宋杰光杜大明王秀琴王偉元張小強吳龍彪徐斌紀崗昌張聯(lián)盟

(1.九江學院機械與材料工程學院，九江：332005；2.九江學院圖書館，九江：332005；3.武漢理工大學材料復合新技術國家重點試驗室，武漢：430070)

分散劑對二硼化鋯粉體分散穩(wěn)定性的影響

宋杰光1杜大明1王秀琴2王偉元1張小強1吳龍彪1徐斌1紀崗昌1張聯(lián)盟3

(1.九江學院機械與材料工程學院，九江：332005；2.九江學院圖書館，九江：332005；3.武漢理工大學材料復合新技術國家重點試驗室，武漢：430070)

通過共沉淀法獲得包覆式A12O3-Y2O3/ZrB2復合粉體并對其進行放電等離子燒結來改善ZrB2陶瓷的燒結致密度和高溫抗氧化能力。為了得到很好的包覆效果，在包覆過程中，必須使得ZrB2粉體顆粒具有較好的分散穩(wěn)定性。主要研究分散劑對二硼化鋯粉體在水溶液中的分散穩(wěn)定性影響。通過研究表明：分散劑為聚甲基丙烯酸銨（PMAA），并且當它的含量為2vol%時可以得到分散穩(wěn)定性較好的二硼化鋯溶漿，為改善合成更好包覆效果的包覆式A12O3-Y2O3/ZrB2復合粉體奠定基礎。

二硼化鋯，分散劑，分散穩(wěn)定性，包覆效果，高溫陶瓷

1 引言

高溫或超高溫陶瓷原料之一二硼化鋯（ZrB2）由于具有極高的熔點、強度、硬度和導電率等許多優(yōu)異性能，因此，它的應用領域非常廣泛[1-2]。ZrB2熔點高導致其難以燒結成高致密材料，純ZrB2的燒結致密需要2300℃以上的高溫。如何提高ZrB2陶瓷的致密度一直是國際上研究重點之一。近年來國內外諸多學者對二硼化鋯復合材料的燒結致密化工藝和如何提高該種材料的高溫抗氧化性能進行了大量的研究工作，并取得了許多不錯的成果[3-4]。

釔鋁石榴石簡稱YAG，分子式為Y3A15O12，是由氧化釔和氧化鋁高溫下反應生成的一種具有石榴石結構的化合物。屬氧化物族，立方晶系。YAG熔點為1970℃，YAG晶粒之間沒有形變，因此表現出了很好的高溫蠕變特性，是目前所知抗蠕變性能最好的氧化物材料。其強度和韌性可以保持在其熔點附近而不降低。YAG直到1600℃時斷裂應力變化都不大。YAG還具有很好的化學穩(wěn)定性，幾乎不被酸堿腐蝕。YAG在高溫氧化氣氛中也十分穩(wěn)定，保持100小時重量沒有任何變化。因此，YAG也被認為是高溫結構用材料的候選材料之一[5-8]。

通過放電等離子燒結法使共沉淀法獲得的包覆式A12O3-Y2O3/ZrB2復合粉體[9]致密化來得到高致密度的ZrB2-YAG-Al2O3復相陶瓷，為了得到很好的包覆效果，即包覆層均勻和包覆率高，因此，在包覆過程中，必須使得ZrB2粉體顆粒具有較好的分散穩(wěn)定性。本文主要研究分散劑對二硼化鋯粉體在水溶液中的分散穩(wěn)定性影響，為改善合成更好包覆效果的包覆式復合粉體奠定基礎。

2 實驗部分

2.1 評價方法

采用沉積法研究粉體的分散穩(wěn)定性，超細粉體在漿體中容易團聚從而快速沉降，形成一種具有濃度梯度的漿體，其示意圖如圖1所示。將濃度為C0的均勻懸浮液靜置一段時間后形成梯度型懸浮液，上部一定體積的懸浮液的平均濃度為C1，則可得一參數ΔC。ΔC的大小可用來表征同一超細粉體在不同條件下，在漿體中相對分散穩(wěn)定性。參數ΔC越接近于1，說明在該種條件下顆粒的分散穩(wěn)定性越好。

