CN104829233A - 一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：碳化硅60-70、铁粉4-5、铝矾土3-4、羧甲基纤维素1-3、纳米碳黑2-3、聚磷酸钠2-3、无水乙醇15-20、短切碳纤维预分散体10-14、烧结助剂2-4、去离子水70-90；本发明添加的短切碳纤维提高碳化硅的力学性能，提高陶瓷的断裂韧性，提高素坯的强度和致密度，满足机械加工要求，本发明的制作工艺简单、质量轻、摩擦系数高而稳定、导热性好、寿命长，作为散热器具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法，属于陶瓷生产技术领域。
背景技术
普通金属散热器，可以对800度以下的流体进行散热，而且金属散热器无法对有腐蚀性的流体进行散热。陶瓷散热器具有耐高温，耐腐蚀，所以可以用陶瓷散热器用在各种高温，高腐蚀的流体进行散热，散热效果好，使用寿命上，同等情况下陶瓷散热器是金属散热器的几倍或几十倍。陶瓷换热器已经在冶金、耐材、建材、化工、有色等行业得到广泛应用，为企业节约了大量能源，降低了生产成本。碳化硅本身几乎不导电，是很好的绝缘体，是其他金属材料散热片所不具备的。金属材料要做到绝缘的话，必然是要进行表面氧化等处理方式，一方面增加了成本和工时，同时也会降低导热性能；碳化硅陶瓷本身不产生电磁波，能够隔绝电磁波，还可以吸收部分电磁波，是有电磁波方面考量的产品最好的散热选择；金属材料散热片因为金属的特性，不可避免的会产生电磁波；防腐蚀，抗氧化，抗冷热冲击、热膨胀系数低这是碳化硅材料应用广泛的主要功能，不同于金属材料易腐蚀，易氧化，容易受温度的变化而热胀冷缩，从而导致胶贴脱落，固定不稳，散热性能降低等问题，碳化硅陶瓷散热器在防腐蚀，抗氧化，抗冷热冲击这几方面拥有绝对的优势，同时可以在高低温环境下保持稳定的外部形态，维持稳定的散热效能，是适用于恶劣环境下最好的散热选择。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施：
一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法，由下列重量份的原料制成：碳化硅60-70、铁粉4-5、铝矾土3-4、羧甲基纤维素1-3、纳米碳黑2-3、聚磷酸钠2-3、无水乙醇15-20、短切碳纤维预分散体10-14、烧结助剂2-4、去离子水70-90；
所述烧结助剂是由10-15重量份的氧化铝、8-12重量份的硼化锆、15-20重量份的碳粉混合研磨成200-300目粉末，加入0.4-0.8重量份的亚甲基双丙烯酰胺和10-15重量份的乙醇溶液混合搅拌均匀，加热蒸去溶剂在10-15MPa下压制成胚料，然后于600-800°C下干燥粉碎成150-200目粉末即可。
本发明所述短切碳纤维预分散体的制备方法为：将碳纤维短切为长度在1-3mm，在500-600°C下低温氧化1-2小时，再将其浸入体积比为3：7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1-2天后用去离子水反复冲洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面形成氧化锆涂层，再将该碳纤维完全浸入水中，超声波分散10-20分钟，再加入碳纤维0.3-0.5倍重量份的OP-10乳化剂，继续超声分散1-2小时即可。
本发明所述一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法，由以下具体步骤制成：
（1）将碳化硅、铁粉、铝矾土、纳米碳黑和去离子水混合加到球磨罐中，以高纯度氧化铝磨球球磨2-3小时，再加入除短切碳纤维预分散体之外其余剩余的成分以300-400转/分的转速进行湿法混合，混合1-2小时；
（2）将短切碳纤维预分散体加到步骤（1）中，转速降低至100-200转/分，继续球磨1-2小时，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于80°C下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至重量不再减少；
（3）将步骤（2）得到的碳化硅陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以20-25°C/min升温至1600-1700°C，恒温保持3-5小时，试样随炉冷却即可得到。
本发明的优点是：本发明添加的短切碳纤维提高碳化硅的力学性能，提高陶瓷的断裂韧性，提高素坯的强度和致密度，满足机械加工要求，本发明的制作工艺简单、质量轻、摩擦系数高而稳定、导热性好、寿命长，作为散热器具有广泛的应用前景。
具体实施方案
下面通过具体实例对本发明进行详细说明。
