CN104478438A

CN104478438A - 一种低电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN104478438A
Application number: CN201410743574.8A
Authority: CN
Inventors: 陈健; 黄政仁; 刘学建; 陈忠明; 姚秀敏; 袁明; 刘岩; 闫永杰; 朱云洲; 刘桂玲; 张辉
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2015-04-01

Abstract

本发明涉及一种低电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法，所述低电阻率碳化硅陶瓷的组成包括SiC、AlN、B₄C、C，其中，AlN 的含量1—5wt%，B₄C 的含量≤1wt%，C的含量为0—3wt%，其余为SiC。

Description

一种低电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低电阻率碳化硅(SiC)陶瓷的制备方法，属于SiC陶瓷领域。

背景技术

大功率脉冲系统原理在于：先将从低功率能源中获得的能量储存起来，然后将这些能量经高功率脉冲发生器转变成高功率脉冲，并传给负载。在该系统中需要用到纯电阻器件，并要求其具有耐高压、大电流，低分布电感，低电容的特性，从而满足应用时的高稳定特性。与大功率脉冲系统用电阻相比，目前国内解决高电压、大电流、无电感、瞬时放电条件下的电阻解决方案主要包括金属类的多绕线电阻、膜式电阻、全金属氧化物组分的氧化锌电阻，其中金属类的多绕线电阻中，双绕线可以有效降低电感，但是如果遇到强电流快速冲击，会导致绕线烧毁，如果使用多绕线电阻，那么体积无法控制，不方便使用；膜式电阻可以应对较强电流快速冲击，但是成本较高，而且使用寿命短，长期使用就有可能被强电流击穿，同时还有不小的电感存在；全金属氧化物组分的氧化锌电阻最大单位热容为800J/cm^-3左右，温度系数为2-7×10^-2/℃，与大功率脉冲系统千焦以上能量和较低的温度系数的要求相差甚远。而美欧等国在解决高电压、大电流、无电感、瞬时放电条件下的电阻解决方案上主要应用氧化锌陶瓷电阻，其主要由含氧化锌的粘土烧结而成，其中较多碳的存在在高温条件下极易发生性状改变，导致性能改变，因而无法长久安全使用，需要定期更换。目前国内在大功率脉冲系统用纯电阻器件方面还未见报道，而国际上对于大功率脉冲系统用纯电阻器件处于保密状态。

发明内容

本发明旨在进一步提升现有纯电阻的性能参数，本发明提供了一种低电阻率碳化硅陶瓷及其制备方法。

本发明提供了一种低电阻率碳化硅陶瓷，所述低电阻率碳化硅陶瓷的组成包括SiC、AlN、B₄C、C，其中，AlN的含量1—5wt％，B₄C的含量≤1wt％，C的含量为0—3wt％，其余为SiC。

较佳地，所述低电阻率碳化硅陶瓷密度为3.11-3.15g·cm^-3，抗弯强度为280Mpa-350Mpa，电阻率为2330Ω·cm-18140Ω·cm。

又，本发明还提供了一种上述低电阻率碳化硅陶瓷的制备方法，所述制备方法包括：

1)称量SiC粉体、AlN粉体、B₄C粉体、酚醛树脂作为原料粉末，其中，原料粉末中AlN占1-5wt％、B₄C≤1wt％、酚醛树脂为粉体总重量的5-10wt％，其余为SiC粉体；

2)将步骤1)称量的原料粉末采用湿法球磨制备成陶瓷浆料；

3)将步骤2)制备的陶瓷浆料进行喷雾造粒得到陶瓷粉体，陶瓷粉体通过干压成型和/或等静压成型，得到陶瓷素坯；

4)将步骤3)制备的陶瓷素坯在1900-2300℃下烧结得到所述低电阻率碳化硅陶瓷。

较佳地，所述SiC粉体的粒径为0.1～1μm。

较佳地，所述球磨以SiC球作为研磨球。

较佳地，所述陶瓷浆料的固含量为40-45wt％。

较佳地，所述干压成型的压力为15-100Mpa，所述等静压的压力为150-210MPa。

较佳地，所述陶瓷素坯真空脱粘后再进行烧结，烧结时间为1-2小时。

较佳地，酚醛树脂裂解残C率为40-60wt％。

本发明的有益效果：

碳化硅(SiC)陶瓷材料以其优异的高温力学性能、抗氧化性能、耐磨损性能、热稳定性能、较低的热膨胀系数、高热导率而被广泛的应用于机械工业、汽车和化工领域中的轴承、活塞及密封环等部件，这主要利用SiC陶瓷在极端环境条件下的稳定特性；SiC具有半导体特性，临界击穿电场和热导率高，介电常数低，是制造高温、高辐射条件下工作的高频大功率器件和高功率密度、高集成度器件的优良材料，纯的SiC电阻率很大，一般在10¹⁴Ω·m以上，目前已实用化的SiC电子器件主要是SiC半导体材料和热敏电阻，其主要通过射频溅射方法得到的薄膜型和升华法制作的单晶型两类材料，而这些电子器件的制作成本非常高而且也无法通过设计获得不同形状和尺寸较大的材料。通过粉体烧结方法获得的SiC陶瓷材料，其制作方法简单，形状和尺寸可以根据需要进行设计，成本较低，其作为结构陶瓷材料应用较多，但是其作为功能类的电阻类材料应用较少。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方式中喷雾造粒制备的陶瓷复合粉体。

