湿法成型制备碳化硅陶瓷膜的研究进展开题报告

无机陶瓷膜于近几十年来兴起并迅速发展，自1950年来开始，无机陶瓷膜的发展使其开始广泛运用于各种领域，其中包括食品工业，医药，废水处理等。膜材料与膜技术一直是国家鼓励发展和重点支持的领域，尤其是膜材料在能源及环境方面^[11]的应用。在我国的能源结构中能源消费的主体是一次能源，即煤，天然气，石油。这些能源的大量使用会造成大量的含尘有害气体的排放，不仅造成国内能源压力，也增大了环境压力。为响应国家可持续发展的号召，需对排放气体进行降低工业排放pm2.5的处理，而此时无机陶瓷膜就能发挥有效且至关重要的作用。

碳化硅材料具有耐酸碱，化学稳定性好，亲水疏油等优点，因此以碳化硅制备的无机陶瓷膜相较于传统氧化铝陶瓷膜，其应用领域更广泛，未来也可能在一些新兴领域获得不错的运用

根据碳化硅材料的特性，碳化硅陶瓷膜大致有以下几点特征^[10]：

2. 研究内容和预期目标

湿法成型工艺要求碳化硅粉体分散在液体介质中，并形成高固相体积分数，流动性好，均匀稳定的悬浮体系，其势必要对碳化硅悬浮液的分散稳定性进行研究。

ph值方面，在马东^[1]等的研究中，在低固相的碳化硅悬浮液中利用zeta电位寻找最佳ph值配置浆料，通过zeta电位和ph值图线可清晰找出等电点ph值及zeta电位随ph值的变化趋势，从等电点ph=4逐渐升高ph可发现zeta电位绝对值先增大后减小，其原因是由于过量的离子压缩双电子层，从而降低了悬浊液的分散稳定性。

高固相的碳化硅悬浮液中，张宇民^[2]等的研究利用沉降试验，控制分散剂的掺量及固相含量不变，绘制不同沉降时间的沉降高度随ph值变化的折线图，从图中分析出随ph值的升高，相对沉降高度也在增加，其中ph值为2时发生明显沉降，而在ph值在10.5到11时由于此时颗粒表面电位较高不容易发生团聚而沉降不明显。这与宋春军^[3]等的研究中所表示ph值决定颗粒表面zeta电位一致，同时也采用沉降实验探究三种不同溶剂中ph值对悬浊液分散稳定性的影响，由此得出沉降实验在研究ph值对分散稳定性的影响中是一种十分有效的方式。

3. 研究的方法与步骤

电泳沉积法是一种很好的制备无机膜的工艺,适合于许多材料的制备。电泳沉积技术是在电泳电压的作用下，带电颗粒在电泳沉积液中向电极一端迁移，并逐渐在电极的表面沉积下来，并通过团聚作用形成膜的过程。经过电沉积后的材料不仅尺寸精细，且具有狭窄的孔径分布。电泳沉积法具有工作温度低(通常为室温)、设备简易、操作方便、可控性高、价格低廉、基体的尺寸大小不受限制的优点，对简化成膜工艺、推动无机膜的低成本生产和应用的商品化进程具有重要意义。

3.1 实验原料及仪器

实验准备大致有以下部分：聚乙烯亚胺（PEI），乙醇，乙二醇，碳化硅颗粒，石墨纸，蒸馏水，稀硫酸（PH=3），陶瓷片，量筒，砂纸，电子天平，自耦调节变压器，直流稳压稳流电源，PH计。

原料	化学式	生产厂家	纯度
聚乙烯亚胺	(CH2CH2NH)n		分析纯
无水乙醇	C2H6O		分析纯
乙二醇	(CH2OH)2		分析纯
碳化硅颗粒	SiC
蒸馏水	H2O
稀硫酸	H2SO4		分析纯

