本發(fā)明涉及一種導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料及制備方法，屬于無機(jī)非金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，由于激光的一些特性，使其在很多領(lǐng)域都有所應(yīng)用，而激光作為武器使用則成為了目前國(guó)際各國(guó)研究的熱點(diǎn)。目前，高能激光武器已經(jīng)在海基、陸基和空基防御系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。高能激光武器可以使軍事目標(biāo)失能或毀壞，可以在防御系統(tǒng)中對(duì)抗導(dǎo)彈、衛(wèi)星、無人機(jī)等飛行器，因此研究激光防護(hù)材料迫在眉睫。

熱損傷作用是激光武器破壞目標(biāo)的主要機(jī)制之一，即利用強(qiáng)激光對(duì)物質(zhì)的作用，當(dāng)目標(biāo)接受的輻射功率達(dá)到一定值時(shí)熱量的積累速度遠(yuǎn)大于材料的散熱速度造成溫度急劇上升，超過材料的耐受值時(shí)，發(fā)生材料的燒蝕、融化或氣化，在表面形成燒蝕坑或穿孔。目前應(yīng)用在高能激光武器防護(hù)領(lǐng)域的材料多為高發(fā)射率、低熱導(dǎo)率的陶瓷材料，雖然其低熱導(dǎo)率(通常小于10W/(m·K))能起到對(duì)內(nèi)部基體的隔熱效果，但會(huì)使熱量無法快速散出導(dǎo)致光斑中心位置最先被破壞燒損，內(nèi)部被暴露進(jìn)一步被燒損最終形成燒蝕坑。然而，導(dǎo)熱各向異性材料由于其橫向熱導(dǎo)遠(yuǎn)大于縱向熱導(dǎo)，理論上能實(shí)現(xiàn)將熱量向四周快速傳導(dǎo)同時(shí)起到對(duì)基體的隔熱保護(hù)作用，達(dá)到有效的防護(hù)效果。但是，目前關(guān)于將具有導(dǎo)熱各向異性材料應(yīng)用于高能激光武器防護(hù)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)還未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料及制備方法，所述方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現(xiàn)了片層狀碳材料的定向排布；所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的軸向熱導(dǎo)率與徑向熱導(dǎo)率具有顯著的差異，既能實(shí)現(xiàn)將熱量向四周快速傳導(dǎo)同時(shí)起到對(duì)基體的隔熱保護(hù)作用，達(dá)到有效的防護(hù)效果。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料，所述復(fù)合陶瓷塊體材料由碳化硅、片層狀碳材料以及釔鋁石榴石組成；其中，碳化硅的質(zhì)量與釔鋁石榴石的質(zhì)量比為9～10:1，碳材料的質(zhì)量與碳化硅和釔鋁石榴石的質(zhì)量之和比為1:17～99。

所述片層狀碳材料優(yōu)選石墨烯或氧化石墨烯。

碳材料的質(zhì)量與碳化硅和釔鋁石榴石的質(zhì)量之和比優(yōu)選1:19～33。

一種如本發(fā)明所述的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的制備方法，所述方法步驟如下：

步驟1.將碳化硅、片層狀碳材料、氧化釔、氧化鋁以及無水乙醇加入球磨罐中，然后在300r/min～400r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h～8h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于80℃～100℃下進(jìn)行干燥，得到干燥粉體；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，然后在石墨模具軸向上施加20MPa～30MPa的壓力，并升溫到1600℃～1800℃，保壓保溫3min～5min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料。

所述碳化硅、氧化釔以及氧化鋁的顆粒平均粒徑分別獨(dú)立為0.3μm～0.5μm。

氧化釔與氧化鋁按照化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行混合，氧化釔的摩爾數(shù)與氧化鋁的摩爾數(shù)比為3:5。

