碳化硅是一種重要的工業(yè)原料，因其高溫強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高耐磨性和高耐腐蝕性而在航天、汽車、機(jī)械、電子、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而納米級碳化硅粉末由于小尺寸效應(yīng)，表現(xiàn)出極佳的韌性與一定的延展性，可以解決過脆問題。目前，碳化硅納米粉末的制備方法已有很多報道，如微波法、碳還原法、聚合物熱分解法、溶膠·凝膠法、氣相反應(yīng)沉積法、等離子體法等。用這些方法制備的SiC納米粉體雖然純度較高，但工藝復(fù)雜，成本較高，且生產(chǎn)效率較低。因此，需要尋求一種既高效又經(jīng)濟(jì)的SiC納米粉體制備方法。高能球磨法是一種高效的制備納米粉體的工藝方法，用這種方法制備SiC納米粉體材料的研究還很少有報道。本文采用高能球磨機(jī)直接球磨30～60um的碳化硅粉末至納米級，獲得了較好的效果。
    實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)所用的原料為普通的碳化硅粉末，粒徑為30～60um，其顆粒形貌如圖1所示。顆粒在150倍視場下呈塊狀，X射線衍射分析結(jié)果如圖2所示，表明粉末純度較高，未檢測到明顯的雜質(zhì)衍射峰。球磨設(shè)備為南京大學(xué)儀器廠設(shè)計制造的行星式高能球磨機(jī)（球磨速度為200r／min）。按球料比20：1將碳化硅粉末裝在不銹鋼罐里，介質(zhì)為無水乙醇，采用濕磨的方法，這樣既可以增加粉末粘附于鋼球的機(jī)率，又可以減少對球磨機(jī)的磨損。為了不使試樣過熱而產(chǎn)生氧化反應(yīng)，每磨th停機(jī)10min，總球磨時間為35h，當(dāng)球磨10h、15h、20h、25h、35h時分別取樣分析，試樣烘干后，在Philips XL30 FEG型掃描電鏡上觀察粉末形貌，在4萬倍視場下測量顆粒尺寸，每個試樣取5個不同視場測量結(jié)果的平均值，根據(jù)測量結(jié)果作出不同球磨時間后，顆粒尺寸的分布曲線。用Y-4A型X射線衍射儀對粉末進(jìn)行物相分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論。
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    為清楚地看出粉末細(xì)化規(guī)律，依據(jù)電鏡下的觀察結(jié)果做出粉末顆粒的粒度分布如圖3所示。由圖3可見，SiC粉末經(jīng)過不同時間球磨后，都獲得了不同程度的細(xì)化。其基本規(guī)律為：隨著球磨時間的延長，粉末逐漸細(xì)化，球磨10h后開始出現(xiàn)納米尺寸微粒，但是，此時仍然有許多大顆粒粉末存在，納米級粉末依附在大顆粒上；隨著時間的延長，平均粒度呈不斷減小的趨勢，大顆粒明顯減少；球磨20h后，小于30nm的顆粒已經(jīng)達(dá)到70%；到25h時，小于30nm的顆粒已經(jīng)超過了80%；繼續(xù)延長球磨時間，顆粒繼續(xù)細(xì)化的速率明顯放慢，如圖3所示，35h后，尺寸為30nm的顆粒只保持在70%以上。這是因?yàn)榉勰┘?xì)化到一定程度后其尺寸變小，單位體積的表面自由能增加，進(jìn)一步細(xì)化，需要更大的能量3。。球磨時間過長還有可能使納米粉末團(tuán)聚。圖4為SiC粉末分別經(jīng)20h及25h球磨后的掃描電鏡照片。由圖4b可見，球磨25h后，顆粒外形基本呈圓球形，尺寸基本在30nm左右。
    球磨35h后SiC粉末的X射線衍射圖譜如圖5所示，對比圖2可見，球磨后的衍射圖譜發(fā)生了明顯的變化，主要體現(xiàn)在：1)衍射峰的峰形嚴(yán)重寬化；2）衍射強(qiáng)度大大降低，說明粉末顆粒尺寸已經(jīng)細(xì)化至納米級，這也從另一角度驗(yàn)證了掃描電鏡的觀察結(jié)果。納米粉體X射線衍射峰產(chǎn)生嚴(yán)重寬化的原因是由于晶粒細(xì)化和晶粒內(nèi)部發(fā)生了嚴(yán)重的晶格畸變，這種納米粉體X射線衍射峰形的寬化現(xiàn)象在唐振方等人的研究論文中也有報道。此外，球磨35h后SiC粉末的X射線衍射圖譜上只有很少的雜質(zhì)峰，說明雜質(zhì)含量應(yīng)在5%以下。
    在高能球磨過程中，微米級的碳化硅粉細(xì)化至納米級的原因，文獻(xiàn)r5]認(rèn)為是在中低應(yīng)變速率下，塑性變形由滑移及孿生產(chǎn)生，而在高應(yīng)變速率下，產(chǎn)生剪切帶，由高密度位錯網(wǎng)構(gòu)成，文獻(xiàn)[5]中的透射電鏡觀察結(jié)果表明，球磨后粉末的塑性變形確實(shí)導(dǎo)致了0.5um的剪切帶。材料初始階段的塑性應(yīng)變由于位錯密度的升高而增加，在一定的臨界位錯密度下松弛為小角度的亞晶，使晶格畸變減小。
    采用無水乙醇作為介質(zhì)球磨促進(jìn)了粉末的納米化，這是因?yàn)闈衲�時粉末粘附在鋼球上，增加了磨球捕捉粉末的機(jī)會。另外，有機(jī)溶劑的加入可以限制粉末凝集，促使粉末細(xì)化。而干磨則容易產(chǎn)生新生面，其化學(xué)親和力強(qiáng)，易于粘結(jié)成團(tuán)，不利于繼續(xù)球磨時進(jìn)一步細(xì)化。加入的乙醇一定要適量，加入量過大，則漿料很稀，不易粘在鋼球上，不能很好地發(fā)揮濕磨的長處，而加入量過少，漿料又過于粘稠，不利于鋼球的運(yùn)動，反而使球磨的效率降低。濕磨還有冷卻作用，防止過熱．這樣就可以提高球磨速度，讓鋼球有更大的能量傳遞給粉末，促使粉末的細(xì)化。
    結(jié)  語
    1．在球磨過程中，SiC粉體的細(xì)化是一個漸進(jìn)的過程，球磨25h后晶粒可細(xì)化至30nm左右，但并不是時間越長越好，球磨時間超過25h后，顆粒繼續(xù)細(xì)化的速度明顯放慢。
    2．在允許少量雜質(zhì)存在的情況下，高能球磨法是一種工藝簡單且生產(chǎn)效率較高的SiC納米粉體制備方法。