同Si3N4粉體的加入量和pH值溶液對(duì)Si3N4漿

5、料分散性能的影響。 </p><p>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)磨介:加水量: Si3N4原始粉末=35：12：10，研磨時(shí)間設(shè)置為8h時(shí)，獲得的Si3N4粉體最細(xì)。從TMAH、SHMP、Darvan-c、PEG（分子量200）四種分散劑對(duì)亞微米Si3N4分散性能的曲線圖可以看出，分子量為200的PEG對(duì)Si3N4的分散起不到良好的效果， 而TMAH、SHMP和Darvan-c都有很強(qiáng)的抑制沉淀的作用，對(duì)亞微米Si3N

6、4的分散效果較好。SHMP的加入量在1%時(shí)出現(xiàn)最佳值，隨著加入量的逐漸增加，亞微米Si3N4的分散效果也逐漸變差。而對(duì)于Darvan-c這種分散劑在分散亞微米Si3N4時(shí)，在168 h內(nèi)0.4%的加入量分散效果最佳，而超過(guò)168 h后0.8%的分散效果明顯提高。比較三種分散劑，0.4%的Darvan-c對(duì)亞微米Si3N4的分散效果最好，1%的SHMP和0.8%的TMAH次之。 </p><p>　　固相體積比對(duì)亞

7、微米Si3N4粉體分散性能的影響具有一定的規(guī)律性，即隨Si3N4粉體加入量的增加，相對(duì)沉降高度(RSH：是指沉降層高度與渾濁液總高度之比)越來(lái)越大，亞微米Si3N4的分散效果逐漸變差。</p><p>　　在pH值對(duì)亞微米Si3N4粉體分散性能影響的實(shí)驗(yàn)中，在酸堿分界線處，Si3N4粉體的分散性能表現(xiàn)十分明顯，在酸性條件下分散性能非常差；在堿性條件下分散性能卻非常好，而且差距也不是很大。在堿性條件下，從RSH值可

8、見(jiàn)，分散性能在pH值為11時(shí)出現(xiàn)最佳效果。</p><p>　　Darvan-c分散過(guò)的亞微米Si3N4粉體的流動(dòng)時(shí)間最短，流動(dòng)性最好。pH為11的溶液（利用Hcl和NH3配比成）對(duì)亞微米Si3N4進(jìn)行分散后，粉體的流動(dòng)時(shí)間較Darvan-c分散過(guò)的Si3N4粉體流動(dòng)時(shí)間還要短，因此在沒(méi)有特殊規(guī)定下，也可用pH值為11的溶液分散亞微米Si3N4粉體。</p><p>　　從掃描電鏡圖可見(jiàn)，

9、0.4%的Darvan-c、0.8%的TMAH、1%的SHMP和pH值為11的溶液都能夠很好的分散Si3N4粉體，使其粒度變小，達(dá)到分散的良好效果，尤其是pH值為11的溶液和0.4%的Darvan-c對(duì)亞微米Si3N4的分散效果更佳。</p><p>　　關(guān)鍵詞：亞微米，氮化硅，分散性</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><

10、;p>　　Silicon nitride powder were grinded to submicron level by ball mill, the grinding conditions on the particle size of silicon nitride are analysist. Adding an appropriate amount of sodium hexametaphosphate, polyet

11、hylene glycol (molecular weight 200), poly methyl methacrylate ammonium, tetramethyl ammonium hydroxide and Darvan-c for the scattered agent to solve the sub-micron silicon nitride powder reunion, and using sedimentation

12、 experiment to study the dispersion. At the same time, the quantity </p><p>　　The experimental results show that when the grinding media ratio of 1:3.5, the amount of water was 1:1.2, grinding time was set t

13、o 8 hours, the silicon nitride powder ,the smallest silicon nitride powder. From tetramethyl ammonium hydroxide, sodium hexametaphosphate, Darvan-c, polyethylene glycol (molecular weight 200) of four dispersants on dispe

14、rsion properties of sub-micron silicon nitride curve can be seen that the polyethylene molecular weight of 200 diols on the dispersion of silicon nitri</p><p>　　Solid phase volume ratio on the sub-micron sil

15、icon nitride powders’ dispersion properties has a certain regularity, with the silicon nitride powder was added into ,the RSH values（Settlement Settlement was relatively high turbidity layer height and the ratio of the t

16、otal height of liquid）smaller and smaller and the curve slope increasing. It means that was sub-micron silicon nitride’s dispersion decreased . </p><p>　　The pH value have an effect on the dispersion of sub-

17、micron silicon nitride, the two boundaries in the pH, the silicon nitride powder dispersion performance was obviously different .In acidic conditions,  dispersion was very poor, but  in alkaline conditions

18、, the dispersion was very good, whose gap was not large, but in alkaline conditions, the dispersion properties was best between the pH value of 11.  </p><p>　　Darvan-c distributed over the silicon

19、nitride powder shortest flow, flow the best. solution of pH 11 were distributed on the sub-micron silicon nitride, the powder flow time than Darvan-c distributed over the silicon nitride powder flow time even shorter, s

20、o no special provisions, we can also be used for the pH 11 silicon nitride powder dispersed in solution. </p><p>　　From the scanning electron microscope shows that 0.4% of Darvan-c, 0.8% of tetramethyl ammon

21、ium hydroxide, 1% sodium hexametaphosphate solution and the pH value of 11 are able to disperse the softening of Silicon, so that smaller particle size, to spread the good effects, especially in pH 11 solution and 0.4% o

22、f the Darvan-c of the sub-micron silicon nitride of the dispersion effect better.</p><p>　　KWY WORDS: Sub-micron，Silicon nitride，dispersibility</p><p><b>　　目 錄</b></p><p&g

