本发明专利技术涉及一种高导电碳化硅红外辐射陶瓷及其制备方法和应用，所述高导电碳化硅红外辐射陶瓷包括：SiC主相、分散于SiC主相中的导电相填料碳纳米管及烧结助剂；按质量分数100wt％计，所述SiC主相的质量分数为93.4～95.4wt％，碳纳米管的质量分数为3～5wt％，烧结助剂的质量分数为0～1.6wt％。结助剂的质量分数为0～1.6wt％。结助剂的质量分数为0～1.6wt％。
【技术实现步骤摘要】
一种高导电碳化硅红外辐射陶瓷及其制备方法和应用
[0001]本专利技术属于碳化硅陶瓷领域，具体涉及一种高导电碳化硅红外辐射陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
[0002]随着工业现代化程度的不断提高，各领域对材料提出了更高的要求，往往需要材料具有结构与性能一体化的特性。碳化硅(SiC)陶瓷具有密度低、导热系数高、热膨胀系数低、高温力学性能优良、耐腐蚀、抗氧化等优点，是一种极具吸引力的结构材料。此外，SiC陶瓷还具有良好的功能特性，如良好的红外辐射性能，已作为发射体材料用于国际热核实验反应堆(ITER)
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电子回旋发射(ECE)诊断系统。事实上，碳化硅陶瓷作为一种新一代的中远红外光源材料可以应用于更广泛的领域，但其较差的电学性能限制了其应用范围。
[0003]晶界处肖特基势垒的存在是导致SiC陶瓷呈现高电阻、非线性伏安特性等电学性能的主要原因。基于此，若采用SiC陶瓷作为红外光源材料制成用电器件将存在以下问题：SiC陶瓷的高电阻特性使得红外光源器件在通电后响应速度较慢，因此使用前需要预热较长时间；而SiC陶瓷的非线性伏安特性将导致红外光源器件在工作时难以稳定控制辐射功率或准确测量温度数据。因此，有必要对SiC陶瓷的电学性能进行优化来实现SiC陶瓷线性导电的效果，同时保持其高红外辐射性能，广泛应用于红外光源器件中。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供了一种高导电碳化硅红外辐射陶瓷及其制备方法和应用，旨在改善SiC陶瓷电学性能的同时保持其高红外辐射性能，本专利技术在SiC陶瓷基体中引入导电相填料是一种简单且有效的方法。根据Schottky
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Mott理论，导电相可以与SiC之间形成更低的肖特基势垒高度，这将进一步降低SiC陶瓷的电阻率和非线性系数。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种高导电碳化硅红外辐射陶瓷，所述高导电碳化硅红外辐射陶瓷包括：SiC主相、分散于SiC主相中的导电相填料碳纳米管及烧结助剂；按质量分数100wt％计，所述SiC主相的质量分数为93.4～95.4wt％，碳纳米管的质量分数为3～5wt％，烧结助剂的质量分数为0～1.6wt％。
[0006]较佳地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，所述碳纳米管的直径为5～15nm，长度为10～30μm；所述碳纳米管的含量在3～5wt％变化时，所述高导电碳化硅红外辐射陶瓷的密度为3.00～3.03g
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cm
‑3，相对密度为96～97％，电阻率为16.5～73.5Ω
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cm，呈现线性导电，其非线性系数仅为1.000～1.001，室温红外发射率为0.67～0.68。
[0007]较佳地，所述烧结助剂包括B源和C源，所述B源为B4C、硼粉或硼酸中的至少一种，优选为B4C；所述C源为无定形碳、炭黑、酚醛树脂、果糖中的至少一种，优选为炭黑，B4C的质量分数为0.4～0.8wt％，炭黑的质量分数为0.8～1.2wt％。
[0008]第二方面，本专利技术还提供了一种所述高导电碳化硅红外辐射陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)碳纳米管分散液的制备。称取碳纳米管、分散剂至烧杯中，加入适量无水乙醇，经高功率超声处理后得到碳纳米管分散液；
[0010](2)混合粉体的制备。按照设计比例称取SiC粉体和烧结助剂，将其与步骤(1)制得的碳纳米管分散液混合，经球磨处理得到混合浆料；随后经烘干、破碎、造粒处理得到混合粉体；
[0011](3)称取步骤(2)制得的混合粉体于石墨模具中，经烧结处理得到高导电碳化硅红外辐射陶瓷。
[0012]较佳地，在所述步骤(1)中，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的至少一种，所述分散剂的加入量为碳纳米管添加量的5～25wt％，优选为10～15wt％。
[0013]较佳地，在所述步骤(1)中，所述高功率超声处理条件为：功率为800～1000W，超声时间为0.5～1h。
[0014]较佳地，在所述步骤(2)中，所述球磨处理条件为：球磨转速为200～400r
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‑1，球磨时间为2～6h。
