本发明专利技术涉及一种各向异性的碳化硅导电陶瓷及其制备方法。所述各向异性的碳化硅导电陶瓷包括：SiC基体、以及分散在基体中的石墨烯纳米片和烧结助剂；按质量分数100wt%计，所述SiC基体的质量分数为90.5～96.4wt%，GNPs的质量分数为2～8wt%，余量为烧结助剂。余量为烧结助剂。余量为烧结助剂。
【技术实现步骤摘要】
一种各向异性的碳化硅导电陶瓷及其制备方法
[0001]本专利技术涉及一种各向异性的碳化硅导电陶瓷及其制备方法和应用，属于碳化硅陶瓷领域。
技术介绍
[0002]碳化硅陶瓷具有压敏特性，在某一电压范围内表现出非线性伏安特性，电阻会随着电压的升高而迅速减小。为了得到线性导电碳化硅陶瓷，基于渗流原理通过添加导电第二相方法使碳化硅陶瓷电阻率不再随电压发生变化。由于碳化硅陶瓷优异的力学性能和耐腐蚀性能，碳化硅线性导电陶瓷应用很广，可以用于穿戴系列导电陶瓷，ECG导电陶瓷，充电PIN，线切割导电柱，防静电导电陶瓷、吸波材料等等。
[0003]但是随着科学技术的进步与发展，对于新材料的性能要求趋向于多样化和复杂化，这就要求不仅要关注材料的宏观性能，还要从微观尺度把握和研究材料，研发制备一系列具有特定结构和性能的材料。在目前的研究工作中，研究者们往往更重视材料的宏观性能上的优劣，如机械性能、电性能、热性能、光性能等，往往忽视材料在微观性能上的差异，如材料沿不同方向导电性能的差异性在实际应用中的意义。
[0004]在导电复合型材料中某一组分在另一组分中的特殊分布会造成材料电学性能的各向异性，具体可以表现为材料电阻率的各向异性。由于导电各向异性材料在不同方向上表现出不同的导电性能，其在一些电子元件、电开关、传感器、显示器等领域具有重要的应用。
技术实现思路
[0005]针对上述问题，本专利技术旨在提供一种各向异性的碳化硅导电陶瓷及制备方法和应用。
[0006]一方面，本专利技术提供了一种各向异性的碳化硅导电陶瓷，所述各向异性的碳化硅导电陶瓷包括：SiC基体、以及分散在基体中的石墨烯纳米片和烧结助剂；按质量分数100wt％计，所述SiC基体的质量分数为90.5～96.4wt％，GNPs的质量分数为2～8wt％，余量为烧结助剂。
[0007]本专利技术通过引入石墨烯纳米片实现碳化硅陶瓷导电性的提升和电学性能的各向异性。石墨烯纳米片具有片层状结构，层内的导电性优于层间导电性，烧结过程中轴向压力的存在会使石墨烯纳米片发生一定的方向性选择，其在SiC基体中趋向在垂直于压力轴的平面内平行分布，这种分布的方向性使得电学性能的各向异性。
[0008]较佳的，所述烧结助剂为B4C或/和C粉；优选地，所述B4C与C粉质量比为3:5。
[0009]较佳的，所述石墨烯纳米片在垂直于外加烧结压力的压力轴的平面内平行分布。
[0010]较佳的，当GNPs含量在2～8wt％变化时，各向异性的碳化硅导电陶瓷的轴向电阻率在96.9～0.97Ω
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cm范围内可控，径向电阻率在59.23～0.77Ω
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cm范围内可控。
[0011]另一方面，本专利技术还提供了一种各向异性的碳化硅导电陶瓷的制备方法，包括
称取SiC粉体、B4C粉体、C粉，加入至石墨烯分散液中并混合，得到混合浆料；将混合浆料经过烘干过筛或喷雾造粒，得到混合粉料；将所得混合粉料进行放电等离子体烧结，得到所述各向异性的碳化硅导电陶瓷。
[0012]较佳的，所述混合的方式为球磨混合；所述球磨混合包括：以SiC球为球磨介质，用行星式球磨机进行球磨，球磨转速为200～300转/分钟，球磨时间4～10小时。
[0013]较佳的，将石墨烯纳米片和分散剂加入到无水乙醇中，在70～150W下超声分散60～150分钟，得到石墨烯分散液。
[0014]较佳的，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)中的一种；所述分散剂的加入量为石墨烯纳米片质量的5～20wt％，优选为5～10wt％。
[0015]较佳的，所述放电等离子体烧结的参数：施加的轴向压力为30～60MPa，烧结温度为1900℃～2100℃，保温时间为5～10分钟。
[0016]优选地，所述放电等离子烧结的升温速率为50～100℃/分钟；优选地，所述施加的轴向压力为40～50MPa。
附图说明
[0017]图1为2wt％GNPs添加量下碳化硅陶瓷在不同方向上的伏安特性曲线；图2为3wt％GNPs添加量下碳化硅陶瓷在不同方向上的伏安特性曲线；图3为4wt％GNPs添加量下碳化硅陶瓷在不同方向上的伏安特性曲线；图4为4wt％GNPs添加量下碳化硅陶瓷在不同方向上的伏安特性曲线；图5为无GNPs添加下碳化硅陶瓷在不同方向上的伏安特性曲线；图6为1wt％GNPs添加量下碳化硅陶瓷在不同方向上的伏安特性曲线。
