一种高热导率无压烧结碳化硅陶瓷材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高热导率无压烧结碳化硅（SiC)陶瓷材料及其制备方法，属于无 机非金属材料领域。
【背景技术】
[0002] SiC陶瓷具有硬度高、耐高温、耐氧化、耐腐蚀，高温强度高，化学稳定性好，抗热震 性好，热导率高，热膨胀系数低等优点，在工业窑炉、石油、冶金、化工、机械、航空航天等诸 多领域有广泛的应用，尤其是碳化硅陶瓷所具有的优良的热力学性能使其在热交换器、蓄 热燃烧、电子器件封装基板等对热性能要求较高的场合具有广阔的应用前景。
[0003] 然而，目前制得的SiC陶瓷材料却普遍存在着热导率低的问题。TANAKAS.等 [AnalysisofAdditivesonBeO-DopedSiCCeramicsbySecondaryIonMass Spectroscopy[J].JournaloftheCeramicSocietyofJapan, 1995, 103(8):870-872.] 通过在SiC中加入氧化铍，制得的SiC陶瓷热导率高达270WAm?K)。Safaraliev GK等[FormationofsolidsolutionsintheSiC-BeOsystemduringhot pressingofceramics，Inorg.Mater. 1992, 28 (4) :609-611]也指出，在SiC中加入 氧化铍后材料的热导率比纯碳化硅高3倍以上，然而氧化铍是剧毒材料，对人体有害。 SneadL.L.等(Highthermalconductivityofgraphitefibersiliconcarbide compositesforfusionreactorapplication[J].JournalofNuclearMateria ls，2002, 307 - 311 (3) : 1200 - 1204.)利用具有高热导率的碳纤维制成三维编织物，然后化 学气相渗透SiC制备高热导率的SiC/碳纤维复合材料，然而该方法工艺较为复杂，而且生 产周期长，制备成本高。
[0004] 石墨烯是二维sp2键和的单层碳原子晶体，与三维材料不同，其低维结构可显著 削减晶界处声子的边界散射，并赋予其特殊的声子扩散模式。研宄表明，室温下石墨烯的热 导高达5300WAm?K)，高于碳纤维。
[0005] 中国专利文献CN103085372A(201110335512.X)公开了一种超材料介质基板及 其加工方法，包括以下步骤，111.将纳米碳化硅粉末、溶剂、表面活性剂混合后研磨成细小 颗粒，用超声波洗涤、干燥；112.利用热等静压工艺将细小颗粒烧结成纳米碳化硅陶瓷层； 12.将上述纳米碳化硅陶瓷层、石墨粉末、石墨烯层利用热等静压工艺制成超材料的介质基 板。然而该发明采用热等静压工艺，分别热等静压制备碳化硅陶瓷层、石墨烯层，再层叠后 热等静压制备超结构材料，制备工艺复杂，而且需要采用纳米SiC粉末，这都增加了生产成 本，不利于其产业化推广应用。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供一种高热导率无压烧结碳化硅（SiC)陶瓷材料 及其制备方法，该方法工艺简单、成本低，所制得的SiC陶瓷材料除了具有一般碳化硅陶瓷 的优异性能外，还具有热导率高的特点，可以满足热交换器、蓄热燃烧、电子器件封装基板 等对热导率要求较高的场合的应用要求。
[0007] 术语说明
[0008] D5tl:也叫中位径或中值粒径，是指粉体材料的累积粒度分布百分数达到50%时达 到的粒径，用来表示粉体的平均粒径。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] 一种高热导率无压烧结碳化硅陶瓷材料，由以下质量百分比的原料组成：碳化硅 75~95wt. %，石墨稀0? 5~IOwt. %，表面活性剂1~3wt. %，分散剂0? 5~2. 5wt. %，粘 结剂2~IOwt. %，碳化硼0. 5~3. 5wt. %，各组分质量百分比之和为100% ;
[0011] 上述原料经混合、成型、真空条件下于温度2050-2200°C烧结1~5小时，制得。
[0012] 本发明优选的，高热导率无压烧结碳化硅陶瓷材料，由以下质量百分比的原料组 成：碳化娃80~95wt. %，石墨稀0. 5~7wt. %，表面活性剂1~3wt. %，分散剂0. 5~ 2. 5wt. %，粘结剂3-6wt. %，碳化硼微粉1~2. 5wt. % ;各组分质量百分比之和为100%。
[0013] 根据本发明优选的，所述的碳化娃，D5tl为0. 1-1. 5ym，优选的，碳化娃的D5(|为 0. 45 + 0.Ium〇
[0014] 根据本发明优选的，所述的石墨烯，含碳量> 99. 0%，平均厚度< 3nm，D5tl为 3_15um〇
[0015] 根据本发明优选的，所述的表面活性剂为硬脂酸或脂肪酸甘油酯。
[0016] 根据本发明优选的，所述的分散剂为四甲基氢氧化铵或聚丙烯酸；所述聚丙烯酸 的分子量为3000~30000。