放電等離子燒結(jié)爐中，升溫速率為80℃/min～100℃/min。

有益效果

(1)本發(fā)明所述導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料，其主要成分為碳化硅及石墨烯；其中碳化硅具有很高的熱穩(wěn)定性，同時(shí)具有高導(dǎo)熱性的特點(diǎn)，但該材料本身不具有導(dǎo)熱各向異性；石墨烯是一種具有導(dǎo)熱各向異性的高導(dǎo)熱性材料，但其在空氣中直接被高能激光輻照極易被氧化；實(shí)現(xiàn)石墨烯在SiC復(fù)合陶瓷中的定向分布能夠該使復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱各向異性，同時(shí)由于石墨烯分散于復(fù)合材料內(nèi)部，受到碳化硅的保護(hù)，使得該復(fù)合材料兼具優(yōu)良的熱穩(wěn)定性；本發(fā)明所述導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料在抗高能激光輻照領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

(2)本發(fā)明所述制備方法中，通過調(diào)控放電等離子燒結(jié)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)片層狀碳材料在所述復(fù)合陶瓷塊體材料中的定向排布；所述方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中制備的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的X射線衍射(XRD)圖。

圖2為實(shí)施例1中制備的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的斷面掃描電子顯微鏡(SEM)圖。

圖3為實(shí)施例2中制備的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的X射線衍射圖。

圖4為實(shí)施例2中制備的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的斷面掃描電子顯微鏡圖。

圖5為實(shí)施例3中制備的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的斷面掃描電子顯微鏡圖。

圖6為實(shí)施例4中制備的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的斷面掃描電子顯微鏡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

以下實(shí)施例中所用試劑如下表所示：

以下實(shí)施例中所用儀器如下表所示：

比熱容的計(jì)算公式：c_p＝c_p1×ω₁+c_p2×ω₂+c_p3×ω₃；其中，c_p1和ω₁、c_p2和ω₂、c_p3和ω₃分別為碳化硅、片層狀碳材料以及釔鋁石榴石的比熱容及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

熱導(dǎo)率計(jì)算公式：λ_s＝α_s×c_p×ρ_s；其中，λ_s為熱導(dǎo)率，α_s為熱擴(kuò)散系數(shù)，c_p為比熱容，ρ_s為密度。

實(shí)施例1

含5wt％石墨烯的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的制備：

步驟1.將85.5g平均粒徑為0.5μm的碳化硅、5g直徑為5μm～10μm的石墨烯、5.42g平均粒徑為0.3μm的氧化釔、4.08g平均粒徑為0.5μm的氧化鋁以及粒徑大小不同的氧化鋯球加入球磨罐中，再加入無水乙醇至球磨罐體積的2/3處，然后先將球磨罐置于超聲儀中超聲30min，再放入行星球磨機(jī)中在400r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入水浴加熱的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，然后在30r/min的旋蒸轉(zhuǎn)速以及70℃的水浴加熱溫度下除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于80℃的恒溫干燥箱中干燥24h，得到干燥粉體；

其中，氧化鋯球的質(zhì)量與碳化硅、石墨烯、氧化釔和氧化鋁質(zhì)量之和的比為4:1，大、中、小三種不同粒徑的氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:2；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入內(nèi)徑為Φ20.4mm、壓頭直徑為Φ20mm的石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，在石墨模具軸向上施加25MPa的單向壓力，以100℃/min的升溫速率升溫到1700℃，保壓保溫5min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料。

圖1的XRD譜圖中僅存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三種物質(zhì)的特征峰，說明本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三相，無其他雜質(zhì)相存在。從圖2的斷面SEM圖中可以看到，石墨烯在本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料中定向排布。

根據(jù)阿基米德排水法采用電子天平和密度測(cè)定組件測(cè)得所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的密度ρ_s為3.15g/cm³。根據(jù)比熱容的計(jì)算公式計(jì)算出所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的比熱容為670.35J/(kg·K)。根據(jù)儀器LFA447的制樣要求，將所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料加工成尺寸為Φ20mm×0.2mm的試樣，測(cè)得徑向熱擴(kuò)散系數(shù)α_s1為37.61mm²/s；加工成尺寸為Φ12.7mm×2mm的試樣，測(cè)得軸向熱擴(kuò)散系數(shù)α_s2為22.95mm²/s。根據(jù)熱導(dǎo)率計(jì)算公式計(jì)算出所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的徑向熱導(dǎo)率為79.43W/(m·K)，軸向熱導(dǎo)率為48.45W/(m·K)。測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料具有明顯的導(dǎo)熱各向異性特征，用徑/軸向熱導(dǎo)率比值表示其導(dǎo)熱各向程度為1.64。

