电泳沉积法制备碳化钛膜的研究

V ol. 22,N o. 3第22卷第3期陶瓷学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2001年9月Sep. 2001JOURNA L OF CERAMICS

　文章编号:1000-2278(2001) 03-0125-04

电泳沉积法制备碳化钛膜的研究

游　常　江东亮　谭寿洪　孙　莹

(中科院上海硅酸盐研究所)

摘　要

电泳沉积法(EPD ) 制备薄膜具有设备简单, 成本低, 成膜快, () , 薄膜厚度均匀, 并且其厚度在较大范围内可控等优点。碳化钛熔点高、硬度高, 。本文利用电泳沉积法制备出了均匀的碳化钛膜, 性; 。关键词　, 中图法分类号:T+2文献标识码:A

STU DIES ON E LECTR OPH ORETIC DEPOSITION (EPD)

OF TITANIUM CARBIDE FI LM

You Chang 　Jiang Dongliang 　Tan Shouhong 　Sun Ying

(The Shanghai Institute of Ceramics ,Chinese Academy of Sciences )

Abstract

Film fabricated using electrophoreic deposition (EPD ) has the advantages of sim ple setup ,low cast ,time saving ,thinkness uniformity ,etc. T itanium carbide has the potential em ployed as one part of com posite because of its high melting point ,g ood hardness ,and excellent chem o -stability. In this paper ,hom ogeneous T iC film was produced by EPD. The charged mechanism of T iC powder in dispersion medium was studied. The dispersibility of T iC powder and stability of T iC film was studied. All of these made it available to fabricate muliplayer com posite com pound with T iC layer. K eyw ords 　electrophoretic deposition ,titanium carbide ,film ,zeta potential

1,2〕

领域有广阔的应用前景〔。制备碳化钛的方法有热

2〕3〕4〕

压法〔、自蔓延法〔、气相沉积法〔等, 上述方法的设

1　前　言

碳化钛熔点高、硬度高、化学稳定性好, 主要用来

制造金属陶瓷、耐热合金和硬质合金。碳化钛基金属陶瓷可用来制造在还原性和惰性气氛中使用的高温热电偶保护套和熔炼金属的坩埚等。碳化钛在复合材料

收稿日期:2001-09-05作者简介:游　常, 中科院上海硅酸盐研究所,200050

备复杂、制备成本高, 在应用上受到一些限制。

电泳沉积(EPD ) 是指依靠直流电场的作用, 粉体颗粒从悬浮液中沉积在具有相反电荷和具有一定形状电极上的现象。它包括两个步骤:电泳和沉积。电泳是指胶体中的带电粒子在电场中的定向移动, 是印度

126《陶瓷学报》2001年第3期

科学家G. M. Bose 于1740年时发现的。沉积则是指颗

5〕

粒聚集成膜或者块体〔。

电泳法制备碳化钛薄膜的优点是:设备简单, 成本低; 成膜快, 适宜大规模制膜; 被镀件(用于沉积薄膜的基体) 的形状不受限制, 薄膜厚度均匀; 制得的薄膜厚

度可控; 电泳沉积时可连续进料, 料液可循环利用。

2　T iC 粉末悬浮液的表面化学性质

2. 1　T iC 粉末在悬浮介质中的荷电机理

表1　纯介质、悬浮液及其澄清液的电导率σ(×10-6S/m )

T able 1　The conductivity of dispersion medium ,T iC suspension and settled T iC suspension σ(×10-6S/m )

分散介质纯介质

T iC 悬浮液(50g/l )

T iC 澄清液

去离子水

1. 30431. 7异丙醇

0. 1520. 793

乙醇

0. 4. 791

0. 17014. 40

丙酮+1. 1443. 60286

乙醇+3×10-2M

甲酸

8. 0911. 00123

　　表1(50g/l ) 及其澄清液的电导率。纯有机介质的电导率较小, 而分散有T iC 粉末的悬浮液及其澄清液的电导率增加很多。这说明悬浮液带上了与T iC 相反的电荷。可以认为, T iC 粉末由于吸附介质分子离解出的H +而荷正电:

