Il carburo di silicio (SiC) è un composto covalente sintetico e un nuovo tipo di materiale ceramico ingegneristico. Grazie alle sue eccezionali proprietà, tra cui resistenza alle alte temperature, forte resistenza all'ossidazione, eccellente resistenza all'usura, stabilità termica, basso coefficiente di espansione termica, alta conducibilità termica, elevata durezza, resistenza agli shock termici e resistenza alla corrosione chimica, le ceramiche SiC sono ampiamente utilizzate nei settori aerospaziale, elettronico e chimico. Inoltre, le ceramiche SiC sono considerate molto promettenti per componenti strutturali ad alta temperatura, motori avanzati, scambiatori di calore e dispositivi resistenti all'usura ad alta resistenza, attirando una notevole attenzione da parte dei ricercatori di tutto il mondo.

Perché è necessaria la modifica superficiale delle polveri di SiC

Durante la macinazione ultrafine delle polveri di SiC su scala nanometrica, le particelle subiscono continue frizioni e impatti. Questo processo causa l'accumulo di grandi quantità di cariche positive e negative sulle superfici delle particelle, rendendole altamente instabili e soggette ad aggregazione. Allo stesso tempo, le polveri assorbono una notevole energia meccanica e termica, aumentando la loro energia superficiale. Per raggiungere uno stato più stabile e ridurre l'energia superficiale, le particelle tendono naturalmente ad attrarsi e ad aggregarsi, formando aggregati.

La modifica superficiale è un modo efficace per migliorare la dispersibilità e la scorrevolezza delle polveri di SiC, prevenire l'aggregazione, migliorare le proprietà di formatura delle polveri di SiC ultrafini e migliorare le prestazioni dei prodotti ceramici finali.

Meccanismi di modifica superficiale

La modifica superficiale delle polveri ultrafini comporta l'interazione tra la superficie della polvere e l'agente modificatore. Questo migliora la bagnabilità delle particelle, aumenta la loro compatibilità con il mezzo circostante e facilita la dispersione in acqua o composti organici. Gli agenti modificatori devono contenere gruppi funzionali in grado di interagire efficacemente con la superficie delle particelle.

Esistono due meccanismi principali:

1. Modifica con rivestimento: Uno strato di composti inorganici o organici (polimeri solubili in acqua o in olio, saponi di acidi grassi, ecc.) ricopre la superficie delle particelle, creando un impedimento sterico che impedisce la riaggregazione.

2. Modifica di accoppiamento (chimica): Reazioni chimiche o interazioni di accoppiamento avvengono tra la superficie delle particelle e l'agente modificatore. Oltre alle forze di van der Waals, ai legami idrogeno o alle interazioni di coordinazione, possono formarsi legami ionici o covalenti, portando a una modifica superficiale più forte e stabile.

Metodi comuni di modifica superficiale

1. Modifica con rivestimento

La modifica con rivestimento prevede l'attacco fisico o chimico di uno strato di agente modificatore alla superficie delle particelle per modificarne le proprietà intrinseche. Gli agenti comuni includono tensioattivi, super-disperdenti e composti inorganici.

• Rivestimento per adsorbimento superficiale: Utilizza l'adsorbimento fisico o chimico per formare un rivestimento continuo sulla superficie delle particelle. Questo metodo è semplice ma ha un'efficacia limitata.

• Rivestimento inorganico: Coinvolge l'uso di materiali inorganici che aderiscono fisicamente alla superficie delle particelle, riducendo l'energia superficiale libera e prevenendo l'aggregazione. Le tecniche includono placcatura chimica, galvanica, deposizione di vapore, rivestimento sol-gel, radiazione e rivestimento meccanico.

2. Modifica chimica

La modifica chimica prevede una reazione chimica o l'adsorbimento tra l'agente modificatore e la superficie delle particelle. I polimeri a catena lunga innestati sulla superficie della polvere possono contenere gruppi idrofili per migliorare la stabilità della dispersione in un mezzo. I modificatori chimici comuni includono agenti di accoppiamento, acidi grassi e loro sali, acidi organici insaturi e organosilicati.

Effetti della modifica superficiale sulle proprietà della polvere

1. Influenza del pH: La modifica superficiale può ottimizzare la dispersibilità a specifici livelli di pH, il che è fondamentale per la preparazione di sospensioni ceramiche ad alto contenuto di solidi con una distribuzione uniforme delle particelle.

2. Proprietà superficiali: Le caratteristiche della polvere come l'area superficiale, l'energia superficiale, la composizione chimica, la struttura cristallina, i gruppi funzionali, la bagnabilità, la carica superficiale, la porosità e i difetti del reticolo influenzano la viscosità della sospensione e il contenuto massimo di solidi raggiungibile.

3. Effetti degli agenti di accoppiamento: Gli agenti di accoppiamento silanici, con gruppi funzionali reattivi sia ai materiali inorganici che organici, migliorano significativamente la dispersione e la stabilità delle sospensioni di SiC, producendo sospensioni a bassa viscosità e ad alto contenuto di solidi.

4. Influenza della struttura molecolare: Strutture modificatrici diverse influenzano i meccanismi di stabilità. Ad esempio, i meccanismi di stabilizzazione elettrostatica e di impedimento sterico possono ottimizzare la dispersione delle particelle e prevenire l'aggregazione.

5. Tipo e dosaggio del disperdente: La scelta e la concentrazione dei disperdenti hanno un impatto diretto sulla viscosità della sospensione, sul potenziale zeta e sulla qualità della dispersione.

Sfide attuali

Sebbene il rivestimento superficiale migliori significativamente la dispersibilità, la stabilità e le prestazioni delle polveri di SiC ultrafini, rimangono diverse sfide:

• Sviluppare nuovi metodi di modifica convenienti e facilmente controllabili.

• Migliorare la formulazione del rivestimento, la riutilizzabilità e la stabilità per le polveri di SiC ultrafini.

• Migliorare la bagnabilità delle particelle di SiC con i metalli nei compositi SiC-metallo per migliorare la resistenza alla corrosione.

• Progettare tensioattivi ad alte prestazioni, a basso costo o multifunzionali per ottimizzare il processo di trattamento superficiale.

• Stabilire metodi standardizzati di test e valutazione della qualità per le polveri di SiC modificate superficialmente.

Conclusione

Le polveri di SiC ultrafini possiedono proprietà uniche che consentono ampie applicazioni nei materiali avanzati. La modifica superficiale modifica le loro caratteristiche fisiche e chimiche superficiali, migliorando la dispersibilità, la stabilità e le prestazioni e consentendo lo sviluppo di ceramiche funzionali ad alte prestazioni. I progressi nelle tecniche di modifica superficiale espanderanno la gamma di applicazioni delle polveri nanoceramiche e stimoleranno le innovazioni nella scienza dei materiali.