1、PH 值对碳化硅粉末在水溶液介质中分散系数的影响概要：工业上在去离子水中分散不同粒度的碳化硅，其 PH 值一般要求在 2 至 11之间。粉末的分散状况是根据他们的数量统计技术来判断的，例如颗粒粒度的分布，沉降速率，流变学状态，黏性和电导率。我们发现碳化硅粉末在 ph 值在10 左右能达到理想的分散状态，他们的界面电动势值达到最小以及沉淀高度和粘度，还有最大的导电率。在酸性条件下（ph=2-7）粉末能明显地达到高度的絮状状态伴随大量的沉淀高度，更高的黏度，低的界面电动势和低的触变性，无明显流动现象。在 ph 值介于 7-10 碱性条件下观察到粉末有很好的分散状态。上述结果很好的证实了粉末的选择分
2、散特性。浆料中 ph 值的改变都会在密度和水含量以及他们的显微结构以及聚集状态都有一个直观的关系。关键词：粉体分散 碳化硅 水中分散 粉末特征 黏性 界面电动势 沉淀1、引言现在共价键材料例如碳化硅和氮化硅现在已经被认为具有潜在的价值用于高温结构材料以提高高温发动机的性能， （例如：高温柴油发动机和气体涡轮发动机） ，提高热交换机性能，耐摩擦材料以及抗损耗元件。他们被提出将要替代超级合金因为他们具有较高的机械强度（强度和硬度） ，稳定的化学性质（抗氧化性和抗腐蚀能力）以及高温热稳定性。他们因高强度产品被广泛的应用，然而还是会受到他们关键的复杂的制造工艺而受到限制。在陶瓷部件制造生产过程中必须在
3、这些过程中尽可能的少引入高敏缺陷以最大的提高这些部件的各项性能和工作寿命。大部分情况下，微裂纹和缺陷例如微孔，空洞，结块以及包含物会在制造的过程中引入导致被烧结体不均一的微观结构而因此会影响材料的机械力学性能。遵循那些工序加工干燥的粉末虽然很难排除这些缺陷当，但是加强工序湿法工序（例如：胶体合并技术）有效克服了上述问题用静电或者原子空间分散稳态排布产生无缺陷，相同性质的和高密度绿色体从而达到更优质的最终产品。悬浮液的静电稳固法是通过调节悬浮液的 pH 值或者在每一个小的浓聚物中加入吸附带电的电解液物质使在两个微粒子之间产生一个共有界面而完成的。虽然大量的研究 SiC 胶状工序是可利用的但是仍然
4、几乎没有报告表明单一靠调节 SiC 水溶液的 pH 值手段可以实现 SiC 胶状体。 （在这篇文章中像泥浆，砂浆，悬浮液等等，是被用于可相互交换的表示 SiC 粉末分散在去离子水用于减少质量百分比 60-5wt%。）在现阶段学习不同种类的泥浆/ 砂浆科技特征像沉降，流变能力，粘度和界面电动势的测量已经被充分应用在 SiC 水溶液浆料 pH 特征和结果和浆料铸造体相互联系起来。2、试验程序商业上现在使用的 SiC 粉末（M/s Grindwell 诺顿，班加罗尔，印度）不同的粒度（被命名为 G600, G800, G1000, & G1200)和不同的批组已经开始被研究。这类粉末用 X 射线衍射
5、去表征（X 射线衍射仪，PM9002 型号，荷兰飞利浦公司制造）。粉末在去离子水中用连续的磁震荡被分散，并且用 HNO3 调酸用NH4OH 调碱去配比 pH 值在 212 之间的溶液。粉末颗粒不同粒度的分散有沉降原理决定（沉降图谱 5100，微晶学，美国）用于 5wt%质量百分比悬浮液调整不同的 pH 值。现在正在研究测量不同质量百分比（ 47-62wt%）SiC 浆料的粘度和剪应力作为表征其剪应率和浆料的 pH 值功能的流变学行为。测量质量比为 20wt%SiC 悬浮液的界面电动势经过的电泳迁移率定位 pH（pH 在 2-11 之间）功能值（界面电动势分析仪，1202 型号，微晶学，美国）。