(1) T iC +nH ++(n -x ) AA -=T iC. nH +. (n -x ) AA -2. 2　T iC 粉末在悬浮液中的分散性和分散稳定性

6〕

根据Deijaguin -Landau 理论

〔, 悬浮液稳定性主要依靠聚结稳定性。聚结稳定性取决于固体粒子的静电排斥能与粒子间吸引能的相对大小, 而静电吸引能决定于粒子半径和粒子间距, 粒子排斥能则决定于粒子半径和ξ电势的平方。水不强极性分子, 容易润湿

非极性分子T iC 表面, 使其分散。同时, 水分子容易离解出一些H +和OH -离子,T iC 粉末粒子吸附这些离子而荷电, 具有一定的ξ电势, 故悬浮液稳定性较好。丙酮的情况与此类似。而异丙醇和乙醇是极性不强的极性分子, 不能很好地润湿T iC 粒子表面, 故T iC 荷电性差, 团聚度大, 分散性差。

采用文献〔7〕的粉末沉降体积百分比方法对悬浮液的分散稳定性进行考察。将不同介质分别与粉末混合,T iC 粉末含量为50g/l , 搅拌5min 后, 盛于5ml 量杯中, 测定浓密液占全部悬浮液的体积百分数q 随时间t 的变化, 实验结果见图1。由图1可知,T iC 的分散稳定性在水中最好, 在丙酮+丁胺中次之, 在丙酮中稍差, 而在异丙醇、乙醇中很差。测量结果与上述分析是

图1　不同分散介质的悬浮液的沉降曲线

Fig. 1　E ffect of disperis on medium on dispersion stability of T iC

《陶瓷学报》2001年第3期127

是随时间的延长而衰减的, 并且W 与t 不是线性关

系, 而是复杂的非线性关系。测定电泳沉积质量W 的实验装置如图2所示, 图3、图4为实验结果。在料浆浓度小于50g/l 或电压小于10V 时,W 与t 呈直线关系, 说明在粉浆浓度或电场强度较小时, 电泳沉积过程速度控制步骤是电极电解反应及其反应物与产物的迁移。而在料浆浓度C ≥50g/l 或电压U ≥10V 时, 电泳沉积过程速度控制步骤为电泳迁移。当t 较小时,W

1. 直流电源;2. 伏特表;3. 安培表;4. 阳极5. 阴极;6. 电泳槽;7. 恒温箱;8. 电磁搅拌仪

图2　电泳沉积的实验装置示意图

Fig. 2　Schematic illustration of 随t , 当t 。这是

, 沉积层变厚, 电阻, , 使电泳速度逐。因此提高电泳。图5是在25V 的电压下沉积1分钟后的SE M 形貌, 可以看出, 沉积层已经比较致密。

一致的。

3　电泳沉积速率

可以认为阴极电极过程包括如下过程:

(1) 在阴极表面发生电化学反应:AA +e =AA -(2) AA -由阴极表面向外表面层迁移; (3) 带电的粉末粒子向阴极迁移; (4) 在沉积层表面发生T iC 粒子电沉积。

(2)

4　结　论

(1) T iC 粉末由于吸附有机介质分子离解出的H +

而荷正电, 由于吸附OH -等负离子而荷负电。

(2) 当悬浮液浓度C ≥50g/l 、电压U ≥10V 或电泳沉积初期, 电泳沉积过程速度控制步骤为电泳迁移; 而当悬浮液浓度C

50g/l 、电压U

(3) 利用电泳沉积法得到了比较致密的T iC 膜。

假设电泳沉积过程中料浆中粉末粒子的电泳迁移为过程的速度控制步骤, 且粉浆的单位体积粒子数在电泳沉积过程中不变, 由文献〔8〕电泳沉积速度dW/dt

　　　　　　　图3　电压对沉积质量的影响　　　　　　　　　　　　　　　　图4　粉浆浓度对沉积质量的影响

　　Fig. 3　Dependence of deposition masss W on charged potential 　　　Fig. 4　Dependence of deposition mass W on suspension concentration

128《陶瓷学报》2001年第3期

参　考　文　献

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图5T iC 沉积层的表面形貌

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