一种导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料及制备方法，属于无机非金属材料技术领域。所述复合陶瓷块体材料由碳化硅、片层状碳材料以及钇铝石榴石组成；其制备步骤如下：将碳化硅、片层状碳材料、氧化钇、氧化铝以及无水乙醇加入球磨罐中进行球磨，将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪中除去无水乙醇，再将旋蒸后的固体进行干燥，得到干燥粉体；将干燥粉体放入石墨模具中，然后置于放电等离子烧结炉中进行压力烧结，随炉冷却，石墨模具中的固体即为所述导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料。本发明专利技术所述方法工艺简单，成本低廉；所制备的复合陶瓷块体材料既能实现将热量向四周快速传导同时起到对基体的隔热保护作用，达到有效的防护效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料及制备方法，属于无机非金属材料

技术介绍
近年来，由于激光的一些特性，使其在很多领域都有所应用，而激光作为武器使用则成为了目前国际各国研究的热点。目前，高能激光武器已经在海基、陆基和空基防御系统中得到了应用。高能激光武器可以使军事目标失能或毁坏，可以在防御系统中对抗导弹、卫星、无人机等飞行器，因此研究激光防护材料迫在眉睫。热损伤作用是激光武器破坏目标的主要机制之一，即利用强激光对物质的作用，当目标接受的辐射功率达到一定值时热量的积累速度远大于材料的散热速度造成温度急剧上升，超过材料的耐受值时，发生材料的烧蚀、融化或气化，在表面形成烧蚀坑或穿孔。目前应用在高能激光武器防护领域的材料多为高发射率、低热导率的陶瓷材料，虽然其低热导率(通常小于10W/(m·K))能起到对内部基体的隔热效果，但会使热量无法快速散出导致光斑中心位置最先被破坏烧损，内部被暴露进一步被烧损最终形成烧蚀坑。然而，导热各向异性材料由于其横向热导远大于纵向热导，理论上能实现将热量向四周快速传导同时起到对基体的隔热保护作用，达到有效的防护效果。但是，目前关于将具有导热各向异性材料应用于高能激光武器防护领域的实验还未见报道。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料及制备方法，所述方法工艺简单，成本低廉，实现了片层状碳材料的定向排布；所制备的复合陶瓷块体材料的轴向热导率与径向热导率具有显著的差异，既能实现将热量向四周快速传导同时起到对基体的隔热保护作用，达到有效的防护效果。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料，所述复合陶瓷块体材料由碳化硅、片层状碳材料以及钇铝石榴石组成；其中，碳化硅的质量与钇铝石榴石的质量比为9～10:1，碳材料的质量与碳化硅和钇铝石榴石的质量之和比为1:17～99。所述片层状碳材料优选石墨烯或氧化石墨烯。碳材料的质量与碳化硅和钇铝石榴石的质量之和比优选1:19～33。一种如本专利技术所述的导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料的制备方法，所述方法步骤如下：步骤1.将碳化硅、片层状碳材料、氧化钇、氧化铝以及无水乙醇加入球磨罐中，然后在300r/min～400r/min的转速下球磨6h～8h，得到混合均匀的浆料；将混合均匀的浆料放入旋转蒸发仪中除去无水乙醇，再将旋蒸后的固体置于80℃～100℃下进行干燥，得到干燥粉体；步骤2.将步骤1得到的干燥粉体放入石墨模具中，再将石墨模具置于放电等离子烧结炉中，然后在石墨模具轴向上施加20MPa～30MPa的压力，并升温到1600℃～1800℃，保压保温3min～5min后，随炉冷却，石墨模具中的固体即为所述导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料。所述碳化硅、氧化钇以及氧化铝的颗粒平均粒径分别独立为0.3μm～0.5μm。氧化钇与氧化铝按照化学计量比进行混合，氧化钇的摩尔数与氧化铝的摩尔数比为3:5。放电等离子烧结炉中，升温速率为80℃/min～100℃/min。有益效果(1)本专利技术所述导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料，其主要成分为碳化硅及石墨烯；其中碳化硅具有很高的热稳定性，同时具有高导热性的特点，但该材料本身不具有导热各向异性；石墨烯是一种具有导热各向异性的高导热性材料，但其在空气中直接被高能激光辐照极易被氧化；实现石墨烯在SiC复合陶瓷中的定向分布能够该使复合材料实现导热各向异性，同时由于石墨烯分散于复合材料内部，受到碳化硅的保护，使得该复合材料兼具优良的热稳定性；本专利技术所述导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料在抗高能激光辐照领域具有十分广阔的应用前景。(2)本专利技术所述制备方法中，通过调控放电等离子烧结的参数，实现片层状碳材料在所述复合陶瓷块体材料中的定向排布；所述方法工艺简单，成本低廉。附图说明图1为实施例1中制备的导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料的X射线衍射(XRD)图。图2为实施例1中制备的导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料的断面扫描电子显微镜(SEM)图。