23、t;　　摘要………………………………………………………………………………… Ⅰ ABSTRACT ……………………………………………………………………… Ⅲ</p><p>　　第1章 前言 ………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 氮化硅的基本性質(zhì)………………………………………………………… 1</p><p>　

24、　1.2 氮化硅的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀………………………………………………… 1</p><p>　　1.3 氮化硅粉體的制備 ……………………………………………………… 4</p><p>　　1.4 實(shí)驗(yàn)的目的及意義 ……………………………………………………… 4</p><p>　　第2章 實(shí)驗(yàn) ……………………………………………………………………… 5<

25、;/p><p>　　2.1 原材料 ………………………………………………………………………5</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試劑…………………………………………………………… 5</p><p>　　2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程…………………………………………………………………… 6</p><p>　　2.3.1 沉降實(shí)驗(yàn)…………………………………

26、…………………………… 7</p><p>　　2.3.2 亞微米氮化硅粉體的松裝密度及流動(dòng)性的測(cè)定 …………………… 7</p><p>　　第3章 結(jié)果與討論 ………………………………………………………………9</p><p>　　3.1 研磨過(guò)程中加水量對(duì)亞微米氮化硅粉體粒徑的影響 ………………… 9</p><p>　　3.2

27、 研磨過(guò)程中球料比對(duì)亞微米氮化硅粉體粒徑的影響 ………………… 9</p><p>　　3.3 研磨過(guò)程中時(shí)間對(duì)亞微米氮化硅粉體粒徑的影響 …………………… 10</p><p>　　3.4 分散劑對(duì)亞微米氮化硅粉體分散性能的影響……………………………11</p><p>　　3.5 固相體積比對(duì)亞微米氮化硅粉體分散性能的影響 ……………………14</p&

28、gt;<p>　　3.6 pH值對(duì)亞微米氮化硅粉體分散性能的影響……………………………15</p><p>　　3.7 分散劑對(duì)亞微米氮化硅粉體流動(dòng)性的影響 ……………………………16</p><p>　　3.8 掃描電子顯微鏡結(jié)果分析 ………………………………………………17</p><p>　　第4章 結(jié)論……………………………………………

29、………………………… 20</p><p>　　致謝………………………………………………………………………………… 21</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 22</p><p>　　附錄 外文文獻(xiàn)及翻譯 …………………………………………………………… 23</p><p><b>

30、;　　第1章 前言</b></p><p>　　1.1 氮化硅的基本性質(zhì)</p><p>　　Si3N4粉末呈灰白色，由于具有金剛石型三維晶格結(jié)構(gòu)，所以具有高溫?zé)岱€(wěn)定性、抗熱震性、化學(xué)穩(wěn)定性和良好的電絕緣性。氮化硅熔點(diǎn)1900℃，相對(duì)密度3.2。在空氣中加熱到1450～1550℃仍穩(wěn)定，易溶于氫氟酸，不溶于冷、熱水及稀酸，對(duì)于濃硫酸和濃氫氧化鈉溶液作用也極緩慢。正是由于氮化硅

31、陶瓷具有如此優(yōu)異的特性，人們常常利用它來(lái)制造軸承、氣輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。Si3N4粉末作為工程陶瓷的原料，在工業(yè)上也具有廣泛用途，所制備的Si3N4陶瓷制品主要用于超高溫燃?xì)馔钙?，飛機(jī)引擎，透平葉片，熱交換器，電爐等。也可作耐熱涂層，用于火箭和原子能反應(yīng)堆[1]。</p><p>　　1.2 氮化硅的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　在過(guò)去的40年中，Si3N4

32、陶瓷從新材料發(fā)展為商業(yè)材料并有越來(lái)越多的應(yīng)用，刀具是最重要的市場(chǎng)。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上陶瓷刀具主要有兩大類：氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具。氧化鋁基陶瓷刀具發(fā)展比較早，經(jīng)過(guò)幾十年的性能改進(jìn)和提高，硬度、強(qiáng)度、抗彎性能等都得到了加強(qiáng)；氮化硅基陶瓷刀具則是新一代的陶瓷刀具，具有更強(qiáng)的耐磨性、紅硬性、斷裂韌性和抗熱沖擊性，但由于其加工鋼件時(shí)易擴(kuò)散或產(chǎn)生化學(xué)磨損，現(xiàn)在一般只用于鑄鐵件的粗加工。截至目前，中國(guó)從事陶瓷刀具的科研和生產(chǎn)企業(yè)已有30多家，能夠

33、生產(chǎn)20多個(gè)品種的氧化鋁基陶瓷，10多個(gè)品種的氮化硅基陶瓷，帶孔和不帶孔刀片的生產(chǎn)能力也很強(qiáng)[2]。</p><p>　　另外還有發(fā)動(dòng)機(jī)部件，滾珠軸承，金屬成型和制備裝置，以及燃?xì)鉁u輪機(jī)部件。關(guān)于不同領(lǐng)域的應(yīng)用及市場(chǎng)份額的大體概念可以從粉末消費(fèi)來(lái)獲得。Si3N4粉末總產(chǎn)品的三分之一被用于刀具，25%用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件，25%用于金屬制備和磨損零件，2%用于滾珠軸承，剩下的 10%用于研究。Si3N4陶瓷僅占先進(jìn)陶瓷材

