[发明专利]一种电阻可调的碳化硅陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种电阻可调的碳化硅陶瓷及其制备方法，所述陶瓷材料主要包括主体相‑碳化硅相、烧结助剂相‑碳化硼及导电相‑碳相组成，所述陶瓷材料可实现其体电阻率在10‑2～108Ω·cm可控可调制备。所述碳化硅陶瓷的密度在3.00～3.20g/cm3。本发明核心在于在碳化硅原料粉体表面包覆一层石墨烯类材料，通过调节碳化硅陶瓷内导电相的含量，获得体电阻率可调的碳化硅陶瓷。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料制备领域，尤其涉及一种电阻可调的碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化、化学稳定性好等优良的物理化学性质；同时，碳化硅陶瓷的饱和电子迁移率高，且具有较高的热导率，可应用于放射性、腐蚀性、易爆、高温等诸多复杂工况条件，有望成为可在苛刻条件下应用的材料。但是作为具有半导体特性的碳化硅陶瓷，其电阻率可调范围很窄，限制了其在更广阔领域(特别是在电磁、电子等领域)的应用。目前，针对碳化硅陶瓷高绝缘性能的研究较多，但对于能在高温高频等苛刻条件下使用的导电型碳化硅陶瓷的研究较少。

碳材料具有较高的导电性。通过调节碳材料在碳化硅陶瓷中的添加量可以实现调控碳化硅电阻率。石墨烯类材料是一种具有理想导电性能的碳材料，其每个碳原子均为sp²杂化，通过贡献剩余的一个p轨道电子形成大π键，实现π电子自由移动，这种特殊的结构赋予了石墨烯类材料优异的导电性能。石墨烯类材料的电导率可达10⁶S/m，是室温下导电性最佳的材料之一。

将碳材料及石墨烯类材料等添加入碳化硅陶瓷，从而实现陶瓷的特异性能，其相关专利主要有：

中国发明专利授权公告号：CN106045520A公开的碳化硅/石墨复合陶瓷体。此专利采用酚醛树脂等有机物作为碳源，并利用烧结后生成的石墨相对陶瓷进行改性。但由于有机碳的加入量过大(10％～20％)，会导致碳化硅陶瓷的致密度下降(不足3.0g/cm³)，进而影响碳化硅陶瓷的强度和韧性等性能。

中国发明专利授权公告号：CN103219061A设计了石墨烯/多孔陶瓷复合材料的制备方法。该专利首先烧结制备了多孔陶瓷基体，然后利用化学气相沉积法(CVD)在基体表面生长一层石墨烯。该专利虽然利用陶瓷表面很薄的一层石墨烯将陶瓷的表面电阻率降低了(方块电阻为：0.1758Ω/sq)，但并没有实现陶瓷基体电阻率的可控调节。并且化学气相沉积(CVD)设备昂贵，工艺参数复杂，不易于批量生产。

中国发明专利申请公告号：CN107778012A专利设计了一种碳化硅复相陶瓷的制备方法，利用石墨烯纳米片反应烧结制备碳化硅陶瓷。此专利的主要目的在于通过石墨烯纳米片的添加来提高碳化硅陶瓷的力学性能，且反应烧结制备碳化硅陶瓷的过程中将会消耗掉几乎全部的石墨烯并添加过量的游离硅，这将严重影响碳化硅陶瓷的电性能。同时，反应烧结制备的碳化硅陶瓷由于游离硅存在，其许可使用的最高温度为1700℃，限制了其在高温高频大功率等苛刻环境下应用。

中国发明专利授权公告号：CN105801154A涉及水热法制备石墨烯-碳化硅复合材料。此专利的主要研究目的是通过石墨烯的添加来提高碳化硅陶瓷的韧性等性能，不涉及石墨烯对碳化硅电学方面的影响。

如何利用石墨烯制备出既适用于高温高频大功率等极端环境，并且低成本、电学性能可控、可批量生产的碳化硅陶瓷是制约碳化硅导电陶瓷的研究瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电阻可调的碳化硅陶瓷及其制备方法。本专利通过在碳化硅原料颗粒的表面包覆石墨烯类材料，实现在碳化硅陶瓷的晶界中均匀分布石墨烯类材料，并以此减少碳化硅的晶界电阻，同时在碳化硅陶瓷内部形成导电网络，从而大大降低碳化硅的体电阻。并且，通过调节石墨烯类材料的用量来调节其在碳化硅原料颗粒表面包裹的层厚，进而调节碳化硅陶瓷中石墨烯类材料的含量，控制陶瓷体电阻，最终实现碳化硅陶瓷电阻率的调控。