β - sialon电泳沉积(EPD)的稳定条件

摘要

电泳沉积是一个主要依赖于沉积悬浮液胶体稳定性的过程。本文研究了亚微米β -赛隆在乙醇中的胶体稳定性。在该溶剂中测定了β -塞隆粉末悬浮液的Zeta电位和粘度随pH值的变化规律。考察了PVA聚合物的加入对悬浮液性能的影响。粘度是衡量溶剂分散质量的一个指标。聚合物添加到β -sialon悬浮液中对zeta电位的影响也被确定为ph值的函数。最后，使用确定的最佳悬浮液条件进行电泳沉积(EPD)。并确定了最佳工作条件

关键字

稳定条件，电泳沉积(EPD)，悬浮和工作条件，Beta-Sialon。

简介

硅离子是一种陶瓷基氮化硅。这类物质是3i的固溶体_3.N₄.这些陶瓷具有优异的机械性能，如高强度、耐磨性、高硬度和高抗热震性[1-4］．Sialon陶瓷已应用于处理熔融的有色金属，特别是铝及其合金。坩埚、钢包、喷射器及除气设备[5］．用于有色金属、燃烧器管和浸没式加热器管[6］．铝压铸用金属进给管、热电偶保护管[7]及切削工具[8-10］．这是由赛隆生产的有良好的性能。电泳沉积(EPD)过程是通过施加外部电场使带电粒子在悬浮液中运动[11］．该工艺具有设备要求简单、沉积时间短、基底形状限制小等优点，是一种性价比高、用途广的工艺[12］．我们提出EPD是一种有前途的技术，可以在衬底上制备厚度可控的Sialon层[13］．

方法

实验的程序

将平均粒径为1.0 ~ 2.0 μm的Beta-sialon粉(AG材料公司，台湾)球磨5小时，制备平均粒径为0.5 μm的Beta-sialon粉。用4 g Beta-sialon在100 ml乙醇(99.8%)中，在不同pH值下制备胶体，用于zeta电位和粘度测量。用HNO调节pH值_3.和NH_3.分别适用于酸性和碱性范围。每个胶体样品也被超声分散30分钟，以确保颗粒的良好分散。在剪切速率为1800s -1时，使用粘度计(Brookfield粘度计RVDV-ll-Pro, USA)测量悬浮液的粘度。使用zeta电位分析仪(SZ-100 HORIBA Scientific Japan)测量了不同pH值下悬浮液的zeta电位和电子迁移率。在EPD过程中，在pH=4时制备浓度为4 g / 100 ml乙醇(99.8%)的胶体，用于添加PVA和不添加PVA的悬浮液。在此过程中施加30 V/cm恒定电压。电极采用不锈钢作阳极和阴极。通过测量沉积后增加的重量来量化沉积质量。采用日本日立公司S-3700N型扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，型号:S-3700N)进行横断面沉积检查，测量厚度，计算沉积密度。

结果与讨论

悬架稳定性

zeta电位是胶体分散体稳定性的一个关键指标。图1显示了zeta电位作为ph值的函数。通常高的绝对zeta电位值表明悬浮的高稳定性和高颗粒分散。如图1， β - sialon胶体的等电点(IEP)在pH=6时。在这一点上，没有表面电荷，所以，电势为零。pH=6 (ζ=0)的悬浮液容易结块，因为此时静电相互作用最小，且无表面电荷。图2显示了beta sialon的粘度作为pH的函数。值得注意的是，最大粘度发生在pH=6时。这种最大粘度表明胶体中颗粒絮凝程度高，这与所示的zeta电位测量值一致图1所示。

颗粒大小是影响悬浮液稳定性的重要因素之一。在本实验中，测得的平均粒径为0.5 μm。人们普遍认为，大于1.0 μm的颗粒不能提供良好的胶体稳定性，因为颗粒沉降很快。

PVA对悬架稳定性的影响

在非水介质(如乙醇)中形成电双层是困难的，因此加入支链聚合物(如PVA)可增加悬浮液的稳定性。在这种情况下，胶体的稳定性通常是通过粒子之间的静电相互作用增强的，这是由聚合物添加到悬浮液中引起的。聚合物链吸附在陶瓷颗粒表面。当这些表面有聚合物链的粒子相互靠近时，就会发生排斥性空间相互作用。刘易斯(14]用弗洛里-哈金斯参数χ来表示聚合物溶液的质量。

指出溶剂α的质量可以用粘度测量来简单地表示。这种关系可以写成:在非水介质(如乙醇)中形成电双层是困难的，因此加入支链聚合物(如PVA)可增加悬浮液的稳定性。

在这种情况下，胶体的稳定性通常是通过粒子之间的静电相互作用增强的，这是由聚合物添加到悬浮液中引起的。聚合物链吸附在陶瓷颗粒表面。当这些表面有聚合物链的粒子相互靠近时，就会发生排斥性空间相互作用。刘易斯(14]用弗洛里-哈金斯参数χ来表示聚合物溶液的质量。指出溶剂α的质量可以用粘度测量来简单地表示。关系可以写成:

η = bm^α

其中M为添加聚合物的分子量，B为常数，α在0.5 ~ 0.8之间变化。

重写式(1)可得

其中η是粘度，α^'是溶剂质量参数作为粘度的函数。由于添加剂B和M是常数，α^ '表示溶剂的分散能力。α^'值越高，说明在合适的情况下，溶剂中聚合物链最多，从而使溶剂具有较高的分散能力图3。为不同聚合物添加量(6和12 mg)下不同pH下溶剂质量参数α^'的计算结果。如图3。质量参数α^'的数量随pH值的变化而变化。当pH值小于6时，分散质量相对较高。结果表明，添加12mg PVA的悬浮液比添加6mg PVA的悬浮液具有更好的分散能力。结果表明，pH < 6的悬浮液稳定性最好，适用于EPD。

图4。显示了聚合物添加量对β - sialon悬浮液zeta电位随pH值变化的影响。可以看出，在pH值3-8范围内，PVA的加入提供了空间位稳，使得IEP向较低的pH值移动。还注意到，当聚合物被吸附到粒子表面时，扩散双层中离子分布的变化将影响绝对zeta电位。

β sialon的电泳沉积

电泳沉积是一个主要依赖于悬浮液稳定性的过程。事实上，悬浮液的最佳参数对于获得均匀的涂层是非常重要的。在确定最佳悬浮液条件(包括pH值和聚合物添加剂用量)后，在不锈钢基体上进行电泳沉积。30伏/厘米的恒定电压持续60秒。在固定的沉积面积下，在扫描电镜下测量了不同悬浮液的沉积厚度。测定沉积质量，确定不添加PVA、添加6 mg PVA和添加12 mg PVA的不同悬浮液的绿色堆积密度分别为52%、65%和67%。12 mg PVA悬浮液的绿色密度较高，表明该悬浮液分散良好。还注意到，添加PVA和不添加PVA的悬浮液在绿色密度上存在差异。结果表明，PVA的加入提高了悬浮液的分散能力。

结论

本文分别考察了β - sialon悬浮液的稳定性以及PVA的加入对β - sialon悬浮液稳定性的影响。测量了zeta电位和粘度随pH值的变化。通过比较β - sialon悬浮液的zeta电位和粘度的变化，表明有一个最佳pH值范围。在最佳范围内，电泳沉积在衬底上表现良好。结果表明，在高离子浓度下，PVA的加入会影响zeta电位值。EPD实验表明，在确定的最佳条件下制备的悬浮液分散良好，可形成高绿色密度的沉积物。

参考文献

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