碳化硅陶瓷的制备和导热性能研究

发布时间：2019-11-02 08:40

【摘要】：SiC陶瓷具有密度小,机械强度高,热膨胀系数小,导热率高的优异性能,除了在微电子领域,也被广泛应用在发动机、喷嘴、热交换器、天文望远镜系统中的反射镜等。这些应用均和SiC陶瓷的优良导热性能密切相关。因此高导热率作为SiC陶瓷广泛应用的基础之一,需要加大研究的力度。本课题利用液相烧结原理,采用热压烧结方法制备得到碳化硅陶瓷,研究了烧结助剂种类和含量对其致密度、物相组成、微观结构、力学性能和导热率等一系列性能的影响,通过调整烧结助剂配比和含量,发现复相烧结助剂Y2O3+AlN相比单相烧结助剂能够获得更高致密度的SiC陶瓷,随着Y2O3+AlN添加量从1.0wt.%逐渐增加到11.6 wt.%,陶瓷的致密度先增加后减小,当添加3 wt.%Y2O3+2wt.%AlN作为烧结助剂时,获得SiC陶瓷致密度最高为99.72%,导热率最高达到73.53 W/(m·K),之后经过进一步热处理,导热率提高为102.78 W/(m·K)。探讨了SiC声子导热机制中,对声子散射的主要影响因素为:晶界、晶界处存在的第二相以及晶粒内固溶的杂质原子。在此基础上添加石墨烯制备了GNPs/SiC陶瓷基复合材料,研究了石墨烯在SiC基体中的分散行为和结合方式,探究石墨烯质量分数对复合材料各项性能的影响规律。实验中发现大部分石墨烯的分布方向均与加压方向垂直,随着石墨烯添加量由0逐渐增加到5 wt.%时,GNPs/SiC致密度在不断下降,弯曲强度则先增大后减小,当添加1.0 wt.%的石墨烯时,复合材料的力学性能最优,弯曲强度达632.75MPa,比未添加石墨烯时的SiC基体增加了12.43%。由于石墨烯的择优取向,使得GNPs/SiC复合材料的导热率在轴向压力的垂直方向和平行方向出现明显的差异。垂直方向导热率随着石墨烯添加量增多先增大后减小,添加量为3 wt.%时,导热率λ⊥达到最大值84.98 W/(m·K),另一个方向导热率随石墨烯的加入不断减小。采用超声波辅助钎焊的方法,将SiC陶瓷通过Zn-Al钎料连接在一起。接头剪切强度为21.08 MPa,主要断裂位置为Zn-Al与SiC结合面,接头整体导热率为49.73 W/(m·K),建立了SiC/Zn-Al/SiC接头热阻组成模型,并根据理论计算求得SiC与Zn-Al钎焊界面的热阻率为r=0.13 K/W。
【图文】：

二元相图,二元相图

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文提高导热性能的方法。本课题制备了 SiC 陶瓷并研究其导热性能，旨在获得其导热机理，为其实际运用提供理论依据。1.2 SiC 陶瓷性质碳化硅在自然界中并不天然存在，它是一种人造材料，由美国人艾奇逊在 1891年偶然发现，他在做电熔金刚石试验时合成了某种物质，当时将其命名为金刚砂。碳化硅的分子式为 SiC，分子量为 40.07，密度为 3.21 g/cm3。碳化硅是 Si、C两种元素组成的唯一能在室温下稳定存在固相二元化合物，图 1-1 为 10 MPa 气压下 Si-C 的二元相图[13]。而碳化硅在 0.1 MPa 气压下，在 2380 C 左右直接由固态分解为气态，并不存在熔点。SiC 共价键所占比例为 88%，离子键所占比例为 12%，可视为共价键化合物。SiC 晶体结构中的单位晶胞为相同的四面体，视为 C 原子在中心或者 Si 原子在中心皆可，如图 1-2 所示。

二元相图,四面体结构

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文提高导热性能的方法。本课题制备了 SiC 陶瓷并研究其导热性能，旨在获得其导热机理，为其实际运用提供理论依据。1.2 SiC 陶瓷性质碳化硅在自然界中并不天然存在，它是一种人造材料，由美国人艾奇逊在 1891年偶然发现，他在做电熔金刚石试验时合成了某种物质，当时将其命名为金刚砂。碳化硅的分子式为 SiC，，分子量为 40.07，密度为 3.21 g/cm3。碳化硅是 Si、C两种元素组成的唯一能在室温下稳定存在固相二元化合物，图 1-1 为 10 MPa 气压下 Si-C 的二元相图[13]。而碳化硅在 0.1 MPa 气压下，在 2380 C 左右直接由固态分解为气态，并不存在熔点。SiC 共价键所占比例为 88%，离子键所占比例为 12%，可视为共价键化合物。SiC 晶体结构中的单位晶胞为相同的四面体，视为 C 原子在中心或者 Si 原子在中心皆可，如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ174.1

【相似文献】