6、质量比为 20wt%SiC 浆料的沉降行为被研究作为时间与不同 pH 值（pH 为2-12）的函数关系。测量的沉降高度是从固体开始下降到沉积到试管底部的时间间隔。这些准则被划分为浆料的功能时间和 pH 函数用于达到最好的分散环境。另一种途径为在试管中的浆料在最高点是取时间 t=0，然后在最高浑浊水平线（固体沉降加上固体颗粒分散）下至澄清液体之间的时间间隔。为了证实和确认浆料的实验特征，选择铸造质量比为 50wt%和 60wt%SiC时浆料 pH 值的石膏模型。在铸造之前调节好浆料 pH 值之后超声振荡 5 分钟。体积和质量决定坯体的水分含量和密度。用电子显微镜显（JSM 35 型号，日本产）微
7、观察砂浆铸造坯体同样可以观察 SiC 颗粒在不同 pH 值的分散状态。不同的实验技术结果可以得到一个最适合的 pH 使 SiC 在水溶液中达到最佳的分散效果。3、讨论和结果3.1. 粒度分布当颗粒被分散在磁性介质例如水，颗粒表面电荷会影响颗粒的聚集或分散的状态。随着 pH 的改变，根据颗粒的表面电荷发展程度和极性颗粒也要经受絮结或者抗絮结。pH 值影响 SiC G1000/2 颗粒在去离子水中的分散图表。图 1 表示 pH 值等于 3 时和在一个狭窄的絮状分布尺度（10-20 微米）有很高的絮凝性。在 pH 值等于 5 时较大的结块分解成小的絮状体，但是相当多的结块（1-20 微米）仍旧凝结。
8、在 pH 值等于 10 时颗粒粒度分布被转移至好的变化范围（0.8-15 微米）表明具有完全的去粘性和很好的分散。在一个很高的 pH 值 11.5 时会比在 pH 值等于 10 时产生大量的颗粒产生小范围的分散现象。这些结果表明介质的 pH 值极大地影响了 SiC 粉末的分散甚至在很低的质量比情况下（5wt%）和颗粒的粒度分析表明是一个很重要的实验手段去调查研究陶瓷粉末的分散水平。SiC 粉末不同的组次和粒度在 pH 值等于 10 的去离子水中颗粒的粒度分布结果显示在表 1 中同样的样品铸造的固含量和坯体密度变化率（pH=10）图一：pH 值变化影响 SiC 颗粒分散，G1000/2=pH 3
9、, =pH 5, =pH 10, X=pH 11.5.结果显示粉末 A,B 和 C 是相似的但是粉末 A 含有更小数量的微粒（小于 1微米）和稍多的大颗粒（10-30 微米）。粉末 E 和 H 具有更多的百分比微粒（20-25%）和较少的百分比大颗粒（5-10%）。然而粉末 D，F 和 G 都具有少的百分比微粒（5-10% ）而和其它粉末对比微粒粒径分布明比重增大（15-20%）。更广泛的颗粒粒径分布和大的微粒百分比重在高的固体载荷下可以改善高的效率但是低粘度浆料可以依次铸造高密度坯体。图 2.不同 pH 值和 SiC 粉末沉降高度（24 小时）的函数关系3.2. 沉降的研究当陶瓷粉分散在液相
10、介质中，其中颗粒会被多种外力所影响像重力，介质的阻力，布朗运动等等。假设其它外力可忽略不计或者非变化形态，那么陶瓷颗粒在重力作用下就倾向于稳定状态。颗粒的稳态率表明在增加沉降高度和沉降体积条件下时间函数可以衡量它的分散状态和稳定状态。表 2 表示在 24 小时内所测量的不同 SiC 粉末粒度的沉降高度。沉降高度的变化可归于是在重力条件下在自由空间中颗粒形成不同程度结块或者絮状 pH 值的函数值。在很好的分散或者抗絮凝状态下有一个最小的沉降高度直到颗粒稳定紧密的达到理想的沉淀状态。相反的，在一个絮凝胶体体系中，颗粒在重力下快速结块下降，（大的重量）造成松散状沉淀从而导致大的沉淀高度。沉降高度与粉