34、料總市場(chǎng)的1%，但約占結(jié)構(gòu)陶瓷的5%。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)陶瓷中具有最快的成長(zhǎng)速度。發(fā)動(dòng)機(jī)中Si3N4陶瓷部件的使用限制看來(lái)比過(guò)去更加現(xiàn)實(shí)。絕熱全陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)還沒(méi)有像預(yù)期的一樣被實(shí)現(xiàn)，但是仍有不懈的努力來(lái)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。同樣，在日本從20世紀(jì)90年代初每年生產(chǎn)至少30萬(wàn)臺(tái)渦輪增壓器，但并沒(méi)有帶來(lái)在客車中的大量應(yīng)用。開發(fā)不同發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作還在進(jìn)行中。噴油器連桿，測(cè)量球，制動(dòng)塊和燃料泵滾軸被用于卡車的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)并且多年來(lái)已經(jīng)有每個(gè)月幾千件的生產(chǎn)。同

35、樣在最新開發(fā)的高壓普通線路噴射泵系統(tǒng)中，也采用Si3N4陶瓷制成的閥門來(lái)減少磨損。生產(chǎn)成本是Si3N4陶瓷應(yīng)用中一個(gè)主要問(wèn)題。小批量生產(chǎn)與規(guī)模生產(chǎn)的材料相比要更昂貴。這一方面關(guān)系到原料的高成本，另一方面關(guān)系到生產(chǎn)技術(shù)。在最近幾年，生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)取得充分的改進(jìn)，并且顯示</p><p>　　Si3N4陶瓷的高可靠性被航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)泵中的混合軸承以及分級(jí)輔助供電單元中的不同部件所證明。使Si3N4陶瓷應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪部

36、件還正在開發(fā)中。那些部件最早的成功測(cè)試已經(jīng)在1350℃的渦輪入口溫度被進(jìn)行。渦輪效率的進(jìn)一步改進(jìn)要求更高的渦輪入口溫度，為了這一點(diǎn)，附加涂層是必需的。Si3N4 薄膜和涂層在電子學(xué)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。通過(guò)等離子增加化學(xué)氣相沉積制備的Si3N4涂層被越來(lái)越多地用于硅光電池中作為保護(hù)抗反射層。低成本Si3N4粉末和先進(jìn)制備技術(shù)促進(jìn)了具有800MPa彎曲強(qiáng)度的材料，生產(chǎn)以用于整體加熱的烹飪平板。這些平板式是烹飪系統(tǒng)的主要部件，并能夠使得烹飪

37、過(guò)程的自動(dòng)化。Si3N4陶瓷的一個(gè)重要應(yīng)用是作為發(fā)泡劑來(lái)生產(chǎn)熱絕緣玻璃泡沫，可用于微電子設(shè)備和防火無(wú)纖維絕緣建筑材料。低品級(jí)Si3N4粉末被用于鋼鐵工業(yè)增加金屬氮含量。在重量上最大數(shù)量的Si3N4被應(yīng)用氮化硅結(jié)和碳化硅耐火材料，每年的生產(chǎn)量為2萬(wàn)噸。</p><p>　　氮化硅陶瓷刀片主要應(yīng)用在加工鑄鐵、淬硬鋼和高溫合金，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域分別是汽車和飛機(jī)制造。據(jù)統(tǒng)計(jì)，21世紀(jì)民航和汽車發(fā)展最快在亞洲，亞洲發(fā)展首推中

38、國(guó)，1996—2015年我國(guó)民航客運(yùn)周轉(zhuǎn)量年均增長(zhǎng)率估計(jì)要達(dá)11.5%，到2015年中國(guó)民航機(jī)隊(duì)規(guī)模將達(dá)2057架飛機(jī)。而家用小汽車的發(fā)展更加迅猛。除向國(guó)外部分購(gòu)置外，主要依賴國(guó)產(chǎn)。因此，僅陶瓷刀片一項(xiàng)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)就有巨大的潛在市場(chǎng)。另外，氮化硅粉末的其他市場(chǎng)還在逐年遞增，以其作為制造發(fā)動(dòng)機(jī)、陶瓷軸承、陶瓷柱塞、陶瓷噴嘴、陶瓷球閥、高溫密封閥、陶瓷磨球、陶瓷鉆削工具的材料是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。由此帶來(lái)節(jié)能、體積小、適應(yīng)性能強(qiáng)等諸多益處。據(jù)統(tǒng)計(jì)

39、，現(xiàn)在每年有30萬(wàn)個(gè)氮化硅渦輪轉(zhuǎn)子被生產(chǎn)并用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，而且隨氮化硅粉末價(jià)格的越來(lái)越低，其市場(chǎng)需求遞增的速度越來(lái)越快?？梢灶A(yù)見(jiàn)，本領(lǐng)域研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將使氮化硅粉末的價(jià)格降低至少10倍。同時(shí)，伴隨無(wú)壓燒結(jié)制備技術(shù)的發(fā)展，氮化硅基材料成本將大幅度降低。這意味著氮化硅潛在的市場(chǎng)將很快地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的、充滿勃勃生機(jī)的市場(chǎng)，從而創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益[4]。目前Si3N4基陶瓷只作為新材料的應(yīng)用還處于開發(fā)階段，市場(chǎng)潛力很大，</p>

40、<p>　　亞微米Si3N4粉體的主要用途為：1)制造結(jié)構(gòu)器件：如冶金、化工、機(jī)械、航空、航天及能源等行業(yè)中使用的滾動(dòng)軸承的滾珠和滾子、滑動(dòng)軸承、套、閥以及有耐磨、耐高溫、耐腐蝕要求的結(jié)構(gòu)器件。2)金屬及其它材料表面處理：如模具、切削刀具、汽輪機(jī)葉片、渦輪轉(zhuǎn)子以及汽缸內(nèi)壁涂層等。3)復(fù)合材料：如金屬、陶瓷及石墨基復(fù)合材料，橡膠、塑膠、涂料、膠粘劑及其它高分子基復(fù)合材料。進(jìn)入新世紀(jì)的信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了亞微

