[发明专利]一种晶粒定向碳化硅陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种晶粒定向碳化硅陶瓷材料及其制备方法，所述碳化硅陶瓷通过采用中强磁场定向以磁性碳化硅粉体为原料的浆料中的颗粒晶向而制备，所述碳化硅陶瓷的晶粒80%以上沿006方向取向排列。本发明的晶粒定向碳化硅陶瓷具有优异的导热性能，碳化硅陶瓷相对密度大于95%，沿006方向的取向因子大于0.80。

技术领域

本发明涉及一种晶粒定向碳化硅陶瓷材料以及其制备方法，属于陶瓷材料制备领域。

背景技术

碳化硅(SiC)是传统的结构-功能陶瓷，被广泛应用于大功率半导体、精密轴承、短波发光二极管、热交换器部件、原子热反应堆材料及空间光学应用材料等。受制于理论认识与制备技术的不足，与单晶和复合材料相比，SiC陶瓷在导热、力学和半导电性能等方面还有一定差距。如果能将SiC陶瓷的晶粒可控定向排列，那么其在导热、力学等方面可达到或超过碳化硅单晶的性能。

发明内容

本发明的目的在于利用磁性碳化硅粉体在晶轴各方向的磁化率差异，采用中强磁场使其晶粒在浆料中沿同一方向高度定向排列并制备晶粒定向的碳化硅陶瓷。

在此，本发明提供一种晶粒定向碳化硅陶瓷，所述碳化硅陶瓷通过采用中强磁场定向以磁性碳化硅粉体为原料的浆料中的颗粒晶向而制备，所述碳化硅陶瓷的晶粒80％以上沿006方向取向排列。

本发明的碳化硅陶瓷晶粒80％以上沿006方向取向排列，具有定向高导热的优点。

本发明中，所述中强磁场为4～10T。

本发明还提供一种制备上述晶粒定向碳化硅陶瓷的方法，所述方法包括：

将磁性碳化硅粉体、烧结助剂、分散剂、溶剂混合研磨，配置成固含量为10～50vol％的浆料；

将所述浆料在4～10T的磁场中注浆成型，固化后得到胚体；

将所述胚体于1900～2200℃无压烧结，得到所述晶粒定向碳化硅陶瓷。

本发明采用具有铁磁性的碳化硅粉体作为原料粉体配置浆料，并利用中强磁场定向碳化硅浆料中的颗粒晶向，再经烧结制得晶粒定向碳化硅陶瓷。由于该碳化硅粉体具有铁磁性，使得具有良好分散性和稳定性的浆料中无数的小颗粒能够在中强磁场中按照自身能量最低的方向(006方向)有序排列，发生晶粒随定向。上述方法制得的碳化硅陶瓷晶粒沿006方向取向排列，从而能够使其在006方向接近单晶的性能。此外，烧结过程中控制工艺可以使晶粒不发生重排。本发明的制备方法工艺简单，成本低廉，有利于大规模生产，制得的晶粒定向碳化硅陶瓷具有优异的导热性能，碳化硅陶瓷相对密度大于95％，沿006方向的取向因子大于0.80，可高达0.92。

本发明中，所述磁性碳化硅粉体由碳化硅粉体经中子轰击或元素掺杂制备。

较佳地，所述元素掺杂包括Al、B、Fe、Mn元素掺杂。

较佳地，所述磁性碳化硅粉体纯度大于98％，粒径为0.3～10μm。本发明方法中，对粉体原料的颗粒形貌没有限制，在中强磁场中，在配置出良好分散性和稳定性的浆料的情况下，无数的小颗粒能够按照自身能量最低的方向有序排列。

本发明的制备方法中，所述烧结助剂可以采用氧化铝和/或氧化钇。所述溶剂可以是水或酒精。较佳地，所述氧化铝纯度大于98％，粒径为0.1～5μm；所述氧化钇纯度大于98％，粒径为0.5～10μm。所述氧化铝和/或氧化钇的含量优选占原料粉体重量的1-10wt％。

较佳地，所述分散剂为聚乙烯亚胺或四甲基氢氧化铵。分散剂用量优选为原料粉体的0.2-3.0wt％。

本发明的制备方法中，可以在原料、烧结助剂、分散剂等混合后真空或加消泡剂除泡。此外，还可以对配置的浆料水溶液调节pH值8.0-10，以提高分散剂活性，防止浆料随重力快速沉降。