11、末的分散具有相反的关系；粉末越多的分散就会有越小的沉淀高度。所有的 SiC 粉末在pH 区域为 7-10 的范围内在最小值为 pH 等于 10 的时候有最小的沉降高度和最佳的分散体系。这个结果和弗里德曼在早期以质量比为 9wt%SiC 浆料所观察的结果相一致。图 3. SiC 粉末在不同 pH 值时沉降时间与沉降高度函数关系通常，浆料的稳态是一个从开始分散到完全分散的一个连续的时间函数。这个结果在图三被绘制成沉降高度与不同 pH 值的时间函数关系。沉降高度在 pH值为 5 时显示在所有时间内都有很高的絮凝状态。在 4 小时之后可能由于更多的松散絮状凝结沉淀沉淀高度会轻微的减小。pH 值为 10
12、 时有最小的沉降高度表现为有最适宜的分散和理想的填充效果然而中间值 pH 值为 7 和 pH 值为 12时更趋向于部分颗粒凝结。在 pH 值为 7,10 和 12 时不断增加沉降高度表明最终颗粒仍然是处于悬浮状态下很长时间。这些 pH 值下悬浮液能保持一周的浑浊直到改变 pH 值在 2-5 之间时一直两天才变澄清就很好的体现了上述结论。在表 4 更清晰的显示了沉降高度从时间为 0 的值到各个时间段最大浑浊度（固体的沉降加上颗粒在澄清液中的悬浮）沉降高度不同的变化情况。在一种状态下 pH 值（pH=2-5）时浆料几乎很难保持一天的絮状，然而在 pH（pH=10）趋近于最佳沉降高度时悬浮状态可保持
13、几天不变。图 4.所示为沉降高度和 SiC（G1200/2）在不同 pH 值时沉降时间的函数关系。3.3. 流变行为图 5 所示为质量比为 52wt%的 SiC 浆料粘度和和剪切速率为 2702 每秒的 pH值函数关系。所有粉末在 pH 值在 7-11 变化下下观察得在 pH 值等于 10 时有最小的粘度。如图所示在 pH 值在 7-11 之间变化时观察粉末分散状态时在 pH 值为 10 时有最理想的分散状态。高粘度在低 pH 值（pH=2-6 ）范围以及在高 pH值（pH=11-12）范围内都有絮状悬浮的特点。观察 SiC 粉末（G800/2）在 pH变化下自始至终都保持较低粘度是因为它们中
14、有相当数量（15%）亚微颗粒出现并且广泛分散。其他作者也发表过类似的在非常小的精细颗粒的悬浮液中加入粗颗粒会强烈的减小体系的粘度。图 5.SiC 浆料粘度和 pH 值的函数关系表。图 6 和图 7 表示研究 SiC（G1200）浆料在质量比为 52wt%下在不同 pH值时测量其粘度和在不同剪切率下的剪应力的关系。在 pH 值等于 10 时，浆料在所有剪切率下（图 7）相对牛顿力（线形剪应力，剪切率曲线见图 6）学它的粘度是连续变化的，同类浆料，标志着很好的分散状态。pH 值等于 5 的连续曲线表现在屈服应力为 7Pa 时絮状悬浮体系特征为剪应力减小。图 6. 不同 pH 值下 SiC（G120