41、米粉體技術(shù)研究?jī)?nèi)容的深入和研究水平的提高。Si3N4作為一種新型高溫陶瓷材料，其本身具有一定的脆性。在制備收集的過(guò)程中如果分散性能不好，直接與基體粉料混合，就會(huì)使制備的材料不具備高性能。因此，如何保證將亞微米Si3N4均勻的分散與基體材料中，提高粒子分散能力是材料制備過(guò)程要解決的重要問(wèn)題[3]。</p><p>　　1.3 氮化硅粉體的制備</p><p>　　Si3N4超細(xì)粉的制備，主

42、要有下列幾種方法：硅粉氮化法、碳熱還原法、氣相合成法、液相界面法和自蔓延合成法等[4][5]。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用燃燒合成法制備的超細(xì)Si3N4（寧夏鑫鴻祥有限公司， D50=2.51μm）。燃燒合成技術(shù)是指對(duì)高放熱的化學(xué)反應(yīng)體系通過(guò)外界提供一定的能量誘發(fā)其局部發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)，形成燃燒反應(yīng)前沿，然后利用反應(yīng)自身放出的熱量使燃燒波在放映體中不斷地自發(fā)向前擴(kuò)展，直至反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，從而在很短的時(shí)間

43、內(nèi)合成所需要的材料的過(guò)程。燃燒合成這一材料制備新技術(shù)具有合成溫度高、加熱速度快、工藝周期短、節(jié)約能源等特點(diǎn)，而成為低價(jià)制備技術(shù)的代表性方法之一[4]。</p><p>　　1.4 實(shí)驗(yàn)的目的及意義</p><p>　　亞微米Si3N4粉體是制備高性能陶瓷制品的主要原材料，用該粉料制成的陶瓷材料具有韌性好、硬度高、耐磨擦、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，且價(jià)格低廉。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)微米、亞微米Si3

44、N4粉體廠家大都未能大規(guī)模生產(chǎn)，市場(chǎng)供不應(yīng)求，主要依靠進(jìn)口。</p><p>　　亞微米Si3N4在制備收集的過(guò)程中如果分散效果不好, 就會(huì)導(dǎo)致用其制備的陶瓷材料性能較差，因此，如何保證亞微米Si3N4均勻的分散，是材料制備中要解決的重要問(wèn)題。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)分析了不同分散劑，不同的粉體加入量以及不同的pH值溶液下亞微米Si3N4粉體的分散性能，采用沉降的方法，用RSH與時(shí)間的

45、變化趨勢(shì)反映粉體在分散劑中的分散性能的好壞，找出適合亞微米Si3N4粉料的分散劑及分散劑</p><p>　　的用量和使用方法，使得亞微米Si3N4粉體材料應(yīng)用更加廣泛。</p><p><b>　　第2章 實(shí)驗(yàn)</b></p><p><b>　　2.1 原材料</b></p><p>　　本實(shí)

46、驗(yàn)采用的超細(xì)Si3N4粉料（寧夏鑫鴻祥有限公司，D50=2.51μm），經(jīng)過(guò)超細(xì)研磨后使粒度達(dá)到亞微米級(jí)（D50=0.856μm）。</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試劑</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備如表2-1所示。</p><p><b>　　表2-1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)所用試劑為

47、TMAH(上?？曝S化學(xué)試劑有限公司)，SHMP(天津市鳳船化學(xué)試劑科技有限公司)，Darvan-c（美國(guó)R.T.Vanderbitt公司），PEG（分子量200），HCl，NH3·H2O。</p><p><b>　　2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)將微米級(jí)的原始粉料置入研磨罐中，加入適量的蒸餾水和氮化硅陶瓷磨球(D=3mm，d=2.5m

48、m，大小球比例為1:1)用確定的轉(zhuǎn)速，研磨一定的時(shí)間得到亞微米級(jí)Si3N4超細(xì)粉，并用激光粒度分析儀測(cè)量所獲得的Si3N4粉末的粒度，經(jīng)檢測(cè)量合格的亞微米Si3N4粉體用沉降實(shí)驗(yàn)來(lái)表征該粉體的分散性，具體亞微米超細(xì)Si3N4粉體制備工藝流程如圖2-1所示[5]。</p><p>　　圖2-1 亞微米氮化硅的制備工藝路線</p><p>　　2.3.1 沉降實(shí)驗(yàn)</p><

49、;p>　　分散性主要是指固體粒子的絮凝團(tuán)或液滴，在水或其他均勻液體介質(zhì)中，能分散為細(xì)小粒子懸浮于分散介質(zhì)中而不沉淀的性能。大量文獻(xiàn)[6][7][8][9][10] [11][12][13]表明,亞微米Si3N4粉末在液相中的分散性能主要通過(guò)沉降實(shí)驗(yàn)來(lái)表征。</p><p>　　加入50ml的蒸餾水、適量分散劑與比色管中，并在每只比色管中加入質(zhì)量比為20%(即10g）的亞微米級(jí)Si3N4粉體混成泥漿，搖晃均勻

50、，經(jīng)超聲振蕩30min，靜置。每隔3h、6h、12h、24h以后均隔24h記錄一次沉淀層的高度和懸濁液的總高度。不同分散劑的加入量如表2-2所示。</p><p>　　表2-2 分散劑的種類及用量</p><p>　　固相體積比對(duì)亞微米Si3N4粉體的分散性能也存在一定程度的影響，通過(guò)沉降實(shí)驗(yàn)可以總結(jié)其影響規(guī)律。在比色管中加入50ml蒸餾水，其中分散劑選擇Darvan-c，加入量為0.4%