图3为实施例2中制备的导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料的X射线衍射图。图4为实施例2中制备的导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料的断面扫描电子显微镜图。图5为实施例3中制备的导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料的断面扫描电子显微镜图。图6为实施例4中制备的导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料的断面扫描电子显微镜图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术做进一步说明。以下实施例中所用试剂如下表所示：以下实施例中所用仪器如下表所示：比热容的计算公式：cp＝cp1×ω1+cp2×ω2+cp3×ω3；其中，cp1和ω1、cp2和ω2、cp3和ω3分别为碳化硅、片层状碳材料以及钇铝石榴石的比热容及其质量分数；热导率计算公式：λs＝αs×cp×ρs；其中，λs为热导率，αs为热扩散系数，cp为比热容，ρs为密度。实施例1含5wt％石墨烯的导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料的制备：步骤1.将85.5g平均粒径为0.5μm的碳化硅、5g直径为5μm～10μm的石墨烯、5.42g平均粒径为0.3μm的氧化钇、4.08g平均粒径为0.5μm的氧化铝以及粒径大小不同的氧化锆球加入球磨罐中，再加入无水乙醇至球磨罐体积的2/3处，然后先将球磨罐置于超声仪中超声30min，再放入行星球磨机中在400r/min的转速下球磨6h，得到混合均匀的浆料；将混合均匀的浆料放入水浴加热的旋转蒸发仪中，然后在30r/min的旋蒸转速以及70℃的水浴加热温度下除去无水乙醇，再将旋蒸后的固体置于80℃的恒温干燥箱中干燥24h，得到干燥粉体；其中，氧化锆球的质量与碳化硅、石墨烯、氧化钇和氧化铝质量之和的比为4:1，大、中、小三种不同粒径的氧化锆球的质量比为1:2:2；步骤2.将步骤1得到的干燥粉体放入内径为Φ20.4mm、压头直径为Φ20mm的石墨模具中，再将石墨模具置于放电等离子烧结炉中，在石墨模具轴向上施加25MPa的单向压力，以100℃/min的升温速率升温到1700℃，保压保温5min后，随炉冷却，石墨模具中的固体即为所述导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料。图1的XRD谱图中仅存在碳化硅、钇铝石榴石以及石墨烯三种物质的特征峰，说明本实施例所制备的复合陶瓷块体材料存在碳化硅、钇铝石榴石以及石墨烯三相，无其他杂质相存在。从图2的断面SEM图中可以看到，石墨烯在本实施例所制备的复合陶瓷块体材料中定向排布。根据阿基米德排水法采用电子天平和密度测定组件测得所制备的复合陶瓷块体材料的密度ρs为3.15g/cm3。根据比热容的计算公式计算出所制备的复合陶瓷块体材料的比热容为670.35J/(kg·K)。根据仪器LFA447的制样要求，将所制备的复合陶瓷块体材料加工成尺寸为Φ20mm×0.2mm的试样，测得径向热扩散系数αs1为37.61mm2/s；加工成尺寸为Φ12.7mm×2mm的试样，测得轴向热扩散系数αs2为22.95mm2/s。根据热导率计算公式计算出所制备的复合陶瓷块体材料的径向热导率为79.43W/(m·K)，轴向热导率为48.45W/(m·K)。测试结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料，其特征在于：所述复合陶瓷块体材料由碳化硅、片层状碳材料以及钇铝石榴石组成；其中，碳化硅的质量与钇铝石榴石的质量比为9～10:1，碳材料的质量与碳化硅和钇铝石榴石的质量之和比为1:17～99。

【技术特征摘要】
1.一种导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料，其特征在于：所述复合陶瓷块体材料由碳化硅、片层状碳材料以及钇铝石榴石组成；其中，碳化硅的质量与钇铝石榴石的质量比为9～10:1，碳材料的质量与碳化硅和钇铝石榴石的质量之和比为1:17～99。2.根据权利要求1所述的一种导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料，其特征在于：所述片层状碳材料为石墨烯或氧化石墨烯。3.根据权利要求1所述的一种导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料，其特征在于：碳材料的质量与碳化硅和钇铝石榴石的质量之和比为1:19～33。4.一种如权利要求1至3任一项所述的导热各向异性的SiC复合陶瓷块体材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：步骤1.将碳化硅、片层状碳材料、氧化钇、氧化铝以及无水乙醇加入球磨罐中，然后在300r/min～400r/min的转速下球磨6h～8h，得到混合均匀的浆料；将混合均匀的浆料放入旋转蒸发...

【专利技术属性】
技术研发人员：高丽红，魏彬彬，马壮，王富耻，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11