碳化硅微粉的粒度再造制备与表征

王嘉琳，刘世凯，宋志健，韩碧波，黄威，徐天兵

摘 要： 为了促进碳化硅粉体的高值化的充分利用，本文分别使用水玻璃和二氧化硅-氧化铝溶胶作为粘合剂与碳化硅微粉进行混合、制粒、烧结，制得更大粒径的碳化硅颗粒样品。并用激光粒度分析仪、 X射线衍射和扫描电子显微镜对制备的样品的晶体结构、形貌和晶粒尺寸进行了表征。结果表明，以水玻璃作为结合剂时，真空烧结能有效抑制碳化硅的氧化，在浓度为5%时得到了良好的制粒和烧结样品，有效的促进了碳化硅微粉再结合，增大了碳化硅颗粒粒径。

关键词：碳化硅微粉；粒度再造；结合剂；晶粒尺寸

1前言

碳化硅（SiC）是一种典型的非氧化物陶瓷材料，具有高度共价键性及稳定的晶体结构，因此其力学性能优良、化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数较小、高硬度、耐磨损等优点，被广泛的应用于磨料、陶瓷、耐火材料、冶金、半导体等领域[1-4]。而在磨料磨具领域，只有具有高硬度和一定的机械强度，才能在磨削、研磨、抛光中起到良好的切削作用，基于碳化硅的硬度性能，常用于用于磨具的制造与组成或直接应用于研磨和抛光。

目前较为成熟的工业化制备碳化硅粉末的方法有三种[5]： （1） Acheson法[6];（2） 二氧化硅低温碳热还原法[7];（3） 硅碳直接反应法[8]。碳化硅的制造过程不仅仅耗能大，且环境污染问题严重，在破碎整形过程中往往会产生一些与目标粒径不同的粉体。在实际的工业应用中，有许多的碳化硅粉体材料因为粒度达不到相关磨料应用标准而成为废料。这是由于碳化硅的粒度对于其本身的应用有着极其重要的影响。

Sahin等[9]研究了磨料粒度对金属基复合材料磨损行为的影响，金属基复合材料的硬度随着碳化硅颗粒尺寸的增加而增加，且金属基复合材料的磨损量明显低于铝合金材料。杨新领等[10]的研究显示，在反应烧结碳化硅材料中，材料的抗弯强度和断裂韧性随着碳化硅粉粒度的减小而增加。在相同或相近压坯密度条件下，游离硅尺寸大小随着碳化硅粉粒度成正比，反应烧结碳化硅机械性能与碳化硅粉体性能成反比。Wojtaszek等[11]的研究表明，含有30μm SiC颗粒的Cu-SiC复合材料比含有1μm SiC粒子的材料具有更好的性能。因此，工业应用产生的废料在很大的程度上造成了资源的浪费和企业的巨大经济成本。

本文旨在以水玻璃作结合剂，通过简单的挤压切割成型原理对粒度未达到磨料用相关标准的碳化硅微粉进行粒度再造，研究结合剂浓度、烧结方式与烧结温度对于试验样品的影响。

2  试验

2.1  试验过程

本研究采用购自企业的8000#的绿碳化硅微粉作为原料，选择水玻璃作为结合剂，水玻璃浓度为5%，烧结温度为900℃和1100℃，烧结环境为空气和真空。实验流程如图1所示。将不同浓度结合剂与一定量的碳化硅微粉充分均匀混合，然后将混料倒入制粒设备中进行制粒，再把制好的碳化硅颗粒于高温电阻炉/GSL-1700X真空管式高温烧结炉中高温烧结得到样品，最后将样品于研钵中研磨至基本均匀的颗粒。

2.2  测试与表征

样品的测试与表征主要包括XRD检测、粒度检测、表面形貌检测（SEM）。试验采用BR UKER公司生产的D8 ADVANCE CEO射线衍射仪分析样品的晶相组成。选用的激光粒度分析仪为珠海真理光学仪器有限公司的真理光学激光粒度分析仪LT3600，采用美国 FEI 公司生产的 INSPECT F50 型场发射扫描电子显微镜，观察纳米SiC粉体的形貌特征，分析纳米SiC粉体的粒径尺寸和微观形貌等。

