[发明专利]一种高电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳化硅陶瓷领域，具体涉及一种高电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷由于具有优良的力学性能，且具有耐磨损，耐酸碱腐蚀性强，抗氧化性强等特点而一直以来作为结构材料使用。但是实际上碳化硅是一种宽带隙半导体，具有热导率高，电子饱和漂移速率大，化学稳定性好等优点，且具有Si最为接近的热膨胀系数，因而有希望替代Si制作苛刻环境下应用的电路基板。实现Si基板替代的关键是制备高电阻碳化硅。虽然单晶碳化硅具有很高的电阻率，可以满足应用。但是单晶碳化硅的制作成本高，工艺复杂，这使得单晶碳化硅的应用受到很大的限制。相比之下，多晶碳化硅陶瓷的制备成本较低，工艺也较为简单。因而若能制备高电阻率的碳化硅陶瓷，则能实现Si基板的大幅替代，实现碳化硅陶瓷的广泛应用。早在80年代Takeda等人就通过掺杂BeO制备了电阻率高达10¹³Ωcm的碳化硅陶瓷，但是BeO对环境和人体都有很大的毒害作用。因而这种制备方法无法得到广泛的应用。A.Can等人则通过研究微观结构与电阻率的关系制备出了电阻率高达10³-10⁹Ωcm的碳化硅陶瓷，但是该水平的电阻率依然无法满足实际应用。

发明内容

本发明旨在克服现有碳化硅陶瓷的性能缺陷，本发明提供了一种高电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法。

本发明提供了一种高电阻率碳化硅陶瓷，所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成包括1.54-3.08wt％的Al₂O₃、3.46-6.92wt％的Er₂O₃以及碳化硅，上述三种组成之和为100wt％；所述高电阻率碳化硅陶瓷含有晶化的碳化硅晶粒、包覆在晶化的碳化硅晶粒表面的非晶化碳化硅颗粒以及存在于晶化的碳化硅晶粒之间的晶界膜。

本发明碳化硅陶瓷高电阻率的实现在于形成了细晶的微结构，细晶使得晶界增多，晶界对电子具有散射作用。同时微结构中的第二相是绝缘相，第二相在微结构中形成了连通，对具有半导体性质的碳化硅进行了包裹。另外，由于在烧结过程中降温速度非常快，第二相未能有效结晶，非晶第二相同样对电阻率的提高具有促进作用。

较佳地，所述晶化的碳化硅晶粒的尺寸可为0.5-0.8μm，所述非晶化碳化硅颗粒的尺寸可为0.03-0.2μm，所述晶界膜的尺寸可为0.5-3nm。

较佳地，所得碳化硅陶瓷的电阻率可在4.38×10¹⁰-3.52×10¹¹Ω·cm。

又，本发明还提供了一种上所述高电阻率碳化硅陶瓷的制备方法，所述方法包括：

1)制备符合所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成及组成之间比例的、含有SiC粉体、Al₂O₃粉体以及Er₂O₃粉体的均匀混合的复合粉体；

2)将步骤1)制备的复合粉体脱粘后，在放电等离子烧结炉中、1650-1750℃、真空条件下烧结，得到所述高电阻率碳化硅陶瓷。

较佳地，所述复合粉体的制备方式可为：

1)称量符合所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成及组成之间比例的有SiC粉体、Al₂O₃粉体以及Er₂O₃粉体，与酒精混合得到固含量为45-55wt％的浆料；

2)将所述浆料依次经过以下处理：以SiC球为研磨介质进行球磨处理、烘干、破碎研磨、过筛。

较佳地，浆料中SiC粉体、Al₂O₃粉体以及Er₂O₃粉体的质量之和与SiC球研磨介质的质量比可为1：(1-3)。

较佳地，所述SiC粉体可为α-SiC粉体。

较佳地，所述烧结的时间可为10-30分钟。

本发明提供的有益效果：

本发明以氧化铝以及氧化铒作为烧结助剂，通过放电等离子液相烧结法来制备高电阻率的碳化硅陶瓷。相比于其他方法制备的碳化硅陶瓷，其电阻率得到了大幅提高。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方式中烧结助剂含量7wt％的经放电等离子烧结制备的碳化硅陶瓷的表面抛光图像；

图2示出了本发明的一个实施方式中烧结助剂含量7wt％的经放电等离子烧结制备的碳化硅陶瓷的SiC-SiC晶界形貌；