51、，分別加入質(zhì)量比為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%的亞微米Si3N4粉末。</p><p>　　通過(guò)沉降實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同pH值的溶液下Si3N4粉體的分散性能[14]。在各比色管中加入20%(即10g)的亞微米Si3N4粉，用稀鹽酸和氨水調(diào)節(jié)pH值分別為2、4、6、8、10、11、12、13、14的溶液50ml，分別加入到比色管中。

52、</p><p>　　2.3.2 亞微米氮化硅粉體的松裝密度及流動(dòng)性測(cè)定</p><p>　　在以0.8%的TMAH、1%的SHMP、0.4%的Darvan-c為分散劑的實(shí)驗(yàn)中，三種分散劑對(duì)亞微米Si3N4的分散效果都很好， pH值為11的溶液對(duì)Si3N4的分散效果更好，因此，再次測(cè)量上述三種分散劑和pH值為11的溶液分散下的亞微米Si3N4粉體的流動(dòng)性，以確定其流動(dòng)速度[15]。<

53、/p><p>　　各取30g用0.8%的TMAH、1%的SHMP、0.4%的Darvan-c和pH值為11的溶液分散好的亞微米氮化硅漿料，將其干燥后過(guò)100目篩，進(jìn)行流動(dòng)性測(cè)定。</p><p>　　其中：松裝密度=（毛重-杯重）/25 杯重 = 116.63g</p><p>　　第3章 結(jié)果與討論</p><p>　　3.1 研

54、磨過(guò)程中加水量對(duì)亞微米氮化硅粉體粒徑的影響</p><p>　　使用Si3N4原粉100g，磨介300g，時(shí)間設(shè)置為8h，保持其他參數(shù)不變。蒸餾水與原料之比采用質(zhì)量比，分別為0.5:1、0.7:1、0.8:1、0.9:1、1:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1。加水量對(duì)Si3N4粉體粒徑的影響見(jiàn)圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 加水量對(duì)亞微米氮化硅粉體粒徑的影響

55、</p><p>　　由圖3-1可見(jiàn)，加水量與原料之比采用1.2:1時(shí)，研磨效果最佳，Si3N4粉體的粒徑最小。</p><p>　　3.2 研磨過(guò)程中球料比對(duì)亞微米氮化硅粉體粒徑的影響</p><p>　　將100g Si3N4原粉，120ml蒸餾水加到研磨罐中，研磨時(shí)間均為8h，保持其他條件不變。分別加入質(zhì)量比為1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、

56、1:3.5的磨球。</p><p>　　球料比對(duì)Si3N4粉體粒徑的影響見(jiàn)圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 球料比對(duì)氮化硅粉體粒徑的影響</p><p>　　由圖3-2可見(jiàn)， Si3N4原粉與磨球之比采用1:3.5時(shí)，研磨效果最佳，Si3N4粉體的粒徑最小，但曲線還有下降的趨勢(shì)。</p><p>　　研磨過(guò)程中時(shí)間對(duì)亞微米氮化硅

57、粉體粒徑的影響</p><p>　　將Si3N4原始粉末100g，蒸餾水120ml，磨介300g加入到研磨容器中。保持其他參數(shù)不變，研磨時(shí)間分別設(shè)置為0.5 h、1h、2h、3h、4h、8h、10h、12h、14 h，檢測(cè)Si3N4的粒度變化情況。研磨時(shí)間對(duì)Si3N4粉體粒徑的影響見(jiàn)圖3-3所示</p><p>　　圖3-3 研磨時(shí)間對(duì)氮化硅粉體粒徑的影響</p><p

58、>　　由圖3-3可見(jiàn)， 8 h時(shí)研磨效果較好，隨時(shí)間延長(zhǎng)到10 h—12 h時(shí)，Si3N4粒度再次出現(xiàn)增大趨勢(shì)，后又逐漸減小，所以為了節(jié)省時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們?cè)O(shè)置研磨時(shí)間為8 h。</p><p>　　3.4 分散劑對(duì)亞微米氮化硅粉體分散性能的影響</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)利用不同分散劑的不同加入量，分析其對(duì)亞微米Si3N4粉體分散性能的影響，具體結(jié)果如圖3-4、3-5、3-6

59、、3-7所示</p><p>　　圖3-4 分散劑TMAH對(duì)亞微米Si3N4粉體分散后的沉降曲線</p><p>　　圖3-5 分散劑SHMP對(duì)亞微米Si3N4粉體分散后的沉降曲線</p><p>　　圖3-6 分散劑Darvan-c對(duì)亞微米Si3N4粉體分散后的沉降曲線</p><p>　　圖3-7 PEG（分子量200）對(duì)亞微米S

60、i3N4粉體分散后的沉降曲線</p><p>　　在圖3-4（注：曲線1分散劑加入量為0.2%，曲線2為0.4%，曲線3為0.6%，曲線4為0.8%，曲線5為1%，曲線6為1.5%，曲線7為2%，曲線8為2.5%，曲線9為3%）以TMAH為分散劑的亞微米Si3N4粉體的沉降實(shí)驗(yàn)中，曲線1出現(xiàn)清夜的時(shí)間在48h左右，曲線2、6、7、8、9出現(xiàn)清夜的時(shí)間在96h左右，而曲線3、4出現(xiàn)清夜的時(shí)間在144 h左右。曲線1

