导电性高强度致密陶瓷制造技术

一种低成本的无压烧结的碳化硅陶瓷复合材料及制造这种复合材料用的工艺方法，与本领域普通技术人员知道的复合材料相比，这种复合材料具有相对高的电导率、相对高的密度和相对大的机械强度。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一些成本较低的无压烧结的碳化硅陶瓷复合材料及其制造方法，这种陶瓷复合材料与本领域普通技术人员已知的相比具有相对较高的导电率、相对较高的密度和相对较高的机械强度。电力、电化学和气体装备工业中的许多设备，对重量轻、导热性好、尤其在提高的温度下具有高机械强度和优良耐氧化性的导电陶瓷的需求日益增加。这样的陶瓷可以为多种目的传导电流、吸收能量冲击和产生热，以及/或者可以用作提高温度下的结构元件。由于一些经济上的原因，一般最好优选用相对便宜的原料制造这样的物品和设备，而且这样的物品和设备还应当在相当长的时间内能够持续使用。此外，人们还十分希望所说的材料容易以相对低的成本成形为复杂的形状;对于陶瓷材料来说，这往往需要无压烧结(pressurelesssintering)和大规模生产用的成形方法，例如注模成形和干压法。对于电导性加热元件来说，人们习惯上使用重结晶的碳化硅材料制造导电加热体。采用重结晶法的一些主要原因，包括除去杂质(包括不限制过量的)、未结合的硅，或者说使游离硅尽可能多地与碳反应生成额外的碳化硅。此外，有人采用重结晶法的目的在于保证全部结构呈晶体状，以及使全部晶体具有α-相以保证具有更均一的电阻率。还有人认为重结晶作用可以通过重组晶体来把晶体结构连接起来，以便造成晶粒生长。重结晶的碳化硅体，通常具有所需的电导率(约为1～100(Ω-cm)-1］，但是这样的物体如在加热元件形式中往往具有相对较低的密度(一般小于约2.5克/厘米3)，同时具有相对高的孔隙度和相对低的强度。不仅如此，在制造这种重结晶的碳化硅加热元件体时，由于成形所需的炉内加热温度极高(如处于2300～2500℃范围内)，所以要获得精确的电学和机械性质所需的充分控制如果不是不可能的也往往是困难的;而且由于高温炉设计的现状以及通过加热和冷却在一次操作至另一次操作间的反复循环使炉内部和密封剥蚀，在这样温度范围内的炉温本来就不好控制。在2300～2500℃温度范围内，碳化硅易于升华，从而导致降低密度的无规则多孔性、使所生产的物体强度减小，并且造成电学性质上出现一些不能预期和不可控制的变化。此外，此方法的实质是试图在硅和碳之间达到一种精确平衡和完全的化学反应，以便使初始的碳化硅物料中所含的游离碳杂质等在加热期间使炉中达到重结晶温度时形成碳化硅。试图消除游离碳原的理由是尽量控制所生产物质的电导率，因为碳是导电体，而且此最终物体内捕获游离碳的空穴是离散的，其位置和大小又是无规的，在电导率方面能够容易造成显著变化的不可预期的结果，因而达不到精密制造的目的。此外，捕获了游离碳的空穴容易降低此最终物体的物理强度，而且由于靠近表面未被完全捕获的碳的气化而造成多孔性。然而，为了基本上将全部游离碳转化似乎必须加入过量的游离金属硅;此工艺有时叫作碳化硅的“硅化”或“反应结合”法，而且有时通过加入高或大于碳化硅原料中所含游离碳杂质量的受控量游离碳来完成。但是，一些过量的游离硅容易以无规的离散方式依然被捕获在加热元件体内。或者过量的硅，尤其是靠近加热元件体表面的硅往往以气体形式被驱除，以实际上不能精确控制的方式留下一些大小和位置不同的随机的孔，给出有利于制造的所需实用参数。伴随所说随机多孔性的是产品组成上的随机变化，它往往导致产品性质上的不精确变化，其中包括电导率不精确和机械强度降低。结果是最终产品的质量往往低于所希望的水平，而且能用的产品产率很低，例如只有60%到70%或更低。于是，可以上市的产品价格被抬高到包含废品成本在内的水平。为了解决这些问题以及生产其它最终用途的产品，在市场上过去出售了一些热压烧结碳化硅体，而现在可以得到无压烧结的碳化硅结构体。这些物体中，有一些可以含源于炭黑、石墨或碳化的有机组合物的15%附加游离碳(在原始的粒状碳化硅之外)。这样的碳化硅体在室温下使用时可以完全具有所需的电导率和改进的机械强度。