Siliziumkarbid (SiC) ist eine synthetische kovalente Verbindung und ein neuer Typ von technischem Keramikmaterial. Aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften – einschließlich Hochtemperaturfestigkeit, starker Oxidationsbeständigkeit, ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, thermischer Stabilität, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Härte, Thermoschockbeständigkeit und chemischer Korrosionsbeständigkeit – werden SiC-Keramiken in der Luft- und Raumfahrt, Elektronik und chemischen Industrie weit verbreitet eingesetzt. Darüber hinaus gelten SiC-Keramiken als vielversprechend für Hochtemperatur-Strukturbauteile, fortschrittliche Motoren, Wärmetauscher und hochfeste, verschleißfeste Geräte und ziehen weltweit die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich.

Warum die Oberflächenmodifizierung von SiC-Pulvern notwendig ist

Während des Ultrafeinmahlen von nanoskaligen SiC-Pulvern erfahren die Partikel kontinuierliche Reibung und Stoß. Dieser Prozess verursacht die Ansammlung großer Mengen positiver und negativer Ladungen auf den Partikeloberflächen, wodurch diese sehr instabil und anfällig für Aggregation werden. Gleichzeitig absorbieren die Pulver erhebliche mechanische und thermische Energie, wodurch ihre Oberflächenenergie erhöht wird. Um einen stabileren Zustand zu erreichen und die Oberflächenenergie zu reduzieren, neigen die Partikel auf natürliche Weise dazu, sich anzuziehen und zusammenzuklümpen, wodurch Aggregate entstehen.

Die Oberflächenmodifizierung ist ein effektiver Weg, um die Dispergierbarkeit und Fließfähigkeit von SiC-Pulvernzu verbessern, Aggregation zu verhindern, die Formeigenschaften von ultrafeinen SiC-Pulvern zu verbessern und die Leistung der fertigen Keramikprodukte zu steigern.

Mechanismen der Oberflächenmodifizierung

Die Oberflächenmodifizierung von Ultrafein-Pulvern beinhaltet die Wechselwirkung zwischen der Pulveroberfläche und dem Modifizierungsmittel. Dies verbessert die Benetzbarkeit der Partikel, erhöht ihre Verträglichkeit mit dem umgebenden Medium und erleichtert die Dispergierung in Wasser oder organischen Verbindungen. Modifizierungsmittel müssen funktionelle Gruppen enthalten, die effektiv mit der Partikeloberfläche interagieren können.

Es gibt zwei Hauptmechanismen:

1. Beschichtungsmodifizierung: Eine Schicht aus anorganischen oder organischen Verbindungen (wasserlösliche oder öllösliche Polymere, Fettsäuresalze usw.) bedeckt die Partikeloberfläche und erzeugt eine sterische Hinderung, die eine Reaggregation verhindert.

2. Kopplungs-(chemische) Modifizierung: Chemische Reaktionen oder Kopplungsinteraktionen treten zwischen der Partikeloberfläche und dem Modifizierungsmittel auf. Zusätzlich zu Van-der-Waals-Kräften, Wasserstoffbrückenbindungen oder Koordinationsinteraktionen können sich ionische oder kovalente Bindungen bilden, was zu einer stärkeren und stabileren Oberflächenmodifizierung führt.

Gängige Oberflächenmodifizierungsmethoden

1. Beschichtungsmodifizierung

Die Beschichtungsmodifizierung beinhaltet das physikalische oder chemische Anbringen einer Schicht aus Modifizierungsmittel auf der Partikeloberfläche, um ihre inhärenten Eigenschaften zu verändern. Gängige Mittel sind Tenside, Superdispergiermittel und anorganische Verbindungen.

• Oberflächenadsorptionsbeschichtung: Verwendet physikalische oder chemische Adsorption, um eine kontinuierliche Beschichtung auf der Partikeloberfläche zu bilden. Diese Methode ist einfach, hat aber eine begrenzte Wirksamkeit.

