SiC基复相导电陶瓷的制备与性能研究

发布时间：2020-11-18 07:35

　　 碳化硅(SiC)陶瓷以其一系列优异的性能,已经在众多工业领域得到了广泛的应用。但由于SiC陶瓷仅次于金刚石的高硬度,使得目前SiC陶瓷的后期加工成型较为困难,而且性能优异的单相SiC陶瓷往往表现出半导体的性质,不利于其在导电领域的应用。通过调控SiC陶瓷的导电性能到100Ω·cm以下时,可以满足电火花加工的要求,从而能够对SiC陶瓷进行快速精确及复杂型面的加工。目前,对SiC陶瓷电学性能调控的研究还不完善,调控机理尚不完全明确。因此,开展SiC基复相导电陶瓷的制备与性能研究,对于SiC陶瓷实现大规模工业化制造及拓展其应用领域有着非常重要的意义。本论文在组分设计的基础上,通过常压固相烧结、常压液相烧结和热压液相烧结等致密化途径制备SiC基复相陶瓷,并对其相对密度、组成成分、微观结构、电学性能、力学性能之间的相互关系及作用机理进行较为系统的研究。首先,选用2200℃作为烧结温度考察ZrB_2含量对相成分、微观结构、力学性能和电渗流效应的影响。结果发现:不同ZrB_2含量的ZrB_2/SiC复相陶瓷的相对密度都在99%以上,几乎完全致密。随着ZrB_2含量增加,复相陶瓷的断裂韧性逐渐提高。同时,伏安特性曲线的非线性逐渐弱化,电阻率逐渐下降,这主要归因于导电路径中晶界的变化。当ZrB_2含量增加到某一特定值(渗流阈值)附近,电阻率会急速下降,预示着渗流通路的形成。通过渗流模型可计算得出,该渗流阈值为10.8 vol%(19.7wt%),这一数值要比传统的导电颗粒连续连接模式的渗流阈值低很多(33vol%),原因是该渗流通道是由ZrB_2-SiC-ZrB_2连接模式构成,其晶界势垒较SiC-SiC晶界势垒已显著降低而使晶界导通。其后,以SiC-20wt%ZrB_2为原料采用常压固相烧结的方式在氩气环境下调控烧结温度制备出ZrB_2/SiC复相陶瓷,研究发现调控烧结温度可以控制陶瓷的微观结构,进而可以调控陶瓷的电学性能和力学性能。对比不同烧结温度下制得的复相陶瓷发现:在1900℃烧结的样品相对密度较低,气孔相互贯通;提高烧结温度到2000℃时,样品的相对密度增加,气孔相互孤立分布,电阻率由连续气孔控制转变为晶界控制,导致电阻率大幅下降;继续提高烧结温度到2100℃时,相对密度进一步降低,SiC晶粒逐渐长大,晶界相减少,从而导致电阻率的继续下降;当烧结温度为2200℃时,烧结样品中碳的结晶度提高,包裹ZrB_2晶粒的无定型层消失,晶界变清晰干净,SiC晶粒继续增大并长成柱状晶,渗流通道形成导致电阻率再次大幅下降。但烧结温度过高会造成SiC晶粒过度生长,导致材料的弯曲强度降低。因此,为保证较低的电阻率和较高的强度确定最佳的烧结温度为2200℃。随后,探讨氩气环境下常压液相烧结SiC陶瓷的致密化技术途径,考察了分散介质、分散剂、有无埋粉烧结及烧结温度对SiC陶瓷相对密度、组成成分、微观结构、电学性能和力学性能的影响。结果表明:水作分散介质和加入分散剂均对所分散的粉体有活化作用,降低烧结粉体的烧结活化能;液相烧结过程中,液相烧结助剂由于高温作用会挥发而损失,埋粉烧结方式可补偿这种损失;1950℃-2000℃烧结的样品具有最高的相对密度(97%),在2000℃烧结的样品的弯曲强度最高;不同温度下烧结的样品的电阻率均较低,约为10~1Ω·cm量级,这是高温烧结过程中Al原子对SiC晶粒进行掺杂引起的。最后,采用热压液相烧结工艺添加氧化石墨烯GO作为第二相制备SiC基复相陶瓷,考察溶剂类型、组成成分、微观结构对电学性能和力学性能的影响。结果表明:GO在无机溶剂水中分散时,由于GO所带的-OH或-COOH等官能团可提供溶剂化力,容易在其表面形成水化膜,可保证GO片良好分散,而在有机溶剂乙醇中不存在溶剂化膜,因此GO在乙醇中容易团聚;GO的加入可提高陶瓷的弯曲强度但降低了陶瓷的断裂韧性;烧结过程中GO片在样品中沿垂直于压力的方向分布,导致陶瓷的电学各向异性增强。为考察晶粒大小对电学性能的影响,对样品进行1800℃退火处理,结果发现无埋粉退火的样品晶粒长大,并引起电阻率的降低和电性能各向异性的削弱。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.1
【部分图文】：

三种主要的SiC晶体结构示意图（3C、4H、6H）

图 2.3 各种碳化硅密封器件Fig. 2.3 SiC ceramics used as sealed devices耐磨损机械部件开始，SiC 陶瓷已逐步进高温强度、抗蠕变性、抗氧化性等方面，用于制作燃烧室、涡轮动叶片、定叶片等利用 SiC 良好的导热性制作的大容量超度地提高电子计算机的功能。SiC 热导率半导体硅单晶较接近，因而散热效果好，的剥离。为了提高 SiC 陶瓷的电阻率，加的晶界层，从而满足了封装基板材料的绝三代反射镜材料[34, 35]（图 2.4），其特点是热膨胀系数以及容易轻量化成型制作，在

Fig. 2.3 SiC ceramics used as sealed devices蚀、耐磨损机械部件开始，SiC 陶瓷已逐步进入到于在高温强度、抗蠕变性、抗氧化性等方面，SiC此可用于制作燃烧室、涡轮动叶片、定叶片等。究所利用 SiC 良好的导热性制作的大容量超大规大幅度地提高电子计算机的功能。SiC 热导率远高，与半导体硅单晶较接近，因而散热效果好，也能起硅的剥离。为了提高 SiC 陶瓷的电阻率，加入阻值的晶界层，从而满足了封装基板材料的绝缘第三代反射镜材料[34, 35]（图 2.4），其特点是高弹低热膨胀系数以及容易轻量化成型制作，在大口越不可替代[36]。
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本文编号：2888482