3  结果与讨论

在以水玻璃为结合剂造粒时，经过多次实验发现水玻璃浓度为5%时造粒效果最好，由于水玻璃会凝固，使得碳化硅的制粒变得更加困难，因此研磨时间不宜过长。

图2显示了不同烧结温度以及烧结环境对实验结果的影响，在900℃空气环境条件下烧结时，样品中存在一定量的SiO2，当温度增加至1100℃后，SiO2含量反而有所增加，这表明在900℃以上空气环境烧结时，SiC微粉（8000#）会因为高温而发生氧化，从而生成一定量的SiO2，而SiO2的存在，會降低SiC颗粒的纯度，从而也在一定程度上影响着SiC的各种性质。因此决定在真空环境下进行烧结，真空环境烧结时，SiC微粉并不会发生氧化，图示结果也表明SiO2的含量有所降低，但仍有部分残留，推测可能是水玻璃所导致。

图3给出了不同烧结温度和烧结环境下得到的样品的粒度结果和最好样品的扫描电镜图。根据检测结果分析得知，与原料SiC微粉的粒度相对比，以水玻璃作结合剂制粒烧结后的样品的粒度都相对变大了许多，表明水玻璃作结合剂制粒样品的粒度效果良好。且随着温度提升，样品粒度有所增大，真空环境和空气环境相比变化没有过于明显，但仍有所增加，应该是SiC未发生氧化导致。从样品的扫描电镜图（图4）可以看出碳化硅颗粒成型较好，为不规则多面体，有明显的棱角，大颗粒尺寸大概为40～50μm，且大颗粒表面吸附着许多尺寸为1～5μm的小颗粒，有较大的表面粗糙度。这样的颗粒形状和表面形貌使得SiC在磨料磨具中有着较好的磨削性。

4  结 论

利用结合剂的粘结作用，将结合剂与原料碳化硅超细微粉进行均匀混合，然后采用挤压切割成型的原理进行粒度再造，最后通过高温烧结制得具有一定强度的碳化硅颗粒样品。

研究表明：1）以水玻璃结合剂，在空气环境下进行高温烧结时，碳化硅微粉（8000#）会氧化产生二氧化硅，使得样品的纯度降低，而真空烧结能有效降低 SiO2含量，水玻璃浓度为5%时能获得良好的制粒效果。

2）水玻璃作为结合剂能有效的增加碳化硅颗粒的粒径，粒度再造后的样品多为不规则多面体，有明显的棱和尖锐棱角，且大颗粒表面有许多小颗粒依附，使得样品表面较为粗糙。

参 考 文 献

[1] Lee K J. Synthesis of Silicon Carbide Powders from Methyl-Modified Silica Aerogels [J]. Appl Sci-Basel， 2020， 10（18）： 11.

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[3] 汪涵，尹珑龙，郭晴，等. 纳米碳化硅的制备与应用研究进展[J]. 广东化工，2022，49（08）：84-86+108.

[4] 廖明. 碳化硅材料在有色行业的应用展望[J]. 中国有色冶金，2015，44（05）：77-79.

[5] 李辰冉，谢志鹏，康国兴，等. 国内外碳化硅陶瓷材料研究与应用进展[J]. 硅酸盐通报，2020，39（05）：1353-1370.

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[7] Kim， J， Choi， S， Kim， J， et al. Characteristics of silicon carbide nanowires synthesized on porous body by carbothermal reduction. J. Korean Ceram. Soc. 2018， 55， 285–289.

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[9] Sahin Y， Ozdin K. The Effect of Abrasive Particle Size on the Wear Behaviour of Metal Matrix Composites[C]// International Conference on Numerical Methods Applications. American Institute of Physics， 2004.

[10] 楊新领，郑奔，李志强，等. 碳化硅粒度对反应烧结碳化硅陶瓷显微结构与性能的影响[J].科技创新导报，2016，13（02）：29-31.

[11] Wojtaszek M. Influence of size of SiC particles on selected properties of aluminium-based composites obtained by extrusion of P/M compats[J]. Kompozyty， 2011， 11：331-335.