[发明专利]一种具有各向异性电学性能的碳化硅压敏陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有各向异性电学性能的碳化硅压敏陶瓷及其制备方法，所述具有各向异性电学性能的碳化硅压敏陶瓷包括：SiC基体、弥散于SiC基体中的导电相填料碳纳米管以及促进材料致密化的烧结助剂B源和C源；各组分之和按照质量分数100wt％计，所述SiC基体的质量分数为96.4～97.9wt％，碳纳米管的质量分数为0.5～2wt％，B源的质量分数为0.2～1wt％，C源的质量分数为0.6～1.4wt％。

技术领域

本发明属于碳化硅陶瓷领域，具体涉及一种具有各向异性电学性能的碳化硅压敏陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷具有高强度、高模量、耐腐蚀、抗氧化、高导热、低热膨胀系数和低中子吸收截面等优势性能，是一种优异的结构材料，被广泛应用于各个领域中。事实上，碳化硅陶瓷还表现出非线性伏安特性，随着外加电压的增大，其电阻率迅速降低。碳化硅陶瓷的这种压敏电阻特性结合其自身的结构性能优势使其可以用作恶劣环境中的限压保护器件。具体地，碳化硅陶瓷压敏电阻可以用于各个方面，比如输电电路保护、电源控制系统、浪涌抑制元件、汽车电子系统、家用电器保护和电动机保护等。

工业领域的迅猛发展对材料提出了更加新颖的要求。如在微电子领域，各类电路开关、传感元件等对材料在不同方向上的电学性能(电阻率、伏安特性等)提出不同的要求。在主相材料中引入导电相填料，通过合适的工艺控制可实现材料电学性能的各向异性。研制具有各向异性电学性能的碳化硅陶瓷，可充分发挥其综合性能优势，大大拓宽其应用领域。

发明内容

本发明提供了一种具有各向异性电学性能的碳化硅压敏陶瓷及其制备方法，旨在充分发挥碳化硅陶瓷材料的综合性能优势，拓展其应用领域。

第一方面，本发明提供了一种具有各向异性电学性能的碳化硅压敏陶瓷，所述具有各向异性电学性能的碳化硅压敏陶瓷包括：SiC基体、弥散于SiC基体中的导电相填料碳纳米管以及促进材料致密化的烧结助剂B源和C源；各组分之和按照质量分数100wt％计，所述SiC基体的质量分数为96.4～97.9wt％，碳纳米管的质量分数为0.5～2wt％，B源的质量分数为0.2～1wt％，C源的质量分数为0.6～1.4wt％。

较佳地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管；所述碳纳米管的直径为5～25nm，优选为5～15nm，长度为5～30μm，优选为10～30μm。所述碳纳米管的含量在0.5～2wt％范围内变化时，所述碳化硅陶瓷的密度为3.00～3.05g·cm^-3，相对密度为94.90～95.56％；所述碳化硅陶瓷电学性能具有明显的各向异性，其轴向电阻率为136～4.10×10³Ω·cm，轴向非线性系数为1.016～1.331，径向电阻率为55.1～1.65×10³Ω·cm，径向非线性系数为1.029～1.292，径向电阻率与轴向电阻率之比为0.34～0.41。

较佳地，所述B源为B₄C、硼粉或硼酸中的至少一种，所述C源为无定形碳、炭黑、酚醛树脂、果糖中的至少一种。

第二方面，本发明还提供了一种所述具有各向异性电学性能的碳化硅压敏陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳纳米管分散液的制备。分别称取碳纳米管和分散剂，加入到无水乙醇中，通过高功率超声处理制得碳纳米管分散液；

(2)混合粉体的制备。按照设计比例称取SiC粉体、B源、C源置于球磨罐中，加入步骤(1)制得的碳纳米管分散液，以SiC球为介质，球磨处理得到混合浆料；随后经干燥过筛制得混合粉体；

(3)称取步骤(2)制得的混合粉体，经高温烧结制得具有各向异性电学性能的碳化硅压敏陶瓷。

较佳地，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的至少一种，所述分散剂的加入量为碳纳米管添加量的5～25wt％，优选为10～20wt％。