碳化硅陶瓷及其制备方法与流程

本发明涉及陶瓷，特别是涉及一种碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、碳化硅陶瓷具有低密度、高导热系数、低热膨胀系数、高耐磨性、高强度、高硬度等优点，使得其被广泛用于如功能电子器件用陶瓷、高级耐火结构材料、耐磨耐热用陶瓷球阀与密封部件、磨料等领域。

2、超细晶粒碳化硅陶瓷相比于普通陶瓷具有更高的致密度和更高的导热率。超细晶粒碳化硅陶瓷采用的粉体可以是纳米碳化硅陶瓷粉体，纳米碳化硅陶瓷粉体因具有高烧结活性，是制备超细晶粒碳化硅陶瓷的优选材料。但是纳米碳化硅粉体容易出现团聚，粉料团聚会导致成型坯体中碳化硅粉体分布不均匀，使得在烧结过程中因各部位收编速率不同而导致“差异烧结”，从而在烧结体中形成大的不规则孔洞或类似裂纹的孔洞。这些孔洞成为潜在的裂纹源，从而大大降低碳化硅陶瓷的力学性能，同时也会降低碳化硅陶瓷的致密性和导热率。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种导热率较高、力学性能较好的碳化硅陶瓷及其制备方法。

2、本发明第一方面提供一种碳化硅陶瓷，其制备原料包括改性纳米碳化硅、烧结助剂和碳粉；所述改性纳米碳化硅包括纳米α-碳化硅和聚合物树脂层，所述聚合物树脂层包覆在所述纳米α-碳化硅的表面。

3、上述碳化硅陶瓷，通过在纳米碳化硅表面接枝包覆聚合物树脂层可以防止纳米碳化硅团聚，提升纳米碳化硅在陶瓷胚体中的均匀性，提升陶瓷胚体的烧结均匀性；同时包覆在纳米碳化硅表面的聚合物树脂层在脱脂和烧结过程中发生原位碳化，形成炭黑层，这些碳黑层又可与纳米粉体表面的氧化硅发生反应，降低碳化硅晶粒中的氧空位浓度，促进超细晶粒碳化硅陶瓷的烧结，提高晶粒结构的均匀性和碳化硅陶瓷的热导率；进一步地，选用α-碳化硅为纳米碳化硅原料同时加入烧结助剂和炭黑能够使实现陶瓷晶粒的快速致密化，防止晶粒异常长大，进一步提高碳化硅陶瓷晶粒的致密性和均匀性，进而提高碳化硅陶瓷的力学性能和导热性能。

