一种碳化硅红外辐射陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳化硅红外辐射陶瓷材料及其制备方法，所述碳化硅红外辐射陶瓷材料的原料组成包括：

A silicon carbide infrared radiation ceramic material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅红外辐射陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及一种碳化硅红外辐射陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种具有高红外发射率的碳化硅陶瓷材料及其制备方法，属于红外辐射陶瓷领域。
技术介绍
红外辐射陶瓷材料是指在红外波段具有高发射率或特征发射率的无机材料，是一种重要的功能材料。红外辐射陶瓷材料具有优良的红外辐射性能、化学稳定性及高温稳定性等特点，可广泛应用于红外光源、红外加热器、热光伏辐射器、航天器热控制涂层、星载微波定标源、核聚变定标源、LED散热基板等领域。例如：在高温炉中，绝大部分传热是由于辐射引起的，将高发射率涂料涂覆在金属或耐火基体表面，可有效提高炉的热辐射效率，显著降低热损失，使炉内回火分布更加均匀，红外辐射涂层材料可以对基体起到保护作用，减少维护，提高炉体的使用寿命，美国CRC公司研制的红外辐射材料应用于工业炉可节能10～30％，同时能够对炉衬基体有一定的保护作用，可延长其使用寿命1～4倍；在高超声速飞行器领域，其突出特点是飞行过程中对飞行器表面的传热，这种热能可以通过增加表面的辐射和传导传热来降低，高发射率材料在这一散热过程中可发挥有效作用；此外，高发射率的红外辐射涂层用于LED散热基板能很好地解决功率LED的散热难题，红外辐射材料还可以用作抗菌建材，并在纺织品上有一定的应用。近年来，红外辐射材料的相关研究发展迅速，其中8～20μm波段的发射率已超过0.9，而在1～8μm波段的辐射性能较差，只有0.5左右，且在高温条件下发射率不够高。SiC具有高强度、高导热、高真空适应性、高弹性模量、低热膨胀系数、优异的抗热震性能、抗腐蚀性能和抗氧化性能等多种优势，是重要的高温结构材料。SiC还是很好的红外辐射材料，在全波段都具有较高的红外发射率，且在2.5～8μm波段的辐射率较高。SiC材料以其优异的性能，有潜力可以作为现有红外辐射材料应用领域的更佳替代品。但是碳化硅材料在中波段的发射率较低，常温条件下最低点仅为0.2～0.3左右，这是SiC红外辐射材料亟需解决的问题。例如，专利1(中国公开号CN110078514A)虽然公开了一种碳化硅陶瓷在1～22μm波段范围内的法向发射率≥0.85。第一，其发射率是在高温条件下测试得到，测试温度越高，材料的发射率是越大的，有较大差别。第二，其测试的为1～22μm波段，由于碳化硅在15微米波段之后发射率很高，接近于1，在一定程度上会给总发射率带来较大提升。实际上，该专利1所得碳化硅在2.5～16μm，仍然较低(例如仅为0.69)。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种中波段发射率较高的碳化硅陶瓷红外辐射材料及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种碳化硅红外辐射陶瓷材料，所述碳化硅红外辐射陶瓷材料的原料组成包括：β-SiC和MgO-Al2O3-SiO2助剂；优选包括：76.5～95wt％β-SiC、0～8.5wt％AlN、5～15wt％MgO-Al2O3-SiO2助剂，各组分含量之和为100wt％。较佳的，所述MgO-Al2O3-SiO2助剂的原料组分包括：10～30wt％MgO、15～40wt％Al2O3、20～60wt％SiO2，各组分含量之和为100wt％。较佳的，所述碳化硅红外辐射陶瓷材料的原料组成包括：80～90wt％β-SiC、0～6wt％AlN、5～15wt％MgO-Al2O3-SiO2助剂，各组分含量之和为100wt％。较佳的，所述碳化硅红外辐射陶瓷材料在2.5～16μm的常温下的红外发射率为0.75～0.84；所述的碳化硅红外辐射陶瓷材料的密度为2.01～2.50g/cm3，弯曲强度为68～210MPa。另一方面，本专利技术提供了一种上述的碳化硅红外辐射陶瓷材料的制备方法，包括：(1)选用β-SiC粉体和AlN粉体作为原料粉体混合后，再在1700～2000℃固溶反应，得到固溶粉体；(2)将所得固溶粉体和MgO-Al2O3-SiO2助剂混合，得到混合粉体；(3)将所得混合份粉体压制成型后，再经真空脱粘和烧结，得到所述高红外发射率的碳化硅陶瓷材料。在本专利技术中，先将β-SiC粉体和AlN粉体在1700～2000℃固溶反应，使得AlN粉体先固溶在β-SiC粉体之中，以避免后续在真空脱粘和烧结过程中与MgO-Al2O3-SiO2助剂中各组分氧化物发生反应。而且，在SiC晶体中引入AlN杂质元素会破坏晶格周期性，造成晶格振动的对称性降低，而非简谐振动的增强将使振动吸收带宽化，从而促进晶格的振动吸收。同时，AlN杂质元素的存在将会造成这些区域的电子能态不同于其他的区域，有利于在电子的禁带能隙中形成杂质能级。而杂质能级的形成能够为价带中的空穴、电子的跃迁提供便利条件，这将会提升晶体中自由载流子浓度，SiC晶体中自由载流子的红外吸收也会得到改善，即提高了晶体的红外吸收性能，由基尔霍夫定律：可知，好的吸收体必然是好的辐射体，从而，提高了材料的红外发射率。然后将固溶粉体和MgO-Al2O3-SiO2助剂混合并压制成型，再经真空脱粘和烧结。在烧结过程中，特定组成的MgO-Al2O3-SiO2体系可以进一步形成堇青石分散于SiC基体中，其进一步实现在8～14μm波段具有较高的发射率，即采用材料复合的办法，使得该碳化硅红外辐射陶瓷材料能够在不同的温度范围内以及不同波长范围内，使材料的红外辐射能力得到互补和增强。较佳的，根据碳化硅红外辐射陶瓷材料的原料组分计算得到，β-SiC粉体和AlN粉体的质量含量分别为90～100wt％和0～10wt％，质量百分比之和为100wt％。较佳的，根据碳化硅红外辐射陶瓷材料的原料组分计算得到，固溶粉体和MgO-Al2O3-SiO2助剂的质量含量分别为85～95wt％和5～15wt％，质量百分比之和为100wt％。较佳的，按照MgO-Al2O3-SiO2助剂的原料组分称量MgO粉体、Al2O3粉体和SiO2粉体并混合，得到所述MgO-Al2O3-SiO2助剂。较佳的，所述β-SiC粉体的粒径为0.5～1μm；所述AlN粉体的粒径为1～2μm；所述MgO粉体的粒径为1～3μm；所述Al2O3粉体的粒径为100～200nm；所述SiO2粉体的粒径为1～3μm。较佳的，所述固溶反应的气氛为惰性气氛，优选为氩气气氛；所述固溶反应的气压为40～75mbar；所述固溶反应的时间为2～4小时。较佳的，所述原料粉体或混合粉体中还包含粘结剂；所述粘结剂选自酚醛树脂、聚乙烯醇PVA、聚乙烯醇缩丁醛PVB中的至少一种；所述粘结剂的加入量不超过原料粉体总质量的8wt％。在原料粉体中加入的粘结剂，使粘结剂和原料粉体混合均匀同时包裹在β-SiC和AlN粉体表面，且在后续固溶反应过程中粘结剂作为碳源发生裂解产生纳米级残留碳，碳与碳化硅粉体表面的二氧化硅层发生还原反应生成碳化硅和一氧化碳气体，氮化铝与新鲜的碳化硅粉体表面接触并进一步促进发生固溶反应进入碳化硅晶格，如图1，XRD结果无AlN的特征峰可证明。较佳的，所述压制成型的方式为干压成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅红外辐射陶瓷材料，其特征在于，所述碳化硅红外辐射陶瓷材料的原料组成包括：