2.2 實驗

本文研究ZrB2顆粒在漿體中分散穩(wěn)定性的具體操作如下：將一定質量ZrB2粉體倒入裝有去離子水的量筒中，通過攪拌分散，得到一定體積的ZrB2漿體，調整漿體性質，如分散劑種類和含量參數，然后再攪拌分散，靜置10分鐘，量取量筒上部分（總體積50%），倒入燒杯中，將其烘干，得到上層50%體積漿體中所含有的ZrB2粉體質量，算出上層50%體積漿體的平均摩爾濃度與沉降前整個ZrB2漿體的平均摩爾濃度相比，就得出ΔC。

2.3 測試及表征

用激光粒度分析儀 (型號：Mastersizer-2000E，English)分析原料的粒度；用電子顯微鏡（型號：VDP-1750，American）對顆粒的分散情況進行觀察。

3 結果與討論

3.1 分散劑種類對二硼化鋯分散穩(wěn)定性的影響

在濃度為0.12mol/L和攪拌分散5分鐘條件下，不同分散劑作用下ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性如圖2所示。1#是沒有添加任何分散劑的ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性情況，2#是添加了非離子分散劑(聚乙二醇-PEG)的ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性情況，3#是添加了離子型高分子分散劑(聚甲基丙烯酸銨-PMAA)后ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性情況。從圖中我們可以看出，加入分散劑后分散效果都有改善；但是加入分散劑類別不同，ZrB2顆粒分散效果也有所不同。加入非離子型分散劑后，ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性情況相比不添加任何分散劑的情況而言有所改善。由于非離子型分散劑在溶液中不會電離出任何離子，完全靠分散劑分子產生空間位阻來起到分散作用，當非離子分散劑被添加到ZrB2懸浮液中，這種分散劑一端吸附在ZrB2顆粒表面，另一端延伸在溶液里面，使得ZrB2顆粒之間產生空間，從而減小了ZrB2顆粒之間相互吸引，達到改善ZrB2顆粒分散穩(wěn)定的目的。

加入離子型分散劑的ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性相比添加非離子型分散劑又有所提高。離子型高分子分散劑與非離子型分散劑分散機理有所不同，由于離子型高分子分散劑在溶液中，不但電離出一定數量和一定電性的離子，而且還保持高分子狀態(tài)。電離出來的離子吸附在ZrB2顆粒表面，在ZrB2顆粒之間產生靜電排斥作用，使得ZrB2顆粒不容易相互靠攏團聚；另一方面，電離后的高分子基團在ZrB2顆粒之間產生空位，也阻止了ZrB2顆粒相互靠攏而產生團聚，在這兩方面的作用下，在ZrB2顆粒之間產生空間位阻-靜電排斥雙重作用[10-11]。其不同分散劑對ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性的影響用電子顯微鏡觀測 (圖3)和粒度測試(圖4)都如同上述相一致。

3.2 分散劑含量對二硼化鋯分散穩(wěn)定性的影響

在濃度為0.12mol/L和攪拌分散5分鐘條件下，分散劑(聚甲基丙烯酸銨-PMAA)含量對ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性的影響如圖5所示。從圖中可以看出，ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性隨著分散劑含量增加而先增加后降低，分散劑含量為ZrB2顆粒懸浮液體積的2vol%時，ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性達到相對較好。當分散劑含量較低時，ZrB2顆粒表面不能完全被分散劑所包覆，這使得有些顆粒還是在互相團聚的狀態(tài)存在。隨著分散劑含量逐漸增多，ZrB2顆粒表面所吸附的分散劑含量逐漸增多，分散劑產生的空位增多，導致了ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性逐漸變好。當分散劑能夠完全包覆ZrB2顆粒表面，并且在ZrB2顆粒表面形成適當殼層時，ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性達到最好。當分散劑含量太多時，分散劑在ZrB2顆粒之間相互連接，使得ZrB2顆粒發(fā)生團聚，這樣分散劑不但起不到分散穩(wěn)定的效果，反而使得ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性下降[12-13]。其不同分散劑含量對ZrB2顆粒分散穩(wěn)定性的影響和電子顯微鏡觀測(圖6)以及粒度分析(圖7)相符合。