實(shí)施例2

含5wt％氧化石墨烯的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的制備：

步驟1.將85.5g平均粒徑為0.5μm的碳化硅、5g直徑為1μm～5μm的氧化石墨烯、5.42g平均粒徑為0.3μm的氧化釔、4.08g平均粒徑為0.5μm的氧化鋁以及粒徑大小不同的氧化鋯球加入球磨罐中，再加入無水乙醇至球磨罐體積的2/3處，然后先將球磨罐置于超聲儀中超聲30min，再放入行星球磨機(jī)中在400r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入水浴加熱的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，然后在30r/min的旋蒸轉(zhuǎn)速以及70℃的水浴加熱溫度下除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于80℃的恒溫干燥箱中干燥24h，得到干燥粉體；

其中，氧化鋯球的質(zhì)量與碳化硅、石墨烯、氧化釔和氧化鋁質(zhì)量之和的比為4:1，大、中、小三種不同粒徑的氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:2；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入內(nèi)徑為Φ20.4mm、壓頭直徑為Φ20mm的石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，在石墨模具軸向上施加25MPa的單向壓力，以100℃/min的升溫速率升溫到1700℃，保壓保溫5min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料。

圖3的XRD譜圖中僅存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三種物質(zhì)的特征峰，說明本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三相，無其他雜質(zhì)相存在。從圖4的斷面SEM圖中可以看到，石墨烯在本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料中定向排布。

根據(jù)阿基米德排水法采用電子天平和密度測(cè)定組件測(cè)得所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的密度ρ_s為3.22g/cm³。根據(jù)比熱容的計(jì)算公式計(jì)算出所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的比熱容為669.70J/(kg·K)。根據(jù)儀器LFA447的制樣要求，將所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料加工成尺寸為Φ20mm×0.2mm的試樣，測(cè)得徑向熱擴(kuò)散系數(shù)α_s1為38.26mm²/s；加工成尺寸為Φ12.7mm×2mm的試樣，測(cè)得軸向熱擴(kuò)散系數(shù)α_s2為21.00mm²/s。根據(jù)熱導(dǎo)率計(jì)算公式計(jì)算出所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的徑向熱導(dǎo)率為82.43W/(m·K)，軸向熱導(dǎo)率為45.24W/(m·K)。測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料具有明顯的導(dǎo)熱各向異性特征，用徑/軸向熱導(dǎo)率比值表示其導(dǎo)熱各向程度為1.82。

實(shí)施例3

含3wt％石墨烯的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的制備：

步驟1.將87.3g平均粒徑為0.5μm的碳化硅、3g直徑為5μm～10μm的石墨烯、5.53g平均粒徑為0.3μm的氧化釔、4.17g平均粒徑為0.5μm的氧化鋁以及粒徑大小不同的氧化鋯球加入球磨罐中，再加入無水乙醇至球磨罐體積的2/3處，然后先將球磨罐置于超聲儀中超聲30min，再放入行星球磨機(jī)中在300r/min的轉(zhuǎn)速下球磨8h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入水浴加熱的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，然后在30r/min的旋蒸轉(zhuǎn)速以及70℃的水浴加熱溫度下除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于100℃的恒溫干燥箱中干燥20h，得到干燥粉體；

其中，氧化鋯球的質(zhì)量與碳化硅、石墨烯、氧化釔和氧化鋁質(zhì)量之和的比為4:1，大、中、小三種不同粒徑的氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:2；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入內(nèi)徑為Φ20.4mm、壓頭直徑為Φ20mm的石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，在石墨模具軸向上施加30MPa的單向壓力，以90℃/min的升溫速率升溫到1700℃，保壓保溫4min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料。