• Anorganische Beschichtung: Beinhaltet die Verwendung von anorganischen Materialien, die physikalisch an der Partikeloberfläche haften, wodurch die freie Oberflächenenergie reduziert und Aggregation verhindert wird. Zu den Techniken gehören chemische Beschichtung, Galvanisierung, Dampfabscheidung, Sol-Gel-Beschichtung, Bestrahlung und mechanische Beschichtung.

2. Chemische Modifizierung

Die chemische Modifizierung beinhaltet eine chemische Reaktion oder Adsorption zwischen dem Modifizierungsmittel und der Partikeloberfläche. Auf die Pulveroberfläche aufgepfropfte langkettige Polymere können hydrophile Gruppen enthalten, um die Dispersionsstabilität in einem Medium zu verbessern. Gängige chemische Modifizierungsmittel sind Kupplungsmittel, Fettsäuren und ihre Salze, ungesättigte organische Säuren und Organosilicone.

Auswirkungen der Oberflächenmodifizierung auf die Pulvereigenschaften

1. pH-Einfluss: Die Oberflächenmodifizierung kann die Dispergierbarkeit bei bestimmten pH-Werten optimieren, was für die Herstellung von Keramikschlämmen mit hohem Feststoffgehalt und gleichmäßiger Partikelverteilung entscheidend ist.

2. Oberflächeneigenschaften: Pulvereigenschaften wie Oberfläche, Oberflächenenergie, chemische Zusammensetzung, Kristallstruktur, funktionelle Gruppen, Benetzbarkeit, Oberflächenladung, Porosität und Gitterdefekte beeinflussen die Viskosität der Aufschlämmung und den maximal erreichbaren Feststoffgehalt.

3. Wirkung von Kupplungsmitteln: Silan-Kupplungsmittel mit funktionellen Gruppen, die sowohl auf anorganische als auch auf organische Materialien reagieren, verbessern die Dispergierung und Stabilität von SiC-Aufschlämmungen erheblich und ergeben Suspensionen mit niedriger Viskosität und hohem Feststoffgehalt.

4. Einfluss der Molekülstruktur: Unterschiedliche Modifikatorstrukturen beeinflussen die Stabilitätsmechanismen. Beispielsweise können elektrostatische Stabilisierungs- und sterische Hinderungsmechanismen die Partikeldispersion optimieren und Aggregation verhindern.

5. Dispergiermitteltyp und -dosierung: Die Wahl und Konzentration der Dispergiermittel wirkt sich direkt auf die Viskosität der Aufschlämmung, das Zetapotenzial und die Dispersionsqualität aus.

Aktuelle Herausforderungen

Obwohl die Oberflächenbeschichtung die Dispergierbarkeit, Stabilität und Leistung von ultrafeinen SiC-Pulvern erheblich verbessert, bleiben mehrere Herausforderungen bestehen:

• Entwicklung neuer, kostengünstiger und leicht kontrollierbarer Modifizierungsmethoden.

• Verbesserung der Beschichtungsformulierung, Wiederverwendbarkeit und Stabilität für ultrafeine SiC-Pulver.

• Verbesserung der Benetzbarkeit von SiC-Partikeln mit Metallen in SiC-Metall-Verbundwerkstoffen, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

• Entwicklung von Hochleistungs-, kostengünstigen oder multifunktionalen Tensiden zur Optimierung des Oberflächenbehandlungsprozesses.

• Etablierung standardisierter Test- und Qualitätsbewertungsmethoden für oberflächenmodifizierte SiC-Pulver.

Schlussfolgerung

Ultrafeine SiC-Pulver besitzen einzigartige Eigenschaften, die breite Anwendungen in modernen Materialien ermöglichen. Die Oberflächenmodifizierung verändert ihre physikalischen und chemischen Oberflächeneigenschaften, verbessert die Dispergierbarkeit, Stabilität und Leistung und ermöglicht die Entwicklung von Hochleistungs-Funktionskeramiken. Fortschritte in der Oberflächenmodifizierungstechnik werden den Anwendungsbereich von Nanokeramikpulvern erweitern und Innovationen in der Materialwissenschaft vorantreiben.