CN104098335B - 一种高电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法，所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成包括1.54-3.08wt%的Al₂O₃、3.46-6.92wt%的Er₂O₃以及碳化硅，上述三种组成之和为100wt%；所述高电阻率碳化硅陶瓷含有晶化的碳化硅晶粒、包覆在晶化的碳化硅晶粒表面的非晶化碳化硅颗粒以及存在于晶化的碳化硅晶粒之间的晶界膜。<b />

Description

一种高电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于碳化硅陶瓷领域，具体涉及一种高电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷由于具有优良的力学性能，且具有耐磨损，耐酸碱腐蚀性强，抗氧化性强等特点而一直以来作为结构材料使用。但是实际上碳化硅是一种宽带隙半导体，具有热导率高，电子饱和漂移速率大，化学稳定性好等优点，且具有Si最为接近的热膨胀系数，因而有希望替代Si制作苛刻环境下应用的电路基板。实现Si基板替代的关键是制备高电阻碳化硅。虽然单晶碳化硅具有很高的电阻率，可以满足应用。但是单晶碳化硅的制作成本高，工艺复杂，这使得单晶碳化硅的应用受到很大的限制。相比之下，多晶碳化硅陶瓷的制备成本较低，工艺也较为简单。因而若能制备高电阻率的碳化硅陶瓷，则能实现Si基板的大幅替代，实现碳化硅陶瓷的广泛应用。早在80年代Takeda等人就通过掺杂BeO制备了电阻率高达10¹³Ωcm的碳化硅陶瓷，但是BeO对环境和人体都有很大的毒害作用。因而这种制备方法无法得到广泛的应用。A.Can等人则通过研究微观结构与电阻率的关系制备出了电阻率高达10³-10⁹Ωcm的碳化硅陶瓷，但是该水平的电阻率依然无法满足实际应用。

发明内容

本发明旨在克服现有碳化硅陶瓷的性能缺陷，本发明提供了一种高电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法。

本发明提供了一种高电阻率碳化硅陶瓷，所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成包括1.54-3.08wt％的Al₂O₃、3.46-6.92wt％的Er₂O₃以及碳化硅，上述三种组成之和为100wt％；所述高电阻率碳化硅陶瓷含有晶化的碳化硅晶粒、包覆在晶化的碳化硅晶粒表面的非晶化碳化硅颗粒以及存在于晶化的碳化硅晶粒之间的晶界膜。

本发明碳化硅陶瓷高电阻率的实现在于形成了细晶的微结构，细晶使得晶界增多，晶界对电子具有散射作用。同时微结构中的第二相是绝缘相，第二相在微结构中形成了连通，对具有半导体性质的碳化硅进行了包裹。另外，由于在烧结过程中降温速度非常快，第二相未能有效结晶，非晶第二相同样对电阻率的提高具有促进作用。

较佳地，所述晶化的碳化硅晶粒的尺寸可为0.5-0.8μm，所述非晶化碳化硅颗粒的尺寸可为0.03-0.2μm，所述晶界膜的尺寸可为0.5-3nm。

较佳地，所得碳化硅陶瓷的电阻率可在4.38×10¹⁰-3.52×10¹¹Ω·cm。

又，本发明还提供了一种上所述高电阻率碳化硅陶瓷的制备方法，所述方法包括：

1)制备符合所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成及组成之间比例的、含有SiC粉体、Al₂O₃粉体以及Er₂O₃粉体的均匀混合的复合粉体；

2)将步骤1)制备的复合粉体脱粘后，在放电等离子烧结炉中、1650-1750℃、真空条件下烧结，得到所述高电阻率碳化硅陶瓷。

较佳地，所述复合粉体的制备方式可为：

1)称量符合所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成及组成之间比例的有SiC粉体、Al₂O₃粉体以及Er₂O₃粉体，与酒精混合得到固含量为45-55wt％的浆料；

2)将所述浆料依次经过以下处理：以SiC球为研磨介质进行球磨处理、烘干、破碎研磨、过筛。

较佳地，浆料中SiC粉体、Al₂O₃粉体以及Er₂O₃粉体的质量之和与SiC球研磨介质的质量比可为1：(1-3)。

较佳地，所述SiC粉体可为α-SiC粉体。

较佳地，所述烧结的时间可为10-30分钟。

本发明提供的有益效果：

本发明以氧化铝以及氧化铒作为烧结助剂，通过放电等离子液相烧结法来制备高电阻率的碳化硅陶瓷。相比于其他方法制备的碳化硅陶瓷，其电阻率得到了大幅提高。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方式中烧结助剂含量7wt％的经放电等离子烧结制备的碳化硅陶瓷的表面抛光图像；