具体实施方式
[0018]以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
[0019]本专利技术中，各向异性的碳化硅导电陶瓷主要由SiC基体材料以及分散于基体中的石墨烯纳米片组成，其中石墨烯纳米片定向排布(即碳化硅导电陶瓷中GNPs均匀分布并具有一定的取向性，其中GNPs在垂直于压力轴的平面内平行分布)。其中，各向异性的碳化硅导电陶瓷在不同方向上导电性能不同，其径向电阻率低于轴向电阻率。。
[0020]在可选的实施方式中，各向异性的碳化硅导电陶瓷具有线性伏安特性，轴向电阻率在96.9～0.97Ω
·
cm范围内可控，径向电阻率在59.23～0.77Ω
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cm范围内可控。
[0021]以下示例性地说明各向异性的碳化硅导电陶瓷的制备方法。
[0022]石墨烯纳米片分散液的制备。称取按比例计算量的GNPs和分散剂加入到无水乙醇中，在70～150W kW下超声分散60～150min，得到分散好的石墨烯分散液。石墨烯纳米片的尺寸包括：厚度为0.6～3.0nm，片径为0.2～10μm。
[0023]在可选的实施方式中，分散剂可为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)中的至少一种。所述分散剂的加入量可为石墨烯纳米片GNPs质量的5～20wt％，优选为5～10wt％。
[0024]配料及球磨混合。按比例称取SiC粉、B4C粉、C粉加入球磨罐中，倒入超声分散好的石墨烯分散液，采用湿法球磨混合(例如，以乙醇、SiC球为球磨介质，用行星式球磨机进行球磨，球磨转速为200～300转/分钟。球磨时间4～10h)，得到混合浆料。其中，SiC的质量分数可为90.5～96.4wt％，GNPs的质量分数可为2～8wt％，余量为烧结助剂(B4C粉、C粉)，总和为100wt％。
[0025]烘干过筛：将混合浆料经过烘干、过筛或通过喷雾造粒，得到混合粉料。其中，烘干温度可为60～70℃。粉体的细度要求为过100～200目筛，保持获得的粉料粒度的均匀性。
[0026]高温烧结。采用放电等离子体烧结并施加轴向压力，在1900～2100℃烧结，得到所述各向异性的碳化硅导电陶瓷。其中，轴向压力可为30～60MPa，优选为40～50MPa。烧结温度优选为1950℃～2050℃。放电等离子烧本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种各向异性的碳化硅导电陶瓷，其特征在于，所述各向异性的碳化硅导电陶瓷包括：SiC基体、以及分散在基体中的石墨烯纳米片和烧结助剂；按质量分数100wt%计，所述SiC基体的质量分数为90.5～96.4wt%，GNPs的质量分数为2～8wt%，余量为烧结助剂。2.根据权利要求1所述的各向异性的碳化硅导电陶瓷，其特征在于，所述烧结助剂为B4C或/和C粉；优选地，所述B4C与C粉质量比为3:5。3.根据权利要求1所述的各向异性的碳化硅导电陶瓷，其特征在于，所述石墨烯纳米片在垂直于外加烧结压力的压力轴的平面内平行分布。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的各向异性的碳化硅导电陶瓷，其特征在于，当GNPs含量在2～8wt%变化时，各向异性的碳化硅导电陶瓷的轴向电阻率在96.9～0.97Ω
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cm范围内可控，径向电阻率在59.23～0.77Ω
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cm范围内可控。5.一种如权利要求1
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4中任一项所述的各向异性的碳化硅导电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括称取SiC粉体、B4C粉体、C粉，加入至石墨烯分散液中并混合，得到混合浆料；将混合浆料经过烘干过筛或喷雾造粒，得到混合粉料；将所得混合粉料进行放电等离...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，陈文辉，黄政仁，祝明，马宁宁，
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：
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