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。

本发明提供了一种低电阻率碳化硅(SiC)陶瓷制备方法。其包括如下步骤：

1)以SiC粉体、AlN粉体、B₄C粉体和酚醛树脂为原料；

2)将所述原料配成固含量为40-45wt％的浆料，进行球磨混合；

3)将球磨混合后的浆料喷雾造粒，得到的粉体干压成型和等静压成型；

4)将样品真空脱粘后，在常压惰性气氛条件下烧结，烧结温度为1900-2300℃，保温时间为1-2h。

所制备的SiC陶瓷密度为3.11-3.15g·cm^-3，抗弯强度为：280Mpa-350Mpa，电阻率为2330Ω·m～18140Ω·cm。

SiC粉体、AlN粉体、B₄C粉体、酚醛树脂为原料，其中，SiC粉体为高纯SiC粉体(氧含量≤1.8％，Fe含量≤0.02％)，以固体粉体的总重量为基准计，AlN占1-5wt％、B₄C占0～1wt％、酚醛树脂为粉体总重量的5-10wt％。

所述SiC粉体的粒径为0.1～1μm。

步骤2)中所述球磨混合以SiC球作为研磨球。

步骤3)中，所述干压成型的压力为15-100MPa。

步骤3)中，所述干压成型后还进行等静压处理。

所述等静压的压力为150-210MPa。

酚醛树脂(5-10wt％)作为粘结剂或者碳源引入剂，其中酚醛树脂裂解残C率为40-60wt％。

首先将酚醛树脂根据需要配成溶液，酚醛树脂加入量分别为粉体质量的5wt％-10wt％；粉体都配成40-45wt％的浆料，用SiC球作为研磨球，粉料：SiC球＝1：2(质量)，混合24小时；然后将浆料喷雾造粒，如图1所示。得到混合均匀的粉体后，在平板机上以20-100MPa压力进行干压成型，或随后在150-200MPa压力下进行等静压。

最后真空脱粘后，在常压Ar气气氛下烧结，烧结温度为1900-2300℃，保温时间为60-90min。

陶瓷电阻率通过Agilent4294A精密阻抗分析仪测定。

以下进一步列举出一些示例性的实施例以更好地说明本发明。应理解，本发明详述的上述实施方式，及以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域的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。另外，下述工艺参数中的具体配比、时间、温度等也仅是示例性，本领域技术人员可以在上述限定的范围内选择合适的值。

实施例1

SiC、AlN(1wt％)、烧结助剂B₄C(0.5wt％)与酚醛树脂(10wt％)一共100g，将粉体配成固含量为45wt％的浆料，以SiC球200g为球磨介质，混合24h，然后喷雾造粒，得到的粉体在平板硫化机上16MPa压力成型，然后在200MPa压力下等静压。脱粘后在常压Ar气气氛下烧结，烧结温度为2200℃，保温时间为1h，得到的SiC陶瓷密度为3.14gcm^-3，抗弯强度为310MPa，电阻率2330Ω·cm。

实施例2

SiC、AlN(5wt％)、烧结助剂B₄C(0.6wt％)、酚醛树脂(10wt％)一共100g将粉体配成固含量为45wt％的浆料，以SiC球200g为球磨介质，混合24h，然后喷雾造粒，得到的粉体在平板硫化机上16Mpa压力成型，然后在200MPa压力下等静压。脱粘后在常压Ar气气氛下烧结，烧结温度为2200℃，保温时间为1h，得到的SiC陶瓷密度为3.11gcm^-3，抗弯强度为350MPa，电阻率18140Ω·cm。

Claims

1.一种低电阻率碳化硅陶瓷，其特征在于，所述低电阻率碳化硅陶瓷的组成包括SiC、AlN、B₄C、C，其中，AlN 的含量1—5wt%，B₄C 的含量≤1wt%，C的含量为0—3wt%，其余为SiC。

2.根据权利要求1所述的低电阻率碳化硅陶瓷，其特征在于，所述低电阻率碳化硅陶瓷密度为3.11-3.15 g·cm^-3，抗弯强度为280Mpa-350Mpa，电阻率为2330 Ω·cm-18140 Ω·cm。

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

1）称量SiC粉体、AlN粉体、B₄C粉体、酚醛树脂作为原料粉末，其中，原料粉末中 AlN占1-5wt%、B₄C ≤1wt%、酚醛树脂为粉体总重量的5-10wt%，其余为SiC粉体；

2）将步骤1）称量的原料粉末采用湿法球磨制备成陶瓷浆料；

3）将步骤2）制备的陶瓷浆料进行喷雾造粒得到陶瓷粉体，陶瓷粉体通过干压成型和/或等静压成型，得到陶瓷素坯；

4）将步骤3）制备的陶瓷素坯在1900-2300℃下烧结得到所述低电阻率碳化硅陶瓷。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述SiC粉体的粒径为0.1-1μm。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述球磨以SiC球作为研磨球。

6.根据权利要求3-5中任一所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷浆料的固含量为40-45wt%。

7.根据权利要求3-6中任一所述的制备方法，其特征在于，所述干压成型的压力为15-100Mpa，所述等静压的压力为150-210MPa。

8.根据权利要求3-7中任一所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷素坯真空脱粘后再进行烧结，烧结时间为1-2小时。

9.根据权利要求3-8中任一所述的制备方法，其特征在于，酚醛树脂裂解残C率为40-60wt%。