表一 实验原料表

表二 实验仪器及材料表

实验仪器及材料	型号	生产厂家
量筒
砂纸
电子天平
自耦调节变压器
直流稳压稳流电源
PH计
陶瓷片
石墨纸

3.2 实验步骤

将陶瓷片制成所需要的尺寸，先用砂纸打磨表面，然后用pH=3的稀硫酸浸泡24小时，再经去离子水浸泡24小时后，在室温下自然干燥，备用。（1）粒子浸润。以无水乙醇作为分散介质，将碳化硅颗粒缓慢、均匀地散入分散介质中。（2）解除团聚。利用机械搅拌与超声震荡作用，解除粒子的团聚状态，从而得到粒径较小的粒子。（3）稳定分散粒子。加入分散剂，调节悬浮溶液的pH值，提升悬浮粒子稳定性，使粒子在分散介质中呈现均匀分态。（4）陈化。经过以上步骤处理的悬浮液，其中仍有部分大径粒子处于亚稳定状态，需经过陈化，以去除粒径较大的粒子，最终形成更加稳定的悬浮溶液。通过控制悬浮液PH值及分散剂掺量不变，对比选出聚乙烯亚胺，乙二醇中最适合作为分散剂的一项。之后，探究以此作为分散剂，不同PH值对碳化硅悬浊液沉降高度的影响，选出最佳PH值，研究以此作为分散剂，不同分散剂掺量对碳化硅悬浊液分散稳定性的影响，选出最佳掺量。这些可以通过沉降实验和Zeta电位进行表征。从而制备出最稳定的碳化硅悬浮液。以碳化硅悬浮液为电泳液,将阴阳石墨纸电极按2~3cm的距离插入电泳液中,在靠近阴极1~2mm处放入陶瓷片支撑体,然后在一定的电压和时间下进行电泳沉积。

3.3 电泳沉积影响因素

(1)膜水通量采用膜过滤装置,在0.3MPa操作压力下，测定一定时间内水透过体积。按照下式计算水通量。J=V/(A●t)式中，V为液体透过体积;A为膜的有效面积;t为时间

膜水通量可以反映沉积时间对膜孔径分布的影响，电泳时间的增长会导致水通量逐渐减少，使得碳化硅成膜的厚度增加。正确的时间应选择膜孔径差别小，孔径分布均匀的时间。

（2）电泳电压的影响通过电压与电流的关系图可以反映，随着电压的增大，水的电解反应所产生的氢气的量会越来越多，气泡对电泳成膜过程是一个阻碍，它不仅会降低胶粒电迁移速率，而且不断冲击膜层，造成膜面沉积层的不均匀，破坏膜的微观结构。所以合适的电压范围应该选取电流未急剧增加之前。

（3）固相含量对于电泳沉积的效果也有一定的影响，固相含量越高所成的膜孔径分布更窄，所制成的膜也越致密。其原因^[13]是浆料固含量低时，浸溃时支撑体吸附的浆料较少，膜层厚度较薄，膜层中大孔径比例也相对较高，膜平均孔径相对较大，试样纯水通量较大 ；随着浆料固含量的提高，支撑体上吸附的浆料增加，膜层变厚，膜层中的大孔被覆盖的概率提高膜层中大孔比例逐渐降低 ，膜平均孔径降低。膜层厚度的增加和平均孔径的降低 ，也导致了试样的纯水通量降低。但随着固含量的进一步提高，膜层中颗粒堆积厚度增加，膜层中大孔基本被覆盖，孔径变化较小，另一方面由于浆料在支撑体上形成“滤饼”，导致支撑体吸附浆料能力变差，膜层厚度增加不明显，最终导致随固含量的增加，试样的平均孔径与纯水通量降幅变小。

3.4 陶瓷膜的表征

膜厚度在生产线上的测量常用β射线背散射法。β粒子照射到被测量涂层上，一部分被吸收，一部分被散射，其中散射角大于90°的称为背散射。,背散射回来的β粒子被GM计数管接收，并转化成电信号，用电表来表示厚度。此法要求涂层和基体材料的原子必须有差别。测试范围在10nm--50μm。另外也可使用光学显微镜法，原理是将较小的厚度高倍放大至易目测的程度后，再确定厚度值。先从试样所需测厚的部位切取，用常温硬化树脂或低温合金将试样镶嵌在夹具上，对垂直断面进行研磨，随后将校正好的测微计放在显微镜下，读取膜厚度。厚度小于8μm的膜应采用1000倍的显微镜。

最新测量膜厚度的方法是使用德国菲希尔DUALSCOPEMPO型涂镀层测厚仪，通过磁感应以及电涡流方法快速测得涂镀层的厚度，其测量精度为±1m(0~50m),该测量仪可以提供高精确度、无损测量。其操作方式简单、坚固耐用，几乎可以用于各种膜及涂层厚度的测量。

具体实验步骤可用如下流程图表示：

4. 参考文献

参考文献

[1]马东，陈常连，黄小雨，梁欣，周诗聪，黄志良，徐慢.低浓度碳化硅浆料分散稳定性及其膜性能研究[j].武汉工程大学学报，2018,40(4):405-409.

5. 计划与进度安排

4 论文工作进度安排

第一阶段（第1-4周）:2月24日-3月22日。