[0017] 根据本发明优选的，所述的粘结剂为聚乙烯醇或羧甲基纤维素；所述聚乙烯醇的 分子量为50000~100000。
[0018] 根据本发明优选的，所述碳化硼，D5tl为0. 50-3. 5ym;优选的，碳化硼，D5(|为 L50zh0. 5ym〇
[0019] 本发明优选的一个技术方案，一种高热导率无压烧结碳化硅陶瓷材料，由以下质 量百分比的原料组成，D5tl为0. 45±0.Iym的碳化硅微粉80~95wt. %，D5tl为3-15ym 的石墨稀0. 5~7wt. %，硬脂酸1~3wt. %，聚丙稀酸0. 5~2. 5wt. %，聚乙稀醇0. 3~ 1.5wt. % ;D5(I为1.50±0. 5ym的碳化硼微粉1~2. 5wt. %，各组分质量百分比之和为 100%〇
[0020] 上述高热导率无压烧结碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括步骤如下：
[0021] (1)将碳化硅、石墨烯、碳化硼、表面活性剂、分散剂和粘结剂按比例混合，然后加 水球磨8~20小时，制得SiC浆料；
[0022] (2)将步骤（1)制得的SiC浆料喷雾造粒，压制成型，获得高密度坯体；
[0023] (3)将步骤⑵制得的高密度坯体在50~70°C烘干8~20小时，然后置于真空 烧结炉中，在2050-2200°C烧结1~7小时，制得SiC陶瓷材料。
[0024] 本发明优选的，步骤（1)中混合原料与水的质量比为3: (2~5)，所述的水为去离 子水。
[0025] 本发明优选的，步骤（2)中喷雾造粒过程中，制得的颗粒含水率为0.5~1. 5%。
[0026] 本发明优选的，步骤（2)中的压制成型，将经喷雾造粒制得的颗粒在80~160MPa 冷等静压成型，保压2~5分钟，高密度坯体的密度为1. 70~I. 90g/cm3。
[0027] 本发明制得的SiC陶瓷材料体积密度大于3.05g/cm3,室温热导率大于140W/ (m?K)〇
[0028] 本发明所用的各种原料，均为市售常用原料。
[0029] 本发明所说的喷雾造粒、冷等静压成型均按本领域现有技术即可。
[0030] 本发明的高密度坯体除了按上述压制成型方法外，可以用本领域现有的所有成型 技术成型。
[0031] 有益效果
[0032] 1、本发明通过向SiC材料中添加石墨烯制得高热导率SiC陶瓷材料，该SiC陶瓷 材料除具有一般碳化硅材料硬度高，热膨胀系数低等优点外，还具有热导率高，耐高温，耐 酸、碱腐蚀等优点，因而在工业窑炉、石油、冶金、化工、机械、航空航天等领域具有广泛的应 用前景。
[0033] 2、本发明通过碳化硅、石墨烯、碳化硼之间的特定配比，压制成坯体，真空条件下 无压烧结，制得SiC陶瓷材料，在本发明制备的无压烧结SiC陶瓷材料中，石墨烯均匀分布 于SiC基体材料中，并与SiC形成紧密结合，避免了材料内部气孔对声子散射导致的热导率 降低抵消并超过引入石墨烯对热导率提高的作用，既保证了陶瓷材料的致密化，同时又达 到较高的热导率，保证了材料均匀一致。与反应烧结SiC陶瓷材料相比，虽然本发明需要较 高的烧结温度，但是由于材料中不含游离硅，克服了硅不耐高温，不耐酸、碱腐蚀的缺点，因 而本发明制备的无压烧结SiC陶瓷材料可以在1700°C下长期服役，而且可以经受强酸、强 碱腐蚀。
[0034] 3、碳化硅和石墨烯均具有优异的耐高温性，因而过向SiC材料中添加石墨烯制得 的高热导率SiC陶瓷材料可以在高温下使用。
[0035] 4、本发明所述的制备方法工艺简单、易操作，便于工业化生产。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不限于 此。
[0037] 实施例中的原料均为市购产品。
[0038] 实施例中所得SiC陶瓷材料产品的性能测定方法如下：
[0039] SiC陶瓷材料密度检测用阿基米德排水法测试，具体步骤如下：
[0040]1)将待测样品置于70°C烘箱中干燥24h后，于分析天平上称量待测样品室温下的 干重（W1)，精确到0.OOlg;
[0041] 2)将步骤1)称量后的待测样品放入沸水中煮沸2h，当冷却到室温后，称量饱和待 测样品在水中的浮重（W2)，精确到0.OOlg;
[0042] 3)将步骤2)称量后的待测样品从水中取出，用纱布将试件表面多余的水分轻轻 擦掉后，迅速称量饱和待测样品在空气中的湿重（W3)，精确到0.OOlg;
[0043] 4)重复上述各步骤3次取均值，然后按照公式：P=W1AW3-W2)计算待测样品的 体积密度。
[0044]SiC陶瓷材料热导率检测方法为激光热导法，用德国耐驰NETZSCHLFA 457MicroFlash?塑激光热导仪进行检测；
[0045]SiC陶瓷材料三点弯曲强度检测方法按GB/T6569-1986进行检测；
[0046]SiC陶瓷材料断裂韧性检测方法按GB/T23806-2009进行检测。
[0047] 实施例1:
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