[0015]较佳地，在所述步骤(2)中，所述烘干处理温度为70℃，干燥时间为12小时；造粒方法可为喷雾造粒或过尼龙筛。
[0016]较佳地，在所述步骤(3)中，所述烧结可选为热压烧结(HP)或放电等离子体烧结(SPS)，优选为放电等离子体烧结，所述放电等离子体烧结参数为：轴向压力为25～50MPa，优选为30～40MPa；烧结温度为1850～2000℃，优选为1950～2000℃；升温速率为50～100℃
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min
‑1；保温时间为5～10min；烧结气氛为真空气氛或氩气气氛，优选为真空气氛。
[0017]第三方面，本专利技术提供了一种上述高导电碳化硅红外辐射陶瓷在红外光源器件材料中的应用。
[0018]本专利技术通过将具有高导电特性和高红外辐射性能的碳纳米管引入到SiC基体中，制成具有高导电、高红外辐射特性的SiC陶瓷材料。碳纳米管是一种二维纳米材料，具有较大的长径比，将其分散于SiC基体中有望在较少的添加量下形成导电网络，即样品内部发生渗流效应，实现线性导电的效果。较少第二相填料的引入也有利于保持碳化硅陶瓷原有的优良性能。本专利技术采用放电等离子体烧结技术以实现快速烧结，碳纳米管引入到SiC基体中可增强素坯的导电性，可改善脉冲电流在素坯中的分布，进而使得烧结过程中素坯内部的热量分布更加均匀。这有利于烧结过程中样品中气孔的排出，从而获得更为均匀致密的碳化硅陶瓷。显然更致密的结构有利于电子传导过程的进行，有利于样品电导率的提升。此外，碳纳米管具有高红外辐射性能(C
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C键的红外发射率可达0.95)，这使得碳纳米管的加入不会劣化碳化硅陶瓷的红外辐射性能。
[0019]有益效果
[0020]本专利技术实现了SiC陶瓷的电阻率、非线性系数调控，同时使材料保持SiC陶瓷自身优异的红外发射性能，获得了具有低电阻率、线性导电的SiC红外辐射陶瓷，有望应用于红外光源器件中。
附图说明
[0021]图1为碳纳米管含量为3wt％和5wt％时碳化硅陶瓷的伏安特性曲线；
图2为无碳纳米管添加时碳化硅陶瓷的伏安特性曲线。
具体实施方式
[0022]为进一步阐释本专利技术的
技术实现思路
、特点与实际效果，下面结合实施例对本专利技术作详细说明。需要指出的是，本专利技术的设计的改性方法并不局限于这些具体的实施方式。在不背离本专利技术设计的精神与内涵的前提下，本领域技术人员在阅读本专利技术的内容的基础上进行的等价替换和修改，也在本专利技术要求保护的范围内。
[0023]本专利技术提供了一种高导电碳化硅红外辐射陶瓷，所述高导电碳化硅红外辐射陶瓷包括：SiC主相、分散于SiC主相中的导电相填料碳纳米管及烧结助剂；按质量分数100wt％计，所述SiC主相的质量分数为93.本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高导电碳化硅红外辐射陶瓷，其特征在于，所述高导电碳化硅红外辐射陶瓷包括：SiC主相、分散于SiC主相中的导电相填料碳纳米管及烧结助剂；按质量分数100wt％计，所述SiC主相的质量分数为93.4～95.4wt％，碳纳米管的质量分数为3～5wt％，烧结助剂的质量分数为0～1.6wt％。2.根据权利要求1所述的高导电碳化硅红外辐射陶瓷，其特征在于，当所述碳纳米管的含量在3～5wt％变化时，所述高导电碳化硅红外辐射陶瓷的密度为3.00～3.03g
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cm
‑3，相对密度为96～97％，电阻率为16.5～73.5Ω
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cm，呈现线性导电，其非线性系数仅为1.000～1.001，室温红外发射率为0.67～0.68。3.根据权利要求1或2所述的高导电碳化硅红外辐射陶瓷，其特征在于，所述烧结助剂包括B源和C源，所述B源为B4C、硼粉或硼酸中的至少一种，优选为B4C；所述C源为无定形碳、炭黑、酚醛树脂、果糖中的至少一种，优选为炭黑，B4C的质量分数为0.4～0.8wt％，炭黑的质量分数为0.8～1.2wt％。4.一种权利要求1
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3中任一项所述的高导电碳化硅红外辐射陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳纳米管分散液的制备：称取碳纳米管、分散剂至烧杯中，加入适量无水乙醇，经高功率超声处理后得到碳纳米管分散液；(2)混合粉体的制备：按照设计比例称取SiC粉体和烧结助剂，将其与步骤(1)制得的碳纳米管分散液混合，经球磨处理得到混合浆料；随后经烘干、破碎、造粒处理得到混合粉体；(3)称取步骤(2)制得的混合粉体于石墨模具中，经烧结处...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，祝明，黄政仁，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：
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