图2示出了本发明的一个实施方式中烧结助剂含量7wt％的经放电等离子烧结制备的碳化硅陶瓷的SiC-SiC晶界形貌；

图3示出了本发明的一个实施方式中烧结助剂含量7wt％的经放电等离子烧结制备的碳化硅陶瓷的三角晶界衍射分析图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提供了一种高电阻率液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法，属于碳化硅陶瓷领域。该碳化硅陶瓷具有高达3.52×10¹¹Ωcm的室温电阻率及高达72.3w/mK的室温热导率。其特征在于选用α-SiC粉体为原料，氧化铝和氧化铒为烧结助剂。烧结助剂粉体占粉体总量的5wt％～10wt％。该碳化硅陶瓷可在1650℃～1750℃的较低温度范围内采用放电等离子烧结制得。

所得碳化硅陶瓷的电阻率在4.38×10¹⁰-3.52×10¹¹Ωcm。

所述碳化硅陶瓷具有细晶粒，非晶第二相及晶界膜微观结构。

所述微观结构中碳化硅晶粒具有0.5-0.8μm的平均尺寸分布。

所述微观结构中第二相具有0.03-0.2μm的平均尺寸分布。

所述微观结构中碳化硅晶粒之间具有0.5-3nm的非晶晶界膜。

所述微观结构中碳化硅三角晶界处非晶相比例占到70％以上。

上述高电阻率碳化硅陶瓷的液相烧结制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a.以α-SiC粉体，Al₂O₃粉体和Er₂O₃粉体作为初始原料，Al₂O₃粉体和Er₂O₃粉体的摩尔比例为5∶3；

b.以酒精为溶剂，将上述原料配成45-55wt％的浆料，以SiC球为研磨介质，混合，烘干，研磨，过筛，制备出复合粉体原料；

c.上述复合粉体原料，高温脱粘后装模；在放电等离子烧结炉中真空高温烧结。烧结得到具有细晶粒，非晶第二相及晶界膜微观结构的碳化硅陶瓷。

所述α-SiC粉体，Al₂O₃粉体和Er₂O₃粉体的平均粒径为0.2～0.6μm。

所述Al₂O₃粉体占总量的1.54～3.08wt％，Er₂O₃粉体占总量的3.46～6.92wt％。

所述原料与SiC球研磨介质的质量比为1∶1～1∶3。

所述烧结温度为1650-1750℃，保温时间为10-30min。

本发明碳化硅陶瓷高电阻率的实现在于形成了细晶的微结构，细晶使得晶界增多，晶界对电子具有散射作用。同时微结构中的第二相是绝缘相，第二相在微结构中形成了连通，对具有半导体性质的碳化硅进行了包裹。另外，由于在烧结过程中降温速度非常快，第二相未能有效结晶，非晶第二相同样对电阻率的提高具有促进作用。

本发明在同一烧结制度下，通过添加不同含量Al₂O₃和Er₂O₃粉体，得到了不同密度和电阻率的液相烧结碳化硅陶瓷，密度最高可达3.26gcm^-3，电阻率最高可达3.52×10¹¹Ωcm。

表1为不同含量烧结助剂的粉体1700℃烧结10min(放电等离子液相烧结)获得的SiC陶瓷电阻率；

表1以Al₂O₃和Er₂O₃作为烧结助剂以放电等离子烧结制备的SiC陶瓷电阻率

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。本领域技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的温度、时间等也仅是合适范围中的一个实例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非限定于下文示例的具体数值。

实施例1

SiC粉体和烧结助剂(Al₂O₃1.54wt％，Er₂O₃3.46wt％)一共100g，以100g酒精为溶剂，将3种粉体配成固含量为50wt％的浆料，以SiC球200g为球磨介质，行星球磨4h，然后在恒温箱中60℃烘干为止。然后研磨粉碎，再经过100目的筛子过筛，脱粘后在放电等离子体烧结炉中真空下烧结，烧结温度为1700℃，保温时间为10min，得到的SiC陶瓷密度为3.26gcm^-3，电阻率为4.38×10¹⁰Ωcm；