但是，在这些最终产品中所含的过量碳，不适于许多高温下使用，尤其不适于高温氧化气氛中(如空气和热水蒸汽中)使用。而且，众所周知热压法对于制造有复杂形状的产品或者大批生产来说是一种适用的但是极不经济的方法，而且无压烧结这种物体已知需要很严格的温度范围控制，以便为产生完全烧结作用，应提供足够高的但是又不致于出现升华的温度，例如在约2150℃～约2190℃窄烧结温度范围内烧结一段规定的短暂时间。本领域中普通技术人员知道几种无压烧结碳化硅的改进方案。例如一些已知的碳化硅/石墨/碳陶瓷复合体已知表现出很低的电阻率(即高导电率)。但是，含石墨/碳的材料对于如在加热元件上的使用来说不具有适当的抗氧化性。而且，石墨和碳的夹杂还往往显著降低结构强度。其它已知的无压烧结碳化硅(含很低游离碳)有很低的电导率(即高电阻率)。这种碳化硅可以用作结构材料，因为它们具有很好的高温强度和抗氧化性，但是在电学上采用时却只能用作电绝缘阻挡层，即作为绝缘体使用，此时可能需要电学上的半导体基体。已知一些无压烧结的碳化硅-钛复合材料，它们往往具有很低的电阻率(小于1.0Ω-cm，有时小于0.2Ω-cm)。在烧结之前，通过向粒状碳化硅中加入不高于3重量百分数(以下记作“Wt%”)的导电性钛化合物(如碳化钛或氮化钛)，可以制造这种材料。这种材料的一种改进品可以制造如下向烧结的碳化硅相中，加入数量为大约5～20Wt%的性质不同的导电性二硼化钛第二相，以便获得很低的电阻率。但是人们知道，钛化合物在提高的温度下于空气中易被氧化;而且夹杂钛化合物往往在提高的温度下使烧结的碳化硅的结构完整性降低。因此，这些材料体系被认为不适于高温下应用。这些主要的碳化硅复合材料中，似乎没有一种能够分别由熔炼工作者、电化学工业和气体装备工业中制造的具有指定而精确的电导率、足够的机械强度和足够的抗氧化性，以便像目前所需的那些长时间作为电极或点火器之类电热元件使用。因此，目前仍然需要一种具有上面提到全部性能的材料，这种材料能够用便宜的无毒成分制造，而且能在低成本下制成炉子和气体燃烧装置等制造者所需的复杂形状。本专利技术包括一种无压烧结的碳化硅陶瓷复合材料品，这种物品优选具有至少0.05(Ω-cm)-1的D.C.电导率，按Archimedes法测得的密度至少为2.9克/厘米3，以及按四点抗弯强度试验法测得的抗挠曲强度至少为150MPa，优选至少为400MPa。烧结的碳化硅陶瓷复合材料品，优选能显示P型碳化硅半导体特性的。所说的无压烧结的碳化硅陶瓷复合材料品含约0.5～6.0Wt%铝、约0.1～2.0Wt%硼、约0.1～6.0Wt%游离碳(未结合的碳，即与硅、硼和/或铝未结合的碳)和至少约90.0Wt%碳化硅，所说的碳化硅α相占优势(本文中所用的词“占优势”、“主要”、“多数”指大于50Wt%)。本专利技术物品中的铝，存在量至少等于硼的重量百分数。本专利技术的烧结复合材料可以用于制造产生热的装置和物品，其中利用通过这种装置和物品传导电流而发热。这种导电装置或物品，有时在一些情况下可以叫作加热元件、电极或点火器。本专利技术的烧结复合材料中，具有相当高导热性和热稳定性的那些也可以用作制造高电流和高电压热耗性的整体陶瓷电阻器;具有高电导率和耐蚀性的那些，也可以用于制造电化学工业用的电极;而且具有较高机械强度的那些也可以用来制造本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无压烧结的碳化硅陶瓷复合材料物品，其Ｄ. Ｃ. 电导率至少为０. ０５（Ω－ｃｍ）↑［－１］，用Ａｒｃｈｉｍｅｄｅｓ法测得的容积密度至少为２. ９克／厘米↑［３］，用四点抗弯强度试验法测得的抗挠曲强度至少为１５０ＭＰａ，而且表现出Ｐ－型碳化硅半导体特性；所说的物品含约０. ５～６. ０Ｗｔ％铝，约０. １～２. ０Ｗｔ％硼，按重量百分数计所说的铝存在量至少与所说的硼同样多，约０. １～６. ０Ｗｔ％游离碳以及至少约９０. ０Ｗｔ％碳化硅，所说的碳化硅占优势的是α相碳化硅。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：贾开印，
申请(专利权)人：贾开印，
类型：发明
国别省市：US[美国]