4、在一些实施例中，按质量份数计，所述制备原料包括90份~98份的改性纳米碳化硅、0.5份~7.0份的烧结助和0.5份~3.0份的碳粉。

5、在一些实施例中，碳化硅陶瓷满足以下条件中的至少一项：

6、（1）所述改性纳米碳化硅中，聚合物树脂层的厚度为5nm~10nm；

7、（2）所述纳米α-碳化硅的平均粒径为20nm~200nm；

8、（3）所述聚合物树脂层的质量占纳米α-碳化硅质量的2wt%~5wt%。

9、在一些实施例中，所述碳化硅陶瓷满足以下条件中的至少一项：

10、（1）所述聚合物树脂层的材料为环氧树脂；

11、（2）所述烧结助剂选自氧化铝﹑氧化钇﹑氧化镁、硼﹑碳化硼﹑磷化硼﹑氮化硼、氮化铝及铝中的至少一种；

12、（3）所述烧结助剂的平均粒径为50nm~500nm；

13、（4）所述碳粉的平均粒径为20nm~200nm。

14、在一些实施例中，所述纳米α-碳化硅为表面羟基化的纳米α-碳化硅；和/或，

15、所述改性纳米碳化硅还包括非离子型表面活性剂，所述非离子型表面活性剂连接于所述聚合物树脂层的表面。

16、在一些实施例中，所述非离子型表面活性剂选自二亚丙基三胺和椰油脂肪酸二乙酰胺中的至少一种。

17、在一些实施例中，按质量份数计，所述制备原料还包括1份~3份粘结剂。

18、本发明第二方面提供上述碳化硅陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

19、将所述制备原料进行混合，然后成型，得到陶瓷胚体；

20、对所述陶瓷胚体依次进行脱脂处理和烧结处理。

21、在一些实施例中，所述脱脂处理的温度为350℃~500℃，时间为1h~3h；和/或，所述烧结处理的温度为1850℃~2150℃，保温时间为2h~4h。

22、在一些实施例中，所述制备方法还包括改性纳米碳化硅的制备步骤，包括：

23、将所述纳米α-碳化硅进行羟基化处理，得到表面羟基化的纳米α-碳化硅；

24、将所述表面羟基化的纳米α-碳化硅采用聚合物树脂进行表面包覆，得到表面包覆有聚合物树脂层的纳米α-碳化硅。

25、在一些实施例中，所述改性纳米碳化硅的制备步骤还包括：

26、在表面包覆有聚合物树脂层的纳米α-碳化硅的表面连接非离子型表面活性剂的步骤。

27、在一些实施例中，所述制备方法在成型步骤之前还包括造粒步骤，并得到平均粒径为50μm~200μm的复合粉体。

28、在一些实施例中，所述成型采用冷压成型，成型压力为50mpa~300mpa。

技术特征：

1.一种碳化硅陶瓷，其特征在于，其制备原料包括改性纳米碳化硅、烧结助剂和碳粉；所述改性纳米碳化硅包括纳米α-碳化硅和聚合物树脂层，所述聚合物树脂层包覆在所述纳米α-碳化硅的表面。

2.如权利要求1所述的碳化硅陶瓷，其特征在于，按质量份数计，所述制备原料包括90份~98份的改性纳米碳化硅、0.5份~7.0份的烧结助剂及0.5份~3.0份的碳粉。

3.如权利要求1所述的碳化硅陶瓷，其特征在于，所述碳化硅陶瓷满足以下条件中的至少一项：

4.如权利要求1所述的碳化硅陶瓷，其特征在于，所述碳化硅陶瓷满足以下条件中的至少一项：

5.如权利要求1~4任一项所述的碳化硅陶瓷，其特征在于，所述纳米α-碳化硅为表面羟基化的纳米α-碳化硅；和/或，

6.如权利要求5所述的碳化硅陶瓷，其特征在于，所述非离子型表面活性剂选自二亚丙基三胺和椰油脂肪酸二乙酰胺中的至少一种。

7.如权利要求1~4任一项所述的碳化硅陶瓷，其特征在于，按质量份数计，所述制备原料还包括1份~3份粘结剂。

8.如权利要求1~7任一项所述的碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述脱脂处理的温度为350℃~500℃，时间为1h~3h；和/或，所述烧结处理的温度为1850℃~2150℃，保温时间为2h~4h。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括改性纳米碳化硅的制备步骤，包括：

11.如权利要求8至10任一项所述的制备方法，其特征在于，所述改性纳米碳化硅的制备步骤还包括：

12.如权利要求8至10任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法在成型步骤之前还包括造粒步骤，并得到平均粒径为50μm~200μm的复合粉体。

13.如权利要求8至10任一项所述的制备方法，其特征在于，所述成型采用冷压成型，成型压力为50mpa~300mpa。

技术总结本发明涉及一种碳化硅陶瓷及其制备方法。其制备原料包括改性纳米碳化硅、烧结助剂和碳粉；改性纳米碳化硅包括纳米α‑碳化硅和聚合物树脂层，聚合物树脂层包覆在纳米α‑碳化硅的表面。上述碳化硅陶瓷，通过在纳米碳化硅表面接枝包覆聚合物树脂层可以防止纳米碳化硅团聚，提升陶瓷胚体的烧结均匀性；同时包覆在纳米碳化硅表面的聚合物树脂层在脱脂和烧结过程中发生原位碳化，形成炭黑层，促进超细晶粒碳化硅陶瓷的烧结，提高晶粒结构的均匀性和碳化硅陶瓷的热导率；选用α‑碳化硅协同烧结助剂和炭黑能够使实现陶瓷晶粒的快速致密化，防止晶粒异常长大，进一步提高碳化硅陶瓷晶粒的致密性和均匀性，进而提高碳化硅陶瓷的力学性能和导热性能。技术研发人员：贺鹏博,李亚林受保护的技术使用者：苏州铠欣半导体科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/13