从图1中，可以看出，通过本发明中的方法，制备得到致密的氧化硅陶瓷；

碳化硅晶粒的尺寸为0.5-0.8μm，所述非晶化碳化硅颗粒的尺寸为0.03-0.2μm；

从图2，可以看出，所述晶界膜的尺寸为0.5-3nm；

从图3，可以看出，所述氧化硅陶瓷微观结构中碳化硅三角晶界处非晶相比例占到70％以上。

实施例2

SiC粉体和烧结助剂(Al₂O₃2.16wt％，Er₂O₃4.84wt％)一共100g，以100g酒精为溶剂，将3种粉体配成固含量为50wt％的浆料，以SiC球200g为球磨介质，行星球磨4h，然后在恒温箱中60℃烘干为止。然后研磨粉碎，再经过100目的筛子过筛，脱粘后在放电等离子体烧结炉中真空下烧结，烧结温度为1700℃，保温时间为10min，得到的SiC陶瓷密度为3.26gcm^-3，电阻率为3.52×10¹¹Ωcm；

碳化硅晶粒的尺寸为0.5-0.8μm，所述非晶化碳化硅颗粒的尺寸为0.03-0.2μm，所述晶界膜的尺寸为0.5-3nm。

实施例3

SiC粉体和烧结助剂(Al₂O₃3.08wt％，Er₂O₃6.92wt％)一共100g，以100g酒精为溶剂，将3种粉体配成固含量为50wt％的浆料，以SiC球200g为球磨介质，行星球磨4h，然后在恒温箱中60℃烘干为止。然后研磨粉碎，再经过100目的筛子过筛，脱粘后在放电等离子体烧结炉中真空下烧结，烧结温度为1700℃，保温时间为10min，得到的SiC陶瓷密度为3.26gcm^-3，电阻率为6.57×10¹⁰Ωcm；

碳化硅晶粒的尺寸为0.5-0.8μm，所述非晶化碳化硅颗粒的尺寸为0.03-0.2μm，所述晶界膜的尺寸为0.5-3nm。

从上述三个案例可以看出，本发明采用Al₂O₃和Er₂O₃作为烧结助剂，通过放电等离子烧结的方法，获得了高电阻率的SiC陶瓷。

Claims (7)

1.一种高电阻率碳化硅陶瓷，其特征在于，所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成包括1.54-3.08wt%的Al₂O₃、3.46-6.92wt%的Er₂O₃以及碳化硅，上述三种组成之和为100wt%；所述高电阻率碳化硅陶瓷含有晶化的碳化硅晶粒、包覆在晶化的碳化硅晶粒表面的非晶第二相以及存在于晶化的碳化硅晶粒之间的非晶晶界膜，所述晶化的碳化硅晶粒的尺寸为0.5-0.8μm，所述高电阻率碳化硅陶瓷通过在1650-1750℃的温度范围内采用放电等离子烧结制得，所述碳化硅陶瓷的电阻率在4.38×10¹⁰-3.52×10¹¹Ω·cm。

2.根据权利要求1所述的高电阻率碳化硅陶瓷，其特征在于，非晶第二相颗粒的尺寸为0.03-0.2μm，所述非晶晶界膜的尺寸为0.5-3nm。

3.一种权利要求1或2所述高电阻率碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

1）制备符合所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成及组成之间比例的、含有SiC粉体、Al₂O₃粉体以及Er₂O₃粉体的均匀混合的复合粉体；

2）将步骤1）制备的复合粉体脱粘后，在放电等离子烧结炉中、1650-1750℃、真空条件下烧结，得到所述高电阻率碳化硅陶瓷。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述复合粉体的制备方式为：

1）称量符合所述高电阻率碳化硅陶瓷的组成及组成之间比例的有SiC粉体、Al₂O₃粉体以及Er₂O₃粉体，与酒精混合得到固含量为45-55wt%的浆料；

2）将所述浆料依次经过以下处理：以SiC球为研磨介质进行球磨处理、烘干、破碎研磨、过筛。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，浆料中SiC粉体、Al₂O₃粉体以及Er₂O₃粉体的质量之和与SiC球研磨介质的质量比为1：（1-3）。

6.根据权利要求3-5中任一所述的制备方法，其特征在于，所述SiC粉体为α-SiC粉体。

7.根据权利要求3-5中任一所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的时间为10-30分钟。