15、0/2）浆料剪切率和剪应力的函数关系 。图 7. 不同 pH 值下 SiC（G1200/2）浆料剪切率和剪应力的函数关系这是因为液体在悬浮液的絮状物和絮状网状物的空隙间被固定，导致增加影响固体负荷进而关系到好的分散悬浮状态。剪应力的用途表示剪应力变小是由于絮状给构体的分解和液体在絮状结构中减少被固定。在 pH 值等于 12 时，观察到微小的增加剪应力会导致高的固体负荷悬浮液或者悬浮液中的颗粒有退静电现象。图 8. 不同的质量比 SiC（G1200/2）浆料在 pH 值等于 10 是剪切率和剪应力的函数关系。图 8 显示为在 pH 值等于 10 时 SiC（G1200）在去离子水的浆料中固体载荷
16、影响浆料的流变行为。几乎所有牛顿力学行为在低的质量比 52wt%都体现出来了但是只有在质量比为 57wt%至 62wt%之间才可以观察到剪应力增加现象。增加高的质量比的悬浮液可以被认为是絮状剪切感应或者是由有序转变为无序流体。这个影响是很明显的和它发生在低的剪切率和高的质量比因为具有很小的的结构改变相互分离只需要低的剪切能量。3.4. 界面电动势测量方法界面电动势，其电动势位于颗粒表面和电解质之间，可以影响界面特性和表示悬浮液中颗粒表面的电势能。和其他因素联系，通过增加静电感应使介质中颗粒表面电荷增高来提高界面电动势可以改善介质中颗粒分散结果。图 9 显示通过测量三种不同的 SiC 粉末界面电
17、动势其相似的性质为超过某一固定的酸性 pH 值之后它们的界面电动势值变为负值。所有的三种 SiC 粉末都显示在 pH 值等于 10 时它们有最小的界面电动势值，并且浆料在次 pH 值下都能很好的分散。这三种 SiC 粉末在 G800,G1000 和 G1200pH 分别为4.8,4.2,3.3 均有它们自己的等电位点点（在颗粒表面等电位点时所对应的 pH）。这些结果和那些已经报道出来的结果相一致。SiC 颗粒表面经常被一层二氧化硅薄膜和酸性的硅烷醇所覆盖并且随着氧化物的百分比含量 SiC 粉末的等电位点和二氧化硅的等电位点接近。二氧化硅在 pH 在 2-3.7 变化之间它自己占有一个等电位点。
18、G1200 粉最低的等电位点为 3.3 是因为这些粉末表面具有很高的氧化百分比进而能有很好的颗粒粒径分散。在等电位点，因为排斥力消失浆料可以高度絮凝并且无明显牛顿流体性质，具有很高的粘度，快速沉降率和大的沉降高度/ 空间。在 pH 值等于 11 时，在粉末表面和介质之间增多相当高的离子强度及电荷量以及减少电动势能，导致降低界面电动势绝对值。SiC 浆料在pH 值大于 10 时的一个表现为一个小的絮凝度和一个微小的牛顿流体性，和神将高度。3.5. 浆料铸锭在特定条件下的浇铸法，成形时间，密度和铸锭坯体的水分含量在表 2 和图 10 表示。这些数据通过粒径分析，沉淀，粘度和界面电动势值测量获得。表
19、 2：铸锭条件和浆料坯体的性质。注：a 表示理论密度百分比。图 10.所示为不同 pH 下铸锭坯体的水含量百分比和密度（理想条件）百分比函数关系式。这些浆料在 pH 值为 7-10 内可以达到很高的质量载荷量，可以很好的分散，但是，在酸性条件下改变 pH 值仅仅在低的质量载荷量下有可能有效地影响絮凝。在 pH 等于 4 时（接近等电位点时的 pH 值）坯体具有 24%高湿度和 49%低的密度（理论值）然而在 pH 值等于 10 时坯体具有 12%低湿度和 63%高的密度（理论值）即分散度最小。图 11（a-c）显示为用扫描电子显微镜观察在絮状体（pH=4 和 8）和良好的分散体（pH=10）的浆料压紧坯体表面微裂纹。