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅红外辐射陶瓷材料，其特征在于，所述碳化硅红外辐射陶瓷材料的原料组成包括：β-SiC和MgO-Al2O3-SiO2助剂；优选包括：76.5～95wt%β-SiC、0～8.5wt%AlN、5～15wt%MgO-Al2O3-SiO2助剂，各组分含量之和为100wt%。


2.根据权利要求1所述的碳化硅红外辐射陶瓷材料，其特征在于，所述MgO-Al2O3-SiO2助剂的原料组分包括：10～30wt%MgO、15～40wt%Al2O3、20～60wt%SiO2，各组分含量之和为100wt%。


3.根据权利要求1或2所述的碳化硅红外辐射陶瓷材料，其特征在于，所述碳化硅红外辐射陶瓷材料在2.5～16μm的常温下的红外发射率为0.75～0.84；所述碳化硅红外辐射陶瓷材料的密度为2.01～2.50g/cm3，弯曲强度为68～210MPa。


4.一种如权利要求1-3中任一项所述的碳化硅红外辐射陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：
（1）选用β-SiC粉体和AlN粉体作为原料粉体混合后，再在1700～2000℃固溶反应，得到固溶粉体；
（2）将所得固溶粉体和MgO-Al2O3-SiO2助剂混合，得到混合粉体；
（3）将所得混合粉体压制成型后，再经真空脱粘和烧结，得到所述碳化硅红外辐射陶瓷材料。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，祝明，黄政仁，朱云洲，姚秀敏，陈忠明，刘学建，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31