半导体制造用超细SiC陶瓷粉体应如何改性，佳美机械梅工18540392279

随着超细材料科学的快速发展，人们对超细粉体材料的性能提出了更高的要求。特别是在半导体制造领域，碳化硅（SiC）陶瓷作为一种重要的高性能结构材料，对其原料粉体的纯度、粒径、分散性等指标有着严苛的标准。

碳化硅粉体与制品

然而，传统机械粉碎后的SiC粉体不仅形状不规则，还由于其粒径小、表面积大、表面能高等特点，极易发生团聚现象，形成二次粒子。这不仅限制了粉体比表面积效应与小尺寸效应的发挥，还对后续浇注成型工艺中的分散、稳定和悬浮性能带来极大挑战。因此，通过表面改性技术改善SiC粉体的分散性与流动性，成为提升超细粉体成型性能和最终制品性能的关键手段。

表面改性的重要性与解决方案

要解决超细粉体团聚问题，提高其分散性、流动性，最有效的是用物理、化学等方法对粉体表面进行处理，从而改善碳化硅颗粒表面的物理和化学特性，该过程又称表面修饰。经过表面改性，可改善超细粉体颗粒的分散性、稳定性及与高聚物的相容性等，提高其表面活性，使其能够符合不同应用领域的要求。

表面改性的目标：

l 改善SiC粉体的分散性、流动性

l 消除团聚现象，提升粉体的成型性能

l 最终提高 SiC 陶瓷制品的性能

表面改性的分类方法很多，基于改性原理可将粉体表面改性方法分为：物理涂覆、化学包覆、机械力化学法。

1、物理法

凡是不发生化学反应而对粉体进行表面改性的方法，都可称为物理法。例如高聚物涂敷改性和高能改性方法等。

高聚物涂敷改性是借助粘附力将高聚物包覆在粉体表面，以提高其粘结性能，但是改性效果很有限。高能表面改性是利用紫外线、红外线、电晕放电、等离子体照射和电子束辐射等方法对粉体进行表面改性的方法，但其技术复杂，成本较高。

2、化学包覆改性

化学包覆改性，是利用改性剂在无机粉体表面吸附或化学反应对颗粒表面进行包覆使颗粒表面实现改性的方法。

①接枝聚合包覆改性

此法最主要的特征是最终接枝包覆在无机粉体表面的聚合物改性剂是在改性过程中合成的，是目前最常用的无机粉体表面改性方法。通过无机粉体表面的某些官能团预先接枝可参与聚合反应的基团，然后加入聚合单体、引发剂及交联剂进行聚合反应。

案例：张庆勇等用有机硅偶联剂处理SiC粉体，在适合的条件下，经聚合反应再将有机单体接枝于SiC颗粒表面，形成聚电解质包覆层，以改善SiC粒子在水介质中的分散性质，所制备料浆体系的固体含量、分散稳定性能、粘度等参数能满足注浆成型工艺的要求。

改性前后粉体Zeta电位与pH值的关系

②有机包覆改性

将低聚物和交联剂溶解分散在一定溶剂中，加入一定量的无机粉体，搅拌、加热至一定温度，保持一段时间，便可实现超细无机粉体表面的有机包覆改性。这些聚合物吸附在无机粉体颗粒表面，使其具有荷电特性，并形成包覆膜，防止超细粉体团聚结块，改善分散性。

案例：郭兴忠等用聚乙烯亚胺对SiC进行表面改性，通过调节pH值，调整PEI与SiC颗粒表面的结合方式，PEI吸附到SiC颗粒表面，增加了颗粒之间的静电排斥能，有助于提高SiC颗粒表面的分散性和流动性。

改性前后的粉体形貌对比

③无机包覆改性

无机包覆改性的一般方法有均匀沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法、非均匀成核法等，包覆采用的材料主要有Al(OH)3、AlOOH或Y(OH)3等。经无机包覆改性后的粉体可获得新的表面和流动特性，取得了较好的效果，但包覆材料的种类和工艺比较单一，且由于改性剂中的无机杂质会残留在陶瓷烧结件中，从而在材料的显微结构中留下缺陷，导致材料性能下降。

案例：K.Prabhakaran等研究了Al(OH)3包覆SiC粉体的表面改性。在铝的覆盖率为0.1mg/m2时，SiC粉体表现出类似氧化铝的分散特性，Zeta电位明显改善；当覆盖层铝增大到一定值时，悬浮液的流变性能降低。

改性前后的浆料黏度对比

3、机械力化学法

机械力化学改性是利用超细粉碎及其它强烈机械作用有目的的激活粉体和表面改性剂，使粉体矿物晶体结构、晶型等发生变化，体系内能增大，增强粉体表面活性，使其界面间发生化学作用进而增强表面改性剂与粉体间的结合力，促进其它物质在粉体表面的化学吸附或化学反应，达到在粉碎过程中使无机粉体表面改性的目的。由于机械力化学作用比较复杂，它不仅发生在颗粒表面，也发生在晶格内部，对其机理的研究目前还不充分。

表面改性剂

超细粉体的表面改性，主要是依靠表面改性剂（或处理剂）在粉体颗粒表面的吸附、反应、包覆或包膜来实现的。因此，表面改性剂是超细粉体表面改性技术的重要内容之一，其种类、用量、配比等对于超细粉体的表面改性效果具有决定性作用。

1、偶联剂

偶联剂是具有两性结构的化学物质。其分子中的一部分基团可与无机粉体表面的各种官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分基团可与有机高聚物发生化学反应或物理缠绕，从而将两种性质差异很大的材料牢固的结合起来。其按化学结构和成分可分为硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类和有机络合物等。

偶联剂工作原理

2、表面活性剂

表面活性剂是一种能显著降低水溶液的表面张力或液液界面张力，改变体系的表面状态从而产生润湿和反润湿、分散和凝聚等一系列作用的化学药品。它是由性质截然不同的两部分组成，一部分是亲油基，另一部分是亲水基，这种特殊结构使它能够用于粉体的表面改性。

表面活性剂结构示意图

3、有机低聚物及不饱和有机酸

有机低聚物改性剂主要包括相对分子量1500~5000的聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯等聚合物，这种改性剂和基体结构相似，相容性好，改性效果好。常见的不饱和有机酸主要有：丙烯酸、甲基丙烯酸、丁烯酸、肉桂酸、马来酸等。一般酸性越强，越易形成离子键，故多选用丙烯酸和甲基丙烯酸。

4、有机硅

有机硅是以硅氧烷链为憎水基，聚氧乙烯链、羧基、酮基或其他极性基团为亲水基的一类特殊类型的表面活性剂，俗称硅油或硅树脂。主要品种有聚二甲基硅氧烷、有机基改性聚硅氧烷及有机硅与有机化合物的共聚物等。

有机硅

5、水溶性高分子

水溶性高分子是一种亲水性的高分子材料，在水中能溶解形成溶液或分散液。水溶性高分子的亲水性，来自于其分子中的亲水基团，如羧基、羟基、酰胺基、胺基、醚基等。目前，用于粉体表面改性的水溶性高分子主要有聚丙烯酸及其盐类、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇等。

6、无机表面改性剂

氧化钛、氧化铬、氧化铁、氧化锆、氧化锌、氧化硅、氧化铝等金属氧化物的盐类常用作沉淀包膜的表面改性剂。