61、和曲線2在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變化比較大，曲線1在24 h前急劇下降，后又相對(duì)急劇上升，該溶液出現(xiàn)清夜的時(shí)間比較早，24 h后曲線坡度以及RSH值都較大，因此可知TMAH的加入量在0.2%時(shí)的分散效果較差。曲線2在24 h前急劇上升，后又緩慢上升，結(jié)合曲線2中RSH值以及清夜出現(xiàn)的時(shí)間說(shuō)明，TMAH加入量在0.4%時(shí)相對(duì)與加入量為0.2%時(shí)分散性能有明顯提高。由曲線3—9可見(jiàn)，曲線4的RSH值相對(duì)最小，而且隨著TMAH加入量的增加，RSH值明顯增

62、大，因此TMAH對(duì)亞微米氮化硅粉體的分散性能在0.8%時(shí)出現(xiàn)最佳值，即亞微米Si3N4的分散效果最好。</p><p>　　在圖3-5（注：曲線1分散劑加入量為0.5%，曲線2為1%，曲線3為1.5%，曲線4為2%，曲線5為2.5%）以SHMP為分散劑的亞微米Si3N4粉體的沉降實(shí)驗(yàn)中，曲線1、2、3、4、5出現(xiàn)清夜的時(shí)間在168 h左右。由圖3-5和清夜出現(xiàn)時(shí)間分析可以看出，曲線1和曲線2在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變化比較舒

63、緩，其中曲線2的RSH值較曲線1還要小，而曲線3、4、5則變化比較明顯，并且曲線3、4并不穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，SHMP的加入量在1%時(shí)出現(xiàn)最佳值，隨著SHMP的加入量逐漸增加，亞微米Si3N4的分散效果也逐漸變差。 </p><p>　　在圖3-6（注：曲線1分散劑加入量為0.2%，曲線2為0.4%，曲線3為0.6%，曲線4為0.8%，曲線5為1%，曲線6為1.5%，曲線7為2%，曲線8為2.5%，曲線9為3%）以D

64、arvan-c為分散劑的亞微米Si3N4粉體的沉降實(shí)驗(yàn)中，曲線1—4出現(xiàn)清夜的時(shí)間在 168 h左右，而曲線5—9出現(xiàn)清夜的時(shí)間在72 h左右。由圖3-6和清夜出現(xiàn)時(shí)間分析可以看出，曲線2在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變化比較大，穩(wěn)定性不好，并隨其趨勢(shì)發(fā)展可見(jiàn)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，曲線2的RSH值還將急劇上升，隨著曲線2的上升趨勢(shì)，RSH值將明顯上升，而曲線1、3、4的舒緩程度相差不大，但曲線4的RSH值最小。綜上認(rèn)為在168 h內(nèi)曲線2的分散效果最佳，而超過(guò)

65、168 h后曲線4的分散效果將會(huì)明顯提高。 </p><p>　　在圖3-7（注：組1分散劑加入量為0.3%，組2為0.5%，組3為0.7%）以PEG（分子量為200）為分散劑的亞微米Si3N4粉體的沉降實(shí)驗(yàn)中，曲線1完全沉淀的時(shí)間在24 h左右。曲線2、3出現(xiàn)清夜的時(shí)間在24 h左右，并都迅速沉淀，48 h左右就達(dá)到完全沉淀。而且在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)比色管中出現(xiàn)泡沫。由圖3-7和清夜出現(xiàn)時(shí)間分析可以看出，曲線1、2、3

66、在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變化都比較接近，但其RSH值都比較大，并且出現(xiàn)清夜時(shí)間都比較短，所以對(duì)于亞微米Si3N4，分子量為200的PEG不是很好的分散劑，故在選擇亞微米Si3N4粉體的分散劑時(shí)，盡量不要選擇分子量為200的PEG。</p><p>　　在以TMAH，SHMP，Darvan-c為分散劑的實(shí)驗(yàn)中，選擇每種分散劑的最佳用量進(jìn)行對(duì)比如下：</p><p>　　曲線1 0.8%的TMAH<

67、;/p><p>　　曲線2 1%的SHMP</p><p>　　曲線3 0.4%的Darvan-c</p><p>　　圖3-8 TMAH，SHMP，Darvan-c三種分散劑的最佳用量比較示意圖</p><p>　　從圖3-8可見(jiàn)，0.8%的TMAH，1%的SHMP，0.4%的Darvan-c對(duì)亞</p><p>

68、　　微米Si3N4分散性能的RSH曲線很接近，但是0.4%的Darvan-c RSH值最小，其次為1%的SHMP和0.8%的TMAH，因此就以上三種分散劑而言，0.4%的Darvan-c 對(duì)亞微米Si3N4的分散性能最好，1%的SHMP和0.8%的TMAH次之。但RSH值都比較小，因此總體對(duì)亞微米氮化硅的分散效果都比較好。</p><p>　　3.5 固相體積比對(duì)亞微米氮化硅粉體分散性能的影響</p>

69、;<p>　　不同固相體積比下亞微米Si3N4粉體的沉降曲線如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 不同固相體積比下亞微米Si3N4粉體的沉降曲線</p><p>　　曲線1、2出現(xiàn)清夜的時(shí)間在120 h左右，而曲線3—13的清夜出現(xiàn)時(shí)間在168 h左右。對(duì)于固相體積比為75%和80%的Si3N4漿液在比色管中始終是模糊狀態(tài)，看不清具體的沉降高度，可能是由于粉末加入量