4 結論

本文采用沉積法研究二硼化鋯粉體粉體的分散穩(wěn)定性，通過測量二硼化鋯粉體在水溶液中的粒度分布和顯微鏡觀測輔助研究二硼化鋯粉體的分散穩(wěn)定性。研究結果表明，分散劑為聚甲基丙烯酸銨（PMAA），并且當它的含量為2vol%時可以得到分散穩(wěn)定性較好的二硼化鋯溶漿，為改善合成更好包覆效果的包覆式A12O3-Y2O3/ZrB2復合粉體奠定基礎。

1 Zang X H,Li X Y,Han J C,Han W B and Hong C Q.Effects of Y2O3on microstructure and mechanical properties of ZrB2-SiC ceramics.J.Alloy Compd.,2008,465:506～511

2 Cha mberlain A L,Fahrenholta W G and Hilmas G E.Pressureless sintering of zirconium diboride.J.Am.Ceram.Soc.,2006,89:450～456

3 Monteverde F.Ultra-high temperatur e HfB2-SiC ceramics consolidated by hot-pressing and spark plasma sintering.J.Alloy Compd.,2007,428:197～205

4 Monteverde F.Advances in microstructure and mechanical properties of zirconium diboride based ceramics.Mater.Sci.Eng.A,2003,346:310～319

5 Ivanauskas F.On the modelling of solid state reactions synthesis of YAG.J.Math.Chem.,2005,37(4):365～376

6 Zaraecka M,Bucko M,Miecznik J B and Haberko K.YAG powder synthesis by the modified citrate process.J.Eur.Ceram.Soc.,2007,27:593～597

7 Wang S J,Xu Y B and Lu P X.Synthesis of yttrium aluminum garnet (YAG) from an ethylenediaminetetraacetic acid precursor.Mater.Sci.Eng.B,2006,127:203～206

8 Laine R M,Marchal J and Sun H P.A new YAG phase produced by liquid-feed flame spray pyrolysis.Adv.Mater.,2005,17(7):830～833

9 Song J G,Zhang L M and Li J G.Synthesis and characterization of Al(OH)3-Y(OH)3-ZrB2composite particles.J.Reinf.Plast.Comp.,2007,26(2):139～145

10 Liu D L.Densification of zirconia from submicron-sized to nano-sized powder particles.J.Mater.Sci.Lett.,1998,17:467～469

11 Jiang L Q and Gao L.Effect of tiron ads orption on the colloidal stability of nano-sized alumina suspension.Mater.Chem.Phys.,2003,80:157～161

12 Anand M,Bell P W and Fan X.Synthe sis and steric stabilization of silver nanoparticles in neat carbon dioxide solvent using fluorine-free compounds.J.Phys.Chem.B,2006,110(30):14693～14701

13 Lewis J A.Colloidal processing of ceramics.J.Am.Ceram.Soc.,2000,83:2341～2359

EFFECT OF DISPERSANT ON THE DISPERSIBILITY OF POWDER

Song Jieguang1Du Daming1Wang Xiuqin2Wang Weiyuan1Zhang Xiaoqiang1Wu Longbiao1Xu Bin1Ji Gangchang1Zhang Lianmeng3
(1.School of Mechanical and Materials Engineering,Jiujiang University,Jiujiang 332005;2.Library of Jiujiang University,Jiujiang 332005;3.State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070)

The A12O3-Y2O3-coated ZrB2composite powders prepared by co-precipitation were densified via the spark plasma sintering (SPS)and then their oxidation resistance at high temperature was tested.ZrB2powders must have better dispersibility for better coating effect.Effect of dispersants on the dispersibility of ZrB2powders is researched in this paper,and the results show ZrB2powders have better dispersibility when the dispersant is PMAA and its content is 2vol%.The research lays a foundation for synthesizing better-coated A12O3-Y2O3/ZrB2composite powders.

zirconium diboride,dispersant,dispersibility,coating effect,high temperature ceramics

on Nov.1,2009

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0248-05

2009-11-01

國家973計劃子項目(編號：51331)，江西省教育廳青年科學基金項目（編號：GJJ09595），江西省高校省級教改項目（編號：JXJG-09-17-6）

宋杰光，E-mail:songjieguang@yahoo.com.cn

Song Jieguang,E-mail:songjieguang@yahoo.com.cn