电泳沉积法制备碳化硅陶瓷的研究开题报告

1. 研究目的与意义

1.1 研究背景 21世纪，随着科学技术的发展，信息、能源、材料、生物工程已经成为当今社会生产力发展的四大支柱，碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、密度小、耐磨性能好、硬度大、机械强度高、耐化学腐蚀等特点，在材料领域发展迅速。碳化硅陶瓷因具有密度低、热膨胀系数小、硬度高、耐高温，弹性模量大、耐腐蚀等特点，普遍用于陶瓷球轴承、阀门、半导体材料、陀螺、测量仪、航空航天等领域。碳化硅陶瓷是从20世纪60年代开始发展起来的，之前碳化硅主要用于机械磨削材料和耐火材料。世界各国对先进陶瓷的产业化十分重视，现在已经不仅仅满足于制备传统碳化硅陶瓷，生产高技术陶瓷的企业发展更快，尤其是在发达国家。近几年以碳化硅陶瓷为基的复相陶瓷相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。分析借鉴国外先进陶瓷技术，有助于我国陶瓷产品的发展。碳化硅主要有四大应用领域，即功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。 碳化硅是一种人造材料 ,只是在人工合成碳化硅之后 ,才证实陨石中及地壳上偶然存在碳化硅，碳化硅的分子式sic ，分子量为40.07,质量百分组成为 70.045 的硅与 29.955 的碳 ,碳化硅的密度为 3.16～ 3.2g/cm2。由于碳化硅陶瓷具有诸多优异的性能，近年来被广泛应用于航空航天、机械工业、电子等各个领域，市场前景广阔，因此,研究其性能与应用具有十分重要的意义 。

碳化硅陶瓷材料的制备及性能 1、反应烧结碳化硅（1）气相硅化反应结合碳化硅：将一定量的α-sic 、石墨、石腊乳胶或聚乙烯醇混合后压制成型 ,在1500—1600℃真空(65pa)条件下进行反应烧结。毛坯放置在硅液面以上，由于硅的饱和蒸气压较大 ,高温形成的大量硅蒸气进入毛坯孔隙与碳发生反应,生成的β-sic将α-sic粘结,成为陶瓷材料。（2）液态硅化反应结合碳化硅将α-sic、石墨、热塑性树脂与少量热固性树脂混合后挤压成毛坯,与硅粉一同放入石墨坩埚中,在1600—1700℃真空感应炉中烧结。液态硅在毛细管作用下进入毛坯孔隙,并与碳发生反应,生成β-sic,将α-sic粘结,制得的碳化硅密度和强度较高。在成分配方、工艺合适时,可获得气孔率为零、毛坯尺寸无变化的碳化硅材料。（3）液硅化反应制备碳化硅复合材料 2、热压碳化硅热压是制备高性能碳化硅材料的有效途径。但其工艺特点不适合生产形状复杂零件及厚大零件,同时生产效率低,烧结温度高(1800℃以上) ,生产成本高 ,并有 15%左右的体积收缩,因此在工业化生产中受到一定的限制。 3、无压烧结碳化硅采用亚微米β-sic添加b和c,在2050℃下惰性气氛中成功地制备了理论密度大于95%的碳化硅材料。在β-sic中加入0.49%a 、0.1%b 、2%c得到的无压烧结碳化硅,密度达到3.07-3.12g/cm，弯曲强度631-635 mpa。采用共沉淀法将al2o3 和y2o3微粉加入0.28μmsic中于2100-2150℃烧结,得到的碳化硅密度3.11g /cm3,弯曲强度 470mpa。 4、再结晶碳化硅 sic粉料中不加添加剂,直接将成型的毛坯2000℃以上的温度烧结,其主要的烧结机理为蒸发-凝聚。烧结时无体积变化,收缩很小,气孔率较高(20%) ,强度较低 (100mpa)。由于在2000℃以上烧结,粉料中存在的β-sic将转变为α-sic,得到的材料具有单相性,从而具有良好的导电性、导热性、耐化学腐蚀性和热稳定性。 电泳沉积法是近年发展起来的新型制膜技术，是一种在外加电场的作用下，由胶体粒子在分散介质中向电极迁移后沉积在电极表面，并通过颗粒团聚形成均质膜的方法。ryan 等用浓黏土浆料于70v电压、8a电流在孔性石墨模具上沉积15min，制成了1cm厚的陶瓷膜。

1.2 研究目的及意义 碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的抗腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能是已知陶瓷材料中最佳的。热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的材料，起高温强度可已知维持到1600度，抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。 碳化硅陶瓷在石油、化工、微电子、汽车、航天、航空、造纸、激光、矿业及原子能等工业领域获得广泛的应用。 电泳沉积法制备的涂层具有涂层丰富、均匀、平整、光滑的有点，电泳沉积法制备薄膜的硬度、附着力、耐腐蚀、冲击性能、渗透性能明显优于其他方法。 本次研究希望用最方便的方法制备性能较高的碳化硅涂层。

2. 研究内容和预期目标

2.1 主要研究内容（1）了解电泳沉积制备碳化硅陶瓷薄膜的原材料，掌握各原材料在实验中的作用和对实验的影响。

（2）掌握碳化硅陶瓷薄膜的制备工艺，掌握实验所需的仪器设备，并熟悉操作步骤以及试验方法。

（3）了解实验的影响因素，掌握各个影响因素对于实验的影响。

3. 研究的方法与步骤

3.1 研究方法 电泳沉积是一种材料制备的电化学方法，应用十分广泛。相比其他制备方法，如气相沉积和其他电化学沉积等，epd 可以实现准分子水平上材料微观结构的均匀分布。epd 装置简单，成本效率高，适合于各种性质的材料和尺寸的样品。它不仅可以对各种外形和复杂多孔的结构进行涂敷，还可以用于纳米器件的连接与组装。

3.2 研究步骤3.2.1悬浮液的配制 取一定量的sic置于乙醇中混合后加入添加剂正丁醇，之后对其超声处理5min即得悬浮液，实验中采用电磁搅拌以防止悬浮液过快沉降。3.2.2电泳沉积装置： 电源采用直流稳压电源。利用烧杯作为电泳槽。石墨纸作为电极，采用电磁搅拌的方式对悬浮液进行搅拌。将电极置于悬浮液中，电极距离固定为2.5cm。 改变碳化硅粉末的固含量，观察电泳沉积速度以及碳化硅薄膜层厚度的变化。 改变电压，观察电泳沉积速度以及碳化硅薄膜层厚度的变化。 改变添加剂的量，观察电泳沉积速度以及碳化硅薄膜层厚度的变化。3.2.3性能测定（1）原材料基本性能的测定 xrd衍射实验：测量原材料的含量 差热分析：测量在不同温度下原材料含量的变化量 原材料的密度 原材料的分散性（2）碳化硅陶瓷薄膜的性能测定 陶瓷薄膜的薄膜厚度 孔隙率 电阻率

3.3 结果分析与反馈 整理分析检测结果，与目标产物性能作对比，调整合成条件及配方。

4. 参考文献

【1】李缨、黄凤萍、梁振海碳化硅陶瓷的性能与应用

【2】周海佳、刘雪芹、陈翠红、鲁兵安电泳沉积制备功能薄膜研究进展

【3】吕振林、高积强、金志浩碳化硅陶瓷材料及其制备

5. 计划与进度安排

2月29日-3月27日（第1-5周）：文献检索，实验方案的确定及撰写，论文开题，写出开题报告；

3月28日-4月24日（第6-9周）：论文研究，提外文翻译

4月25日-5月22日（第10-13周）：论文研究，提交论文初稿