70、太多，使得氮化硅漿液過(guò)于飽和。</p><p>　　由圖3-9可見(jiàn)，固相體積比對(duì)亞微米Si3N4粉體分散性能的影響具有一定的規(guī)律性，隨亞微米Si3N4粉體加入量的增加，RSH值越來(lái)越大，并且曲線的坡度越來(lái)越大，即亞微米氮化硅的分散效果逐漸下降。所以在分散氮化硅粉體時(shí)，為了使其充分分散，可盡量減小氮化硅的固相體積比。固相體積大到一定極限時(shí)，將嚴(yán)重影響亞微米Si3N4粉體的分散效果。</p><p

71、>　　3.6 pH值對(duì)亞微米氮化硅粉體分散性能的影響</p><p>　　不同的pH值下亞微米Si3N4粉體的沉降曲線如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 不同pH值下亞微米Si3N4粉體的沉降曲線</p><p>　　pH值為2、4、6、8時(shí)，3h左右出現(xiàn)清液層，24 h以后達(dá)到完全沉淀，而pH值為10時(shí)，120 h左右出現(xiàn)清液層，pH值為1

72、1、12、13、14時(shí)，144 h左右出現(xiàn)清液層。由圖3-10可見(jiàn)，在酸性條件下，亞微米Si3N4漿液的RSH曲線坡度較大，并且RSH值相對(duì)較大，完全沉淀的時(shí)間也很快。因此，Si3N4粉體在堿性條件下的分散效果比較好，尤其在pH值為11時(shí)分散效果出現(xiàn)最佳狀態(tài)。</p><p>　　3.7 分散劑對(duì)亞微米氮化硅粉體流動(dòng)性的影響</p><p>　　表3-1 不同分散劑和pH值為11的溶液

73、對(duì)亞微米Si3N4粉體的流動(dòng)性和松裝密度影響</p><p>　　由表3-1可見(jiàn)，Darvan-c（0.4%）分散過(guò)的亞微米Si3N4粉體的流動(dòng)時(shí)間最短，流動(dòng)性最好。SMHP（1%）和TMAH（0.8%）分散過(guò)的亞微米Si3N4粉體的流動(dòng)時(shí)間稍長(zhǎng)，流動(dòng)性次之。pH為11的溶液對(duì)亞微米Si3N4進(jìn)行分散后，粉體的流動(dòng)時(shí)間較Darvan-c（0.4%）分散過(guò)的Si3N4粉體流動(dòng)時(shí)間還要短，因此在沒(méi)有特殊規(guī)定下，我們也

74、可用pH為11的溶液分散氮化硅粉體。粉末松裝密度是指粉末在規(guī)定條件下自由充滿標(biāo)準(zhǔn)容器后所測(cè)得的堆積密度，即粉末松散填裝時(shí)單位體積的質(zhì)量，以g／cm3表示，是粉末的一種工藝性能 ，影響粉末松裝密度的因素很多，如粉末顆粒形狀、尺寸、表面粗糙度及粒度分布等。</p><p>　　3.8 掃描電子顯微鏡結(jié)果分析</p><p>　　利用掃描電子顯微鏡觀察經(jīng)0.8%的TMAH、1%的SHMP、0.4

75、%的Darvan-c和pH值為11的溶液分別處理過(guò)的亞微米氮化硅粉體[16][17]。其圖象如圖3-11、3-12、3-13、3-14、3-15所示。</p><p>　　3-11 未經(jīng)任何處理的亞微米Si3N4的SEM</p><p>　　3-12 TMAH (0.8%)分散的的SEM</p><p>　　3-13 SMHP(1%)分散的亞微米Si3N4的SE

76、M</p><p>　　3-14 Darvan-c（0.4%）分散的亞微米Si3N4的SEM</p><p>　　3-15 pH值為11的溶液分散的亞微米Si3N4的SEM</p><p>　　圖3-11—圖3-15的SEM圖象均放大5000倍，比例尺寸采用2μm。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)處理的粉體的粒度都很小，而且都已經(jīng)達(dá)到亞微米級(jí)，但是經(jīng)0.4%的Darvan-c處

77、理的Si3N4粉體比0.8%的TMAH和1%的SMHP處理的Si3N4粉體分散的效果要好些，0.8%的TMAH和1%的SMHP分散的Si3N4粉體還有些顆粒發(fā)生了團(tuán)聚，而pH值為11的溶液處理的Si3N4粉體的分散效果比0.4%的Darvan-c處理后的分散效果還要好。因此我們認(rèn)為，0.4%的Darvan-c、0.8%的TMAH、1%的SMHP和pH值為11的溶液都能夠很好的分散亞微米Si3N4粉體，尤其是pH值為11的溶液和0.4%的

78、Darvan-c對(duì)亞微米Si3N4的的分散效果更佳。</p><p><b>　　第4章 結(jié)論</b></p><p>　　1. 在研磨實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)磨介:加水量: Si3N4原粉=35：12：10，研磨時(shí)間設(shè)置為8h時(shí)，所獲得的Si3N4粉體的粒度最小。</p><p>　　2. 在分散性能實(shí)驗(yàn)中，①分子量為200的PEG對(duì)氮化硅的分散起不到良

79、好的效果，48小時(shí)左右就已達(dá)到完全沉淀。②TMAH對(duì)亞微米Si3N4粉體的分散性能在0.8%時(shí)效果最好。③SHMP的加入量在1%時(shí)出現(xiàn)最佳值，隨著SHMP的加入量逐漸增加，亞微米Si3N4的分散效果逐漸變差。④Darvan-c分散亞微米Si3N4時(shí)在168h內(nèi)0.4%的加入量分散效果最佳，而超過(guò)168h后0.8%加入量的分散效果明顯提高。⑤在這四中分散劑中，0.4%的Darvan-c 對(duì)亞微米Si3N4的分散效果最好，1%的SHMP和0

