[发明专利]一种高热导率反应烧结碳化硅陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高热导率反应烧结碳化硅陶瓷材料及其制备方法，它由以下质量百分比的原料组成，碳化硅50‑90wt.％，石墨烯0.5‑12.5wt.％，炭粉5‑15wt.％，表面活性剂1‑3wt.％，分散剂0.5‑2.5wt.％，粘结剂0.3‑1.5wt.％；上述原料经混合、成型、真空条件下于温度1650‑1800℃反应烧结8～12小时，制得。本发明制得的SiC陶瓷材料硬度高、热膨胀系数低、热导率高，材料性能更加均匀、一致，提高了材料的服役可靠性。

技术领域

本发明涉及一种高热导率反应烧结碳化硅(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

SiC陶瓷具有硬度高，耐高温、耐氧化、化学稳定性好、抗热震性好等优点，使其在工业窑炉、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。

相比于无压烧结SiC陶瓷，反应烧结SiC陶瓷具有原料价格低、近净成形、烧结温度低(1600-1800℃)、生产周期短等优点，在使用温度低于1380℃、无强酸碱腐蚀条件下，具有比无压烧结SiC陶瓷更明显的优势。然而，目前制得的反应烧结SiC陶瓷材料却普遍存在着热导率低的问题。

TANAKA S.等[Analysis of Additives on BeO-Doped SiC Ceramics bySecondary Ion Mass Spectroscopy[J].Journal of the Ceramic Society of Japan,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270W/(m·K)。Safaraliev G K等[Formation of solid solutions in the SiC-BeO system duringhot pressing of ceramics，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。因而通过在反应烧结SiC陶瓷加入氧化铍提高其热导率并不是理想的选择。

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。研究表明，室温下石墨烯的热导率已超越块体石墨(2000W/(m·K))、碳纳米管(3000～3500W/(m·K))和钻石等同素异形体的极限，达到5300W/(m·K)，远超银(429W/(m·K))和铜(401W/(m·K))等金属材料。优异的导热和力学性能使石墨烯在热管理领域极具发展潜力。

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

针对现有技术的不足，本发明提供一种高热导率反应烧结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。

术语说明

D₅₀：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。

本发明的技术方案如下：