一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法，由下列重量份（公斤）的原料制成：碳化硅70、铁粉5、铝矾土4、羧甲基纤维素2、纳米碳黑3、聚磷酸钠2、无水乙醇20、短切碳纤维预分散体14、烧结助剂3、去离子水80；
所述烧结助剂是由15重量份的氧化铝、8重量份的硼化锆、18重量份的碳粉混合研磨成300目粉末，加入0.6重量份的亚甲基双丙烯酰胺和15重量份的乙醇溶液混合搅拌均匀，加热蒸去溶剂在12MPa下压制成胚料，然后于700°C下干燥粉碎成200目粉末即可。
本发明所述短切碳纤维预分散体的制备方法为：将碳纤维短切为长度在3mm，在600°C下低温氧化2小时，再将其浸入体积比为3：7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1天后用去离子水反复冲洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面形成氧化锆涂层，再将该碳纤维完全浸入水中，超声波分散20分钟，再加入碳纤维0.5倍重量份的OP-10乳化剂，继续超声分散2小时即可。
本发明所述一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法，由以下具体步骤制成：
（1）将碳化硅、铁粉、铝矾土、纳米碳黑和去离子水混合加到球磨罐中，以高纯度氧化铝磨球球磨3小时，再加入除短切碳纤维预分散体之外其余剩余的成分以400转/分的转速进行湿法混合，混合2小时；
（2）将短切碳纤维预分散体加到步骤（1）中，转速降低至200转/分，继续球磨2小时，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于80°C下保温50分钟后脱模，在室温下自然干燥至重量不再减少；
（3）将步骤（2）得到的碳化硅陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以20°C/min升温至1700°C，恒温保持5小时，试样随炉冷却即可得到。
本实施例中陶瓷的性能指标结果如下：
硬度（GPa）：38.2；
弹性模量（GPa）：380；
抗折强度（MPa）：210；
断裂韧性（Mpa/m1/2）：4.51；
热膨胀系数（10-5/K）：2.2；
热传导率（W/mK）：100。
Claims (3)
1.一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：碳化硅60-70、铁粉4-5、铝矾土3-4、羧甲基纤维素1-3、纳米碳黑2-3、聚磷酸钠2-3、无水乙醇15-20、短切碳纤维预分散体10-14、烧结助剂2-4、去离子水70-90；
所述的烧结助剂是由10-15重量份的氧化铝、8-12重量份的硼化锆、15-20重量份的碳粉混合研磨成200-300目粉末，加入0.4-0.8重量份的亚甲基双丙烯酰胺和10-15重量份的乙醇溶液混合搅拌均匀，加热蒸去溶剂在10-15MPa下压制成胚料，然后于600-800°C下干燥粉碎成150-200目粉末即可。
2.根据权利要求1所述一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法，其特征在于，所述短切碳纤维预分散体的制备方法为：将碳纤维短切为长度在1-3mm，在500-600°C下低温氧化1-2小时，再将其浸入体积比为3：7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1-2天后用去离子水反复冲洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面形成氧化锆涂层，再将该碳纤维完全浸入水中，超声波分散10-20分钟，再加入碳纤维0.3-0.5倍重量份的OP-10乳化剂，继续超声分散1-2小时即可。
3.根据权利要求1所述一种用于散热器的碳化硅陶瓷及其制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成：
（1）将碳化硅、铁粉、铝矾土、纳米碳黑和去离子水混合加到球磨罐中，以高纯度氧化铝磨球球磨2-3小时，再加入除短切碳纤维预分散体之外其余剩余的成分以300-400转/分的转速进行湿法混合，混合1-2小时；
（2）将短切碳纤维预分散体加到步骤（1）中，转速降低至100-200转/分，继续球磨1-2小时，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于80°C下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至重量不再减少；
（3）将步骤（2）得到的碳化硅陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以20-25°C/min升温至1600-1700°C，恒温保持3-5小时，试样随炉冷却即可得到。
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