80、.8%的TMAH次之，分子量為200的PEG效果最差。 </p><p>　　3. 固相體積比對(duì)應(yīng)亞微米Si3N4粉體分散性能的影響是，隨亞微米Si3N4粉體加入量的增加分散效果逐漸變差。</p><p>　　4. 在不同pH值溶液對(duì)應(yīng)亞微米Si3N4粉體的分散性能實(shí)驗(yàn)中，酸性條件下亞微米Si3N4粉體的分散性能非常差，堿性條件下分散性能卻非常好。尤其在pH值為11時(shí)亞微米Si3N4

81、粉體分散效果出現(xiàn)最佳狀態(tài)。</p><p>　　5. 通過(guò)流動(dòng)性測(cè)試和掃描電鏡觀察可見(jiàn)，0.8%的TMAH、1%的SHMP能夠很好的分散亞微米Si3N4粉體，但pH值為11的溶液和0.4%的Darvan-c對(duì)亞微米Si3N4粉體的分散效果更好。 </p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　時(shí)光如流水，不知不覺(jué)中我已在北方民

82、族大學(xué)度過(guò)了美好的四年大學(xué)時(shí)光。期間，在老師和同學(xué)們的關(guān)懷和幫助下，我豐富了知識(shí)、擴(kuò)大了視野、提高了能力，為今后的學(xué)習(xí)與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成，并非我一人之功勞，是所有指導(dǎo)過(guò)我的老師，尤其感謝吳瀾爾吳院長(zhǎng)陸有軍陸老師和胡老師等的細(xì)心指導(dǎo)，還有幫助過(guò)我的同學(xué)和一直關(guān)心支持著我的家人對(duì)我的教誨和鼓勵(lì)的結(jié)果。 我要在這里對(duì)他們表示深深的謝意！</p><p

83、>　　在此我要特別的感謝我的畢業(yè)指導(dǎo)教師韓鳳蘭韓老師。感謝她給予我畢業(yè)設(shè)計(jì)上的細(xì)心教導(dǎo)和無(wú)私教誨。</p><p>　　感謝身邊所有的朋友與同學(xué)，謝謝你們四年來(lái)的關(guān)照與寬容，與你們一起走過(guò)的美好時(shí)光，將會(huì)是我一生最珍貴的回憶。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]陳波.氮化硅基陶瓷制品的生產(chǎn)工藝與應(yīng)用前

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90、備材料的顯微結(jié)構(gòu)[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),1995,10(5):545~549.</p><p>　　附錄 外文文獻(xiàn)及翻譯</p><p>　　Study on Surface Modification of Nano- Si3N4</p><p>　　Abstract: Nano- Si3N4 was modified by PEG1000 as surface

91、modifier in this study. The nano- Si3N4 dispersibility in acetone was characterized by the volume of suspending layer and TEM. The modifying effect was characterized by FTIR, TEM analysis and specifie area measurement .

92、 The results indicated that interaction between Si3N4 and PEG had occurred and the best dispersing effect could be obtained when the ratio of PEG to Si3N4 was 5 wt %.</p><p>　　Key words: nano- Si3N4; poly

93、ethylene glycol ; surface modification; dispersibility; stability.</p><p>　　Nano-particle size is small, the surface is greater, so prone to agglomeration, influence its uniformly dispersed in the polymer, r

94、esulting in worse performance of composite materials. In order to increase the nano particles and polymer bond strength, improve the ability of nano-particle dispersion, the need for surface modification of nanoparticles

95、 to reduce the surface energy states of particles, eliminating the surface charge of particles to enhance the affinity particles and organic phase, r</p><p>　　1 Experimental section</p><p>　　1.

96、1 Experimental instruments and reagents</p><p>　　High Shear Dispersing Emulsifier (Mechanical & Electrical Equipment Co., Ltd. Shanghai Brook); 78H - 1 type temperature magnetic stirrer (Jiangsu Jintan

97、Medical Instrument Factory); transmission electron microscope (JOEL Japanese electronics company); VECTOR33 Fourier transform infrared spectroscopy ( Bruker Company, Germany); JW - 004 type of nitrogen adsorption surface

98、 area analyzer (Beijing precision high his company).</p><p>　　Silicon nitride: Open Er Nami Material Co., Ltd. Hefei Plasma production; silicon nitride content: 97.0 (wt), amorphous; polyethylene glycol (PEG

99、1000) molecular weight of 1000, Shantou City, West Long Chemical Plant (acetone ) analytically pure; revitalization of Chemical Plant of Shanghai.</p><p>　　Experimental procedure</p><p>　　Weigh

100、1.000g of nano-silicon nitride powder, silicon nitride and then were weighed the equivalent of a certain mass fraction of polyethylene glycol, add 50mL of acetone, in the high-shear emulsifier (rotational speed: 2000r/mi

101、n) high-speed shear 5min, and then transferred to the 100mL beaker, with constant temperature at 30 ℃, magnetic stirrer and 8h. To prevent the evaporation of acetone may beaker mouth sealed with plastic wrap. Will be for

102、med in the suspension into the 50mL graduated cylinder</p><p>　　2 Results and discussion</p><p>　　2.1 Suspension layer volume and the relationship between mass fraction of PEG1000</p><

103、;p>　　The authors choose a different dispersants (deionized water and acetone), the unmodified silicon nitride are dispersed in deionized water and acetone. It was found that: in deionized water, the dispersion of sili

104、con nitride can be very good, and the apparent point of view, more homogeneous suspension layer. In acetone, the silicon nitride layer are distributed in addition to suspended sediment layer and layer of silicon nitride