從表征得到的XRD譜圖中可知，XRD譜圖中僅存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三種物質(zhì)的特征峰，說明本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三相，無其他雜質(zhì)相存在。從圖5的斷面SEM圖中可以看到，石墨烯在本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料中定向排布。

根據(jù)阿基米德排水法采用電子天平和密度測(cè)定組件測(cè)得所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的密度ρ_s為3.19g/cm³。根據(jù)比熱容的計(jì)算公式計(jì)算出所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的比熱容為669.51J/(kg·K)。根據(jù)儀器LFA447的制樣要求，將所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料加工成尺寸為Φ20mm×0.2mm的試樣，測(cè)得徑向熱擴(kuò)散系數(shù)α_s1為35.15mm²/s；加工成尺寸為Φ12.7mm×2mm的試樣，測(cè)得軸向熱擴(kuò)散系數(shù)α_s2為25.69mm²/s。根據(jù)熱導(dǎo)率計(jì)算公式計(jì)算出所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的徑向熱導(dǎo)率為75.15W/(m·K)，軸向熱導(dǎo)率為54.92W/(m·K)。測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料具有明顯的導(dǎo)熱各向異性特征，用徑/軸向熱導(dǎo)率比值表示其導(dǎo)熱各向程度為1.37。

實(shí)施例4

含1wt％石墨烯的導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料的制備：

步驟1.將89.1g平均粒徑為0.5μm的碳化硅、1g直徑為5μm～10μm的石墨烯、5.65g平均粒徑為0.3μm的氧化釔、4.25g平均粒徑為0.5μm的氧化鋁以及粒徑大小不同的氧化鋯球加入球磨罐中，再加入無水乙醇至球磨罐體積的2/3處，然后先將球磨罐置于超聲儀中超聲30min，再放入行星球磨機(jī)中在300r/min的轉(zhuǎn)速下球磨8h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入水浴加熱的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，然后在30r/min的旋蒸轉(zhuǎn)速以及70℃的水浴加熱溫度下除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于100℃的恒溫干燥箱中干燥20h，得到干燥粉體；

其中，氧化鋯球的質(zhì)量與碳化硅、石墨烯、氧化釔和氧化鋁質(zhì)量之和的比為4:1，大、中、小三種不同粒徑的氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:2；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入內(nèi)徑為Φ20.4mm、壓頭直徑為Φ20mm的石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，在石墨模具軸向上施加25MPa的單向壓力，以80℃/min的升溫速率升溫到1700℃，保壓保溫5min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導(dǎo)熱各向異性的SiC復(fù)合陶瓷塊體材料。

從表征得到的XRD譜圖中可知，XRD譜圖中僅存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三種物質(zhì)的特征峰，說明本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三相，無其他雜質(zhì)相存在。從圖6的斷面SEM圖中可以看到，石墨烯在本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料中定向排布。

根據(jù)阿基米德排水法采用電子天平和密度測(cè)定組件測(cè)得所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的密度ρ_s為3.27g/cm³。根據(jù)比熱容的計(jì)算公式計(jì)算出所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的比熱容為668.68J/(kg·K)。根據(jù)儀器LFA447的制樣要求，將所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料加工成尺寸為Φ20mm×0.2mm的試樣，測(cè)得徑向熱擴(kuò)散系數(shù)α_s1為32.44mm²/s；加工成尺寸為Φ12.7mm×2mm的試樣，測(cè)得軸向熱擴(kuò)散系數(shù)α_s2為28.10mm²/s。根據(jù)熱導(dǎo)率計(jì)算公式計(jì)算出所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料的徑向熱導(dǎo)率為70.89W/(m·K)，軸向熱導(dǎo)率為61.41W/(m·K)。測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)施例所制備的復(fù)合陶瓷塊體材料具有明顯的導(dǎo)熱各向異性特征，用徑/軸向熱導(dǎo)率比值表示其導(